LIAG
 

Unterwassergeoelektrik

Motivation

Während Verteilung von Sedimenten an Land und für die tiefere Meeresbereiche relativ gut bekannt ist, stellt der Küstenstreifen mit flachen Wassertiefen von bis zu 10m ein noch sehr selten untersuchtes Gebiet dar. Gerade dieser Bereich ist sehr interessant im Hinblick auf die Entstehungsgeschichte der Meere, speziell der Ostsee.
Für eine routinemäßige geophysikalische Untersuchung des Meeresgrundes bieten sich neben seismischen auch elektrische Verfahren an. Erstere liefern sehr detaillierte strukturelle Informationen, lassen aber ohne Bohrungen keine Rückschlüsse auf die Art der Sedimente zu. Geoelektrische Messungen hingegen sind in der Lage, Sedimente mit unterschiedlichen Porositäten sowie Salz-, Ton- und Humusgehalten aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit zu unterscheiden.

Herausforderungen

  1. Hohen Messfortschritt: schnelle kontinuierliche Messung
  2. Geringe Spannungen aufgrund hoher Leitfähigkeit: spezielles Prozessing
  3. Einbindung wererer Sensoren: GPS, Elektrodenlage, Wassertiefe, Leitfähigkeit, Temperatur
  4. Automatisierte 1D-Auswertung in situ
  5. Effiziente und genaue 2D-Auswertung im Büro

Von Anfang an wurde ein Konzept mit versenkten Elektroden favorisiert. Abb. 1 zeigt das verwendete Mess-Schema. Zu Details siehe hier.

Abb. 1: Prinzipskizze der Unterwassergeoelektrik

Datenprozessing

Da die Datenqualität bei den größeren Auslagen alles andere als perfekt ist, werden die Aufzeichnungen jedes Kanals mit Hilfe eines Harmonischen Least Squares Fits prozessiert. Dabei gehen die Messfehler jeder Einzelmessung als Gewichtsfaktoren ein. Ergebnis ist ein tiefpassgefiltertes Signal auf einem gröberen, entlang des Profils äquidistanten, Raster. Abb. 2 zeigt für ein Profil die ungefilterten und gefilterten Daten.

Abb. 2: Rohdaten (links) und prozessierte (rechts) scheinbare spezifische Widerstände

Auswertungsverfahren

1D-Inversion

Eine schnelle und bereits in-situ eingesetzte Möglichkeit ist eine 1D-Inversion der einzelnen prozessierten Sondierungen. Dies wird mit dem Programm EM1dInv (Auken et al., 2005) durchgeführt. Die Leitfähigkeit und Dicke der ersten Schicht, des Seewassers, wird dabei konstant gehalten. Abb. 3 zeigt die Ergebnisse einer solchen 1D-Inversion.

Abb. 3: Widerstandsverteilung eines Profils im Grabow bei Barth

2D-Roll-Along-Inversion

Bei lateral wechselnden Widerständen ist eine 1D-Inversion nicht mehr ausreichend. Daher wird in der Nachbearbeitung eine 2D-Inversion durchgeführt. Um die sehr langen Profile in vernünftigen Zeiten zu rechnen, wird die sogenannte Roll-Along-Inversion (Günther, 2007) eingesetzt, die segmentweise rechnet und durch globale Smoothness Constraints dennoch Konsistenz erreicht. In Abb. 4 ist die Auswertung für ein 3 km langes Stück eines Profils im Greifswalder Bodden gezeigt.

Abb. 4: 2D-Widerstandsverteilung eines Profils im Greifswalder Botten

Detailinversion mit BERT

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich mit dem Finite-Elemente-Paket BERT (Günther et al., 2006). Durch die Verwendung unstrukturierter Dreiecke kann jede beliebige Form des Seebodens, aber auch durch seismische Verfahren oder Bohrlöcher bekannte Schichtgrenzen nachgebildet und als Strukturinformation eingebaut werden. Da hier noch keine Roll-Along-Verfahren existiert, ist diese Methode nur für kurze Teilstücke effizient. Abb. 5 zeigt ein solches Ergebnis.

Abb. 5: Inversionsergebnis eines Teilstücks mit BERT

Literatur

Auken, E., Christiansen, A. V., Jacobsen, B. H., Foged, N., and Sorensen, K. I. (2005). Piecewise 1d laterally constrained inversion of resistivity data. Geophysical Prospecting, 53(4): 497-506.

Günther, T. (2002-2007a). DC2dInvRes - Direct Current 2d Inversion and Resolution. resistivity.net productions, http://dc2dinvres.resistivity.net

Günther, T. (2007): Roll-Along Inversion – A New Approach for Very Long DC Resistivity Profiles. Ext. abstract, 13th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, 03.–05.09.2007; Istanbul, Türkei.

Günther, T., Rücker, C., and Spitzer, K. (2006). 3-d modeling and inversion of dc resistivity data incorporating topography - part II: Inversion. Geophys. J. Int., 166(2): 506-517.

 

Ansprechpartner

Dr. Thomas Günther
 +49 (0)511 643-3494

Mitarbeiter

Wolfgang Südekum
Dieter Epping