Einleitung Theorie Resultate und Diskussion

Einleitung
Jeder Boden ist bei näherer Betrachtung verschieden, seine
Struktur wird durch die Vergangenheit geprägt. Gut beobachten
kann man dies in den Bergen, wo durch die Höhe und die ständige
Erosion die Schichten kaum bewachsen und somit die
verschiedenen Tiefen ersichtlich sind.
Um den Boden nicht nur oberflächlich zu betrachten, macht sich
die Geophysik die physikalischen, in unserem Fall elektrischen und
seismischen Eigenschaften des Bodens zu Nutze, um so die Dicke
und die Gesteinsart eines Bodens zu bestimmen. So kann man
einen lokalen Einblick in das Erdinnere erhaschen.
(Tiefenmattenwiese oberhalb Zermatts) die Schichten erfolgreich
bestimmt werden. Das Diagramm (Abb. 3) zeigt die beiden
Schichtbegrenzungen und die drei Schichten mit hangaufwärts klar
zunehmenden Schichtdicken. Die Identifikation des Aufbaus der
drei Schichten ist aufgrund der erhaltenen Werte des spezifischen
Widerstands noch unklar. Wahrscheinlich muss eine raffiniertere
Auswertungssoftware erstellt oder beschafft werden, um mit
geneigten Profilen (Hanglagen) korrekte Ergebnisse zu erhalten.
Theorie
Geoelektrik
Die Methode der Geoelektrik ermittelt die Struktur, Schichtung
und das Material des Bodens, indem elektrische Eigenschaften
erforscht und Potentialunterschiede und Stromflüsse gemessen
werden.
Vier Elektroden werden in den Boden gesteckt und bilden
zusammen eine Schaltung. An den äusseren zwei Elektroden wird
eine Spannung angelegt und ein elektrischer Strom eingespiesen;
bei den inneren beiden wird die Spannung gemessen. Nach jeder
Messung wird der Abstand a verändert. Aus diesen Werten kann
das Tiefenprofil des elektrischen Widerstandes und damit die
Schichtung des Untergrundes berechnet werden.
Abb. 1: Wenner-Anordnung der Elektroden
Geoseismik
Bei der Geoseismik wird eine Schallwelle von einer Quelle aus in
den Boden gesendet. Diese Welle breitet sich in alle Richtungen
aus. Die Wellenausbreitung entlang der Oberfläche wird direkt von
Geophonen registriert. Wellenanteile, die in das Erdinnere
vordringen, können an Schichtgrenzen so gebrochen und reflektiert
werden, dass die Signale in den Geophonen ebenfalls hörbar sind
und Auskunft über die Schichtgrenzen geben (vgl. Abb. 2).
Abb. 3: Schichtmodell der Tiefenmattenwiese aus Geoelektrik
Geoseismik
Auf dem Gornergrat (45°59’11.30‘‘N/7°47’42.67‘‘E; 3031.8 m)
wurden eine Messung auf der Strasse und zwei Messungen in einer
Mulde durchgeführt, im Winkel von etwa 30° zueinander. Eine der
beiden Messungen in der Mulde ergab unbrauchbare Resultate. Für
die zweite Messung sind die gemessenen Signale in Abb. 4 in
einem Laufzeit-Distanz-Diagramm dargestellt. Im Diagramm ist
der mittlere Beginn des Signals als Linie (Türkis mit Quadraten)
markiert. Anhand dieser Markierungen konnten zwei Grenzflächen
nachgewiesen werden, weshalb sich drei verschiedene
Laufzeitgeraden ergeben haben. Die erste, wegen den ungenauen
Datensätzen in geringer Distanz nur schlecht bestimmbare
Grenzfläche wurde nicht weiter untersucht, sie gehört allenfalls zu
einer dünnen Oberflächenschicht.
Abb. 4: Seismogramm der Messung am Gornergrat
Abb. 2: Messprinzip der Refraktionsseismik
Mit Hilfe eines Geophons wird die Zeit, welche die Wellen
brauchen bis sie beim Geophon eintreffen, also die
Laufgeschwindigkeit gemessen. Das Geophon wird während einer
Messung schrittweise von der Quelle entfernt. Die Veränderung
der Laufzeit abhängig von der Position des Geophons liefert die
nötigen Daten für die Analyse des Untergrundes.
Resultate und Diskussion
Geoelektrik
Aus den Messungen erhält man die Stromstärke zwischen den
inneren Elektroden, und zusammen mit der Ausgangsspannung
kann nun der spezifische Wiederstand berechnet werden. Dieser
erhaltene Wert wird in das DCINV-Programm eingespiesen,
welches die Dicke und den Widerstand der einzelnen
Bodenschichten berechnet. Der Widerstand wird mit
Tabellenwerten verglichen, um auf die Struktur des untersuchten
Boden zu schliessen. Ionisierte Böden leiten zum Beispiel gut,
während Eis, beziehungsweise Permafrost schlecht bis gar nicht
leiten.
Mit dieser Methode wurden zwei grosse Messreihen gemacht. Auf
dem Gornergrat misslang eine wegen technischen Schäden am
Messkabel,
jedoch
konnten
am
zweiten
Standort
Aus den anderen beiden Laufzeitgeraden kann durch Analyse des
Dreischichtenfalls die Lage der Grenzschicht bestimmt werden.
Die Resultate dazu sind in Tab. 1 angegeben. Die Interpretation der
Wellengeschwindigkeiten basiert auf einem Handout der ETH
Zürich (Frontgeschwindigkeiten von elastischen P-Wellen). Die
oberste Schicht ist, wie in der Auswertung erklärt, zu
vernachlässigen. Die mittlere Geschwindigkeit der zweiten Schicht
deutet auf ein lockeres Sediment. Durch Beobachtung der
Oberfläche kann mit gutem Gewissen Schotter interpretiert
werden. Die dritte Schicht ist aufgrund der grossen
Wellengeschwindigkeit ein kristallines Gestein. Durch Betrachtung
der geologischen Karten der Region kann auf Granit geschlossen
werden. Permafrost kann durch die Resultate nicht bestätigt,
jedoch mit grosser Wahrscheinlichkeit vermutet werden.
Permafrost ist bei einer Wellengeschwindigkeit von über 3000ms-1
möglich, und aufgrund von Permafrostkarten ist Permafrost am
Gornergrat zu erwarten.
1. Schicht
2. Schicht
3. Schicht
Seismik
Messung Mulde
Messung Strasse
h [m]
v [ms-1]
Material
h [m]
v [ms-1]
Material
0.27
(172.6)
1.7
(218.5)
4.1
1529.3
Schotter
7.3
1264.4
Schotter
5064.4
Granit
4314.2
Granit
Tab.1: Schichtdicke h, Wellengeschwindigkeiten v und Interpretation der Gesteinsart