Geophysik an Altlasten: Leitfaden fur Ingenieure, Naturwissenschaftler und Juristen

139 Pages·1991·5.058 MB·German

by  Dr. rer. nat. Dieter Vogelsang (auth.)

Dieter Vogelsang
Geophysik
an Altlasten
Leitfaden fUr Ingenieure,
Naturwissenschaftler und Juristen
Mit 49 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr. rer. nat. DieterVogelsang
Niedersachsisches Landesamt
fUr Bodenforschung
Postfach 51 01 53
Stilleweg 2
W-3000 Hannover 51
ISBN 978-3-540-53948-3 ISBN 978-3-662-07450-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07450-3
DiesesWerk ist urheberrechtlich geschutzt.Diedadurch begrundeten Rechte,insbesondere die
der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen,
der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der
Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung,
vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
Einzelfall nur in den Grenzen dergesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der
Bundesrepublik Deutschland yom 9.September1965 in derjeweils geltenden Fassung zulassig.
Sie ist grundsatzlich vergutungspflichtig.Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmun
gen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1991.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche
Namen im Sinne derWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
waren und daher von jedermann benutzt werden durften.
Sollte in diesem Werk direkt oderindirekt aufGesetze,Vorschriften oderRichtlinien (z.B.D1 N,VDI,
VDE) Bezug genom men oder aus ihnen zitiert worden sein,so kann derVerlag keine GewahrfUr
Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat ubernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalis fUr
die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gultigen
Fassung hinzuzuziehen.
Satz: Reproduktionsfahige Vorlage yom Autor
60/3020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Unsere zivilisation benotigt fUr ihren Bestand und ihre Fort
entwicklung Rohstoffe und Energien in groBen Mengen zu mog
lichst geringen Kosten. Urn dies zu gewahrleisten ist die an
gewandte Geophysik auf die Erkundung und ErschlieBung von Roh
stoffen und Energietragern ausgerichtet worden.
Der Wiedereingliederung der Abfallstoffe in den natUrlichen
Stoffkreislauf unserer Erde wurde, bis vor wenigen Jahren, nur
geringe Aufmerksamkeit zuteil. Dementsprechend sorglos wurden
Schadstoffe gelagert, die auch in Gesteine und Grundwasser
eindringen konnten.
Nun stellt sich die dringliche Aufgabe das Gefahrdungspotenti
al dieser Altlasten zu ermitte.ln und ggf. ihre Sanierung vor
zubereiten. zunachst sollte mit wenig aufwendigen und zersto
rungsfreien Methoden die Lage und Erstreckung der Altlasten,
sowie ihr Schadstoffeintrag, in wasser und Boden ermittelt
werden, ehe mit perforierenden Verfahren wie Rammsondierungen
oder Bohrungen Abdichtungen verletzt oder toxische Stoffe
freigesetzt werden.
Hier offnet sich der angewandten Geophysik ein neues Arbeits
gebiet, in dem die bewahrten Methoden der Exploration weiter
verwendet werden konnen. Indessen sind Anderungen der MeBtech
nik erforderlich, urn die besonderen Fragen der Altlastenerkun
dung zu beantworten.
Nach der deutschen Wiedervereinigung mUssen die Gesetze und
Vorschriften des Umweltschutzes nach und nach auch auf die
neuen Bundeslander anqewendet werden. Zuvor mUssen jedoch
deren zahlreiche Altlasten lokalisiert und erkundet werden.
Bei dieser umfangreichen Aufgabe sollte, wegen des raschen
MeBfortschritts und zur Einsparung von AufschluBkosten, vor
dringlich die Geophysik eingesetzt werden.
Dieses Buch wurde geschrieben, urn die Anwendungsmoglichkeiten
der Geophysik bei der Altlastenerkundung auch Nichtgeophysi
kern zu erlautern, damit diese wichtige Aufgabe in der Zukunft
besser bewaltigt werden kann.
Mein besonderer Dank gilt der Landesanstalt fUr Umweltschutz
Baden-WUrttemberg fUr die Genehmigung zur Veroffentlichung der
Resultate des Modellstandortprogramms. Auch danke ich Allen,
die mich beim Schreiben und Darstellen unterstUtzt haben, ins
besondere Herrn Hans Repsold fUr seinen Beitrag zu den Bohr
lochmessungen und Frau Angelika Ruprecht fUr die Anfertigung
der Zeichnungen.
Hannover, im Januar 1991 Dieter vogelsang
Inhaltsverzeichnis
1 Einlei tung. . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Zielsetzung.................................... 4
1.2 Grundlagen..................................... 4
1.3 Vorbedingungen.................................. 5
1.4 Zusammenarbei t. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Me thoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Geomagnetik.................................... 9
2.1.1 Geomagnetische Bodenmessungen............ 9
2.1.2 Geomagnetische Messungen aus der Luft .•.. 12
2.2 Geoelektrik.................................... 13
2.2.1 Gleichstromverfahren ..................... 13
2.2.2 Wechselstromverfahren .................... 23
2.3 Seismik........................................ 32
2.3.1 AIIgemeines.............................. 32
2.3.2 Refraktionsseismik ....................... 32
2.3.3 Reflexionsseismik ........................ 35
2.4 Gravimetrie.................................... 37
2.5 Geothermik..................................... 37
2.6 Bohrlochgeophysik.............................. 39
2.7 Weitere Verfahren.............................. 46
2.7.1 Radiometrie .............................. 47
2.7.2 Isotopenhydrologiscne Altersbestimmung ... 48
3 Anwendung............................................ 49
3.1 Altablagerungen und Altlasten.................. 49
3.1.1 Vorbedingungen ........................... 49
3.1.2 Geomagnetik ......... ~ .................... 49
3.1.3 Gleichstromgeolektrik .......•............ 54
3.1.4 wechselstromgeoelektrik ..........•....... 67
3.1.5 Seismik.................................. 72
3.1.6 Gravimetrie .............................. 78
3.1.7 Geothermik............................... 78
3.1.8 Radiometrie.............................. 82
3.2 Deponieumfeld und Neustandorte................. 83
3.2.1 Kenntnisstand ............................ 83
3.2.2 Erkundung des Schichtenbaues ............. 83
3.2.3 Erkundung steilstehender Strukturen ...... 86
4 Kostenrahmen......................................... 93
4.1 Kosten Geophysik an Altlasten.................. 93
4.2 Kostenvergleich Geophysik/Bohrungen............ 94
3
5 Vorbereitung, Durchflihrung........................... 97
5.1 Anwendungsbereiche bei Altlasten............... 97
5.2 Altlastentypen................................. 99
5.3 Anwendungsgrenzen.............................. 99
5.4 Entscheidungshilfen .••••....•••••••..•••••••••. 103
5.4.1 Methodenwah1 ...••••••....•••••.••••.••••• 103
5.4.2 Erforderliche Vorkenntnisse ••.••••.•••••• 105
5.4.3 Vorarbeiten •....••••••....••••..••••.•••• 106
5.4.4 Auswertung und Interpretation •.•••••••••• 108
5.4.5 Nachfolgearbeiten •....•••••••.••••..••••• 108
5.5 Methodenkombinationen ..•••••••••.••.•••.•••••.• 109
5.6 Forschungs- und Entwick1ungsbedarf •••..••••.••• 111
6 Literatur ••..•••..••••••••. ~ .••••••••••...•••..•••..• 113
Anhang: Ausschreibung geophysika1ischer Arbeiten ••••... 115
Sachverzeichnis .•••..•••••••••••..••••••••••••••••••••• 129
1 Einleitung
1.1 Zielsetzung
Dieser Leitfaden hat die Aufgabe, die Anwendungsmoglichkeiten
der Geophysik im Umweltschutz aufzuzeigen. Von den zu schUt
zenden Einheiten Luft, Wasser und Boden werden nur die unter
suchungen zum Schutz des Wassers und des Bodens beschrieben.
Nicht-Geophysiker, wie Ingenieure, Naturwissenschaftler, Ju
risten oder Kommunalbeamte, die Altlastenprobleme bewaltigen
mUssen, sollen die geophysikalischen Verfahren und ihre Anwen
dungsmoglichkeiten kennenlernen. Komplizierte wissenschaft
liche Darstellungen wurden deshalb vermieden. Zur Beschreibung
der Methoden sind zahlreiche MeBbeispiele eingefUgt, um die
praktische DurchfUhrung sowie die Aussagekraft geophysikali
scher Arbeiten zu verdeutlichen.
AuBer der Beschreibung der geeigneten geophysikalischen Unter
suchungsmethoden und ihren Anwendungsmoglichkeiten werden auch
Vorschlage und Beispiele fUr die Ausschreibung geophysikali
scher Messungen gegeben. Kosten- und Ergebnisvergleiche mit
Bohrungen sollen die Wirtschaftlichkeit der Anwendung der Geo
physik im Umweltschutz herausstellen.
1.2 Grundlagen
Die Landesanstalt fUr Umweltschutz Baden-WUrttemberg lieB von
1988 bis 1990 an 8 Modellstandorten von Altlasten 59 geophysi
kalische Einzelvermessungen durchfUhren mit dem Ziel, Erfah
rungen in der sachgerechten und kostengUnstigen Erkundung von
Altlasten zu sammeln. Die Ergebnisse wurden zusammenfassend
ausgewertet [1]. Dies geschah im Auf trag der Landesanstalt fUr
Umweltschutz Baden-WUrttemberg sowie im Rahmen der Geowissen
schaftlichen Gemeinschaftsaufgaben der Geologischen Landesam
ter, die vom Niedersachsischen Landesamt fUr Bodenforschung
wahrgenommen werden. Hieraus ging eine Veroffentlichung der
Landesanstalt fUr Umweltschutz als Band: "Leitlinien zur Geop
hysik an Altlasten" [1] fUr die wasserwirtschaftsverwaltung
Baden-WUrttemberg hervor. .
Dieses Modellstandortprogramm ist die wichtigste Grundlage
dieses Leitfadens. Daneben sind auch untersuchungsergebnisse
von anderen Altlasten eingeflossen sowie Arbeiten im Modell
standortprogramm, die erst nach Fertigstellung der "Leitli
nien" durchgefUhrt werden konnten. In diesem Sinne ist dieses
Buch auch als erweiterte Neuauflage der "Leitlinien", die
jetzt der Offentlichkeit zur VerfUgung steht, aufzufassen.
5
1.3 Vorbedingungen
Seit ca. 70 Jahren sind geophysikalische Verfahren hauptsach
lich fUr die Prospektion von tiefliegeuden LagersUitten der
Kohlenwasserstoffe und Erze entwickelt und eingesetzt worden.
Heute steht hierfUr nicht nur ein erprobtes und umfangreiches
Instrumentarium zur VerfUgung, sondern es liegen auch einge
hende Erfahrungen in Auswertung und Interpretation vor.
Mit zunehmendem Verbrauch die Erkundung fossiler Ener
mu~te
gietrager und Erze in immer Tiefen vordringen. Die
gr6~ere
Geophysik hat dabei mitgeholfen, den wachsenden Rohstoffbedarf
unserer hochtechnisierten Zivilisation zu stillen.
Die Aufgabe, bei der Beseitigung der umfangreichen RUckstande
verbrauchter Rohstoffe mitzuhelfen, ist dagegen neu fUr die
Geophysik. Sie erfordert eine Neuorientierung, da nunmehr bis
her st6rende Oberflacheneffekte, welche die Signale der tief
liegenden Lagerstatten maskierten, das Objekt der Messungen
sind.
Es sind zunachst keine neuen geophysikalischen Methoden fUr
die Altlastenerkundung entwickelt worden. Das Instrumentarium
der angewandten Geophysik sowie die Erfahrungen in der DV-Aus
wertung und Interpretation geophysikalischer konnten
Me~daten
genutzt werden. Es war jedoch erforderlich die eingesetzten
Verfahren an die neuen Fragestellungen der Altlastenerkundung
anzupassen: z.B. sehr engmaschige ange
mu~ten Me~anordnungen
wendet we~den, die prazise Aussagen fUr geringe Tiefen erlaub
ten.
Da geophysikalische Aussagen vom Aufbau des geologischen Un
tergrunds und der hydrogeologischen Situation abhangen, mUssen
bei der geophysikalischen Interpretation geologische und hy
drogeologische Erkenntnisse interdisziplinar berUcksichtigt
werden.
1.4 Zusammenarbeit
Bei einigen geophysikalischen Auftragen haben sich Schwierig
keiten und eingestellt zwischen den Ingenieu
Mi~verstandnisse
ren, die den Auf trag ausschreiben, Uberwachen und finanzieren
und den ausfUhrenden geophysikalischen Firmen.
war haufig die recht unterschiedliche Auffassung geophy
Anla~
sikalischer Resultate. Wahrend Ingenieure jedes Ergebnis als
"absolut" betrachten, enthalten geophysikalische Ergebnisse,
obwohl sie auf der exakten Mathematik und Physik begrUndet
sind, meist relative Aussagen.
Der Grund fUr diese Unstimmigkeit liegt in der Vielfalt und
Komplexitat der geophysikalischen untersuchungsobjekte, deren
Parameter vereinfacht und geglattet werden mUssen, urn durch
mathematische Formeln erfaBt werden zu k6nnen.
6
Die Tabelle 1.1 beschreibt dieses Dilemma in Einzelheiten. Sie
enthalt auBerdem den Rat fUr Ingenieure ihre Aufgaben und Pro
bleme so genau zu beschreiben, daB der Geophysiker die am bes
ten geeignete MeBanordnung auswahlen kann.
Der Geophysiker dagegen sollte dem Ingenieur die Grenzen und
Einschrankungen der geophysikalischen Interpretation sowie
ihre Fehlerbreiten deutlich erklaren.
Tabelle 1.1. Bewertung von Ergebnissen
Ingenieure Geophysiker
Absolut Mehrdeutig, mehrere
unfehlbar gleich wertige
Ltlsungen mtlglich
AIle Eigenschaften Eigenschaften ktlnnen
sind in nur
angen~hert
Mafleinhei ten ermittelt werden
gena u bestimm t
Keine In terpra ta tion In terpreta tion
erforderlich unbedingt erforderlich
Klare Darstellung der Aufgaben und Probleme
Eindeutige Beschreibung der Einschrllnkungen
weitere MiBverstandnisse k6nnen aus der Darstellung der MeBer
gebnisse entstehen (Tabelle 1.2). FUr den geophysikalischen
Laien sollten Daten leichtverstandlich und einpragsam wieder
gegeben werden. Die eindrucksvollste Art der Darstellung sind
dreidimensionale zeichnungen und/oder Kolorierung. Hierdurch
werden nicht nur viele Einzelheiten fUr den Ingenieur erkenn
bar, sondern auch komplizierte Ergebnisse verstandlich. Listen
von zahlen, Pseudoprofile und Isolinienkarten sind fUr diesen
Zweck weniger gut geeignet.