DE19645103A1 - Geothermische Bohrlochsonde, Verfahren zur Bestimmung von Migrationsbewegungen und Verfahren zur Dichtekontrolle von Wasserbauwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine geothermische Bohrlochsonde, ein Verfahren zur Bestimmung von Migrationsbewegungen im Gebirge und im Ringraum von Bohraufschlüssen sowie ein Verfahren zur Dichtekontrolle von Wasserbau­ werken und besonders von Deponien.

Mit geothermischen Bohrlochsonden werden Bohrungen (ausgebaute oder unaus­ gebaute) von der Erdoberfläche bzw. vom Wasseranschnitt bis zur Endteufe befahren und dabei die vertikale Änderung der Temperatur registriert. Diese Befahrungen können beliebig wiederholt werden.

Die gemessene Temperatur-Tiefenfunktion ermöglicht Aussagen über den örtli­ chen geothermischen Tiefengradienten, über den Schichtenaufbau, über wech­ selnde thermische Einflüsse von der Erdoberfläche her und über vertikale und horizontale Strömungen im Untergrund sowie über chemische Umsetzungs­ prozesse in der Umgebung einer Bohrung (z. B. auf Deponien).

Aus der Praxis sind geothermische Bohrlochsonden bekannt, die einen im we­ sentlichen langgestreckten zylindrischen Trägerkörper aufweisen, der an seiner unteren, in das Bohrloch abzusenkenden Spitze einen Meßkopf auf­ weist. In dem Meßkopf oder an diesem Meßkopf ist ein Temperatursensor ange­ ordnet, der so ausgebildet ist, daß er beim Versenken der geothermischen Bohrlochsonde in ein Bohrloch von in dem Bohrloch stehendem Wasser umspült wird. Der Meßfühler wird von dem Wasser erwärmt oder abgekühlt und übermit­ telt ein dabei entstehendes Temperatursignal über eine in der Meßsonde an­ geordnete Verstärkerschaltung an eine Auswerteschaltung (s. Fig. 11-Fig. 14).

Aus der Praxis sind ferner Verfahren bekannt, bei denen ein Temperaturver­ lauf in Tiefenrichtung quer durch alle geologischen und tektonischen Struk­ tureinheiten und künstlich aufgeschüttete Materialien ermittelt wird, um aus diesem Temperaturverlauf Bewegungen von Grundwasser, Wasser aus Bauwer­ ken oder Deponien etc. zu ermitteln. Bei diesen Verfahren wird der tatsäch­ liche Temperaturverlauf in Tiefenrichtung in der Weise analysiert, daß die Wirkungen lokaler horizontaler und/oder vertikaler Migrationsbewegungen und die Wirkungen lokaler Wärmequellen aus dem Feld der geothermischen Leitung, aus dem Untergrund und von der Erdoberfläche her herausgehoben werden. In anderen Aufgabenstellungen gilt es, die Tiefenfunktionen der statischen geothermischen Felder oder zeitlich veränderliche Felder, die von der Erd­ oberfläche her wirken, zu ermitteln. Bei diesen geologischen Verfahren wer­ den insbesondere die genannten geothermischen Bohrlochsonden verwendet, die im Rahmen der genannten Verfahrens in der Regel mit einer Absenkgeschwin­ digkeit von 1 m/Min. im freien oder ausgebauten Bohraufschluß versenkt wer­ den. Ein besonderes Anwendungsgebiet der bekannten Verfahren sind Verfahren zur Dichtekontrolle von Wasserbauwerken und insbesondere die umwelt­ technische Überwachung von Deponien zur Bestimmung von Grund- und Deponie­ wasserströmungen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mit den bekannten geothermischen Bohr­ lochsonden und den bekannten Verfahren erzielbaren Meßgenauigkeiten und Da­ ten über das lithologische oder materielle Umfeld der jeweiligen Meßstellen unzureichend sind.

Dabei hat sich insbesondere gezeigt, daß das erzielbare Abbild der Deforma­ tionen der geothermischen Tiefenfunktion, die durch Migrationsvorgänge im Gebirge oder im Bohrungsringraum bzw. durch lokale Prozesse im Umfeld der Bohrung hervorgerufen werden, eine nicht hinreichend große Detailtreue auf­ weist. Oberhalb des Wasserspiegels wird durch die bekannten beweglichen geothermischen Bohrlochsonden aus dem Umfeld des Bohraufschlusses überhaupt keine Information gewonnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geothermische Sonden für hochge­ naue Temperaturmessungen zur Verfügung zu stellen, ein Verfahren zur präzi­ sen Bestimmung von Migrationsvorgängen in geologischen und tektonischen Strukturen sowie in künstlich aufgeschütteten Materialien anzugeben sowie eine zuverlässige Dichtekontrolle von Wasserbauwerken, insbesondere von De­ ponien zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der An­ sprüche 1, 9, 13 bzw. 14.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit einer geothermischen Sonde die Temperatur des Gebirges oder des Umfeldes des Bohraufschlusses direkt zu messen, ohne auf in einem Bohrloch vorhandenes Wasser als Temperaturver­ mittler angewiesen zu sein. Dadurch ist es möglich, mit den erfindungsgemäßen geothermischen Sonden trockene Bohrlöcher oder trockene Bereiche eines Bohrlochs zu untersuchen. Darüber hinaus wird auch eine höhere Präzision bei der Vermessung wassererfüllter Bohrlöcher erreicht, da die Messung von Diffusionsvorgängen und Ausgleichsvorgängen der Wärmeleitung innerhalb des in dem Bohrloch stehenden Wassers unabhängig ist.

Mit der Erfindung wird eine hochempfindliche bewegende geothermische Bohr­ lochsonde zur Verfügung gestellt, deren Vorzug es ist, die thermischen Ver­ hältnisse im Gebirge bzw. im Umfeld des Aufschlusses besonders detailliert abzubilden und dadurch horizontale und vertikale Migrationsvorgänge im De­ tail nachzuweisen, und zwar im wassererfüllten und wasserfreien Bohrloch, was besondere Bedeutung zur Bewertung der Dichtheit von Deponien und Was­ serbauwerken sowie zum Nachweis von Abtrifftvorgängen insbesondere im Um­ weltschutz hat.

Um dieses zu ermöglichen ist der konstruktive Aufbau der geothermischen Bohrlochsonde so realisiert worden, daß der Temperatursensor seitlich ange­ ordnet ist. Präzise Ergebnisse bei verhältnismäßig geringem technischen Aufwand lassen sich insbesondere dann erzielen, wenn der Temperatursensor durch einen auf der entgegengesetzten Seite der Sonde angeordneten Bügel mit der Bohrlochwandung kontaktiert wird.

Bei mit Kunststoff ausgekleideten Bohraufschlüssen kann der Temperatursen­ sor im gleitenden Kontakt direkt an der Bohrlochauskleidung entlanggefahren werden, da an Kunststoffauskleidungen kaum Reibungswärme entsteht.

Wenn die Bohrlochauskleidung allerdings eine hohe Rauhigkeit aufweist, was insbesondere bei korrodierten Metallrohrauskleidungen der Fall ist, muß die Entstehung von Reibungswärme verhindert werden. Um dies zu ermöglichen und den Einfluß von Reibungswärme beim Einbringen der geothermischen Sonde in das lithologische oder materielle Umfeld der Meßstelle zu verhindern, wird ein direkter Kontakt des Sensorelements während des Einbringens der geo­ thermischen Sonde mit dem Umfeld der Meßstelle oder einer Bohrungswandaus­ kleidung vermieden. Dies geschieht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 dadurch, daß zwischen dem Sensorelement und der Bohrlochwandung ein Distanzspalt vorgesehen ist. Dieser Distanzspalt ist dabei so flach bemes­ sen, daß das in ihm zu erwärmende Medium nur eine geringe Masse aufweist, so daß durch die Erwärmung des Mediums nur eine vernachlässigbare Verzer­ rung der Messung verursacht wird. Die Tiefe des Distanzspalts beträgt vorzugsweise nur 0,1 bis 0,2 mm, so daß von einem Quasikontakt gesprochen werden kann.

Gemäß Anspruch 9 wird eine Verfälschung der Temperaturmessung dadurch ver­ hindert, daß der Temperatursensor durch Verlagerung vor dem Absenken in das Umfeld der Meßstelle aus einem Reibungskontakt mit dem Umfeld der Meßstelle entfernt werden kann. Die Aufnahme eines kontinuierlichen Temperaturver­ laufs in Höhenrichtung ist mit einer geothermischen Bohrlochsonde mit ver­ lagerbarem Temperatursensor zwar nur mit einem hohen Zeitaufwand möglich, andererseits kann aber eine solche geothermische Bohrlochsonde besonders vorteilhaft als Handsonde zur Vermessung von flachen, nicht ausgekleideten Rammlöchern verwendet werden. Wenn der verlagerbare Temperatursensor einer solchen geothermischen Bohrlochsonde einen von einem Mantelelement begrenz­ ten Meßspalt aufweist, werden außerdem Reibungseinflüsse beim Ausfahren des Temperatursensors verringert.

Vorzugsweise ist der Temperatursensor so ausgestaltet, daß das in dem Lei­ terelement eingebettete Sensorelement von einem Mantelelement umgeben ist, das eine als Kontaktfläche zur Anlage an einer Bohrungswand oder einer Boh­ rungsauskleidungswand ausgebildete Stirnseite aufweist. Dadurch kann der Temperatursensor direkt an der Bohrungswand oder einer Bohrungsausklei­ dungswand zur Anlage gebracht werden, so daß das Mantelelement nicht nur den Einfluß des Trägerkörpers auf das Sensorelement abschirmt sondern auch die in der Umgebung der Meßstelle herrschenden Umgebungseinflüsse.

Ein in Höhenrichtung der geologischen Formation herrschender Temperaturver­ lauf läßt sich besonders schnell und zuverlässig dann ermitteln, wenn die Kontaktfläche des Mantelelements als Gleitfläche für eine gleitende Messung ausgebildet ist und wenn an dem Trägerkörper ein federnder Andrückbügel vorgesehen ist, der den Temperatursensor mit leichtem Druck gegen eine Boh­ rungsauskleidungswand drückt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den Zeichnungen im Zusammen­ hang mit der Beschreibung, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde, die als gleitfähige Bohrlochmeßsonde ausgebildet ist,

Fig. 2 das untere Ende der in Fig. 1 gezeigten geothermischen Bohrloch­ sonde in teilweise aufgebrochener Darstellung in einer ausgeklei­ deten Bohrung,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen geothermischen Bohrlochsonde, die als Handsonde ausgebildet ist,

Fig. 4 einen Abschnitt der geothermischen Bohrlochsonde in Fig. 3 im Schnitt,

Fig. 5 einen Geländeabschnitt am Rande einer Deponie mit einem vor der De­ ponie liegenden Meßfeld in perspektivischer Darstellung,

Fig. 6 den Geländeabschnitt und das Meßfeld in Fig. 5 in einer Ansicht von oben,

Fig. 7 einen Schnitt durch den Geländeabschnitt in Fig. 5 mit einer Fehl­ stelle in vereinfachter Darstellung,

Fig. 8 Vergleichsmessungen mit einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde und mit zwei geothermischen Bohrlochsonden gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 9 Kombinationsmessung mit einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde und einer Gammasonde,

Fig. 10 Wiederholungsmessungen zur Bestimmung des jahreszeitlichen Einflus­ ses bei Messungen mit einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohr­ lochsonde und

Fig. 11-Fig. 14 geothermische Bohrlochsonden gemäß dem Stand der Technik.

Die in Fig. 1 gezeigte geothermische Bohrlochsonde 10 weist einen Träger­ körper 12 auf, an dessen unterem Ende 14 ein Temperatursensor 16 angeordnet ist. Der Trägerkörper 12 besteht aus zwei kreiszylindrischen Metallrohrab­ schnitten, die stirnseitig so aneinander angesetzt sind, daß sie eine ge­ meinsame gerade Außenlinie aufweisen, und einen oben liegenden Hauptbereich 18 und einen unten liegenden Verjüngungsbereich 20 bilden. Am oberen Ende des Hauptbereichs 18 ist ein Andrückbügel 22 aus einem etwa 2 bis 3 mm starken, vorgebogenen Stahldraht befestigt, der am unteren Ende des Verjün­ gungsbereichs 20 in einer in Längsrichtung der geothermischen Bohrlochsonde 10 verlaufenden Führungsschiene gleitend gelagert ist.

In Fig. 2 ist das untere Ende 14 der geothermischen Bohrlochsonde 10 in Fig. 1 teilweise im Schnitt gezeigt, wobei die geothermische Bohrlochsonde 10 mit ihrem Temperatursensor 16 an der Innenwand 24 einer Bohrlochausklei­ dung 26 anliegt. Die geothermische Bohrlochsonde 10 weist an ihrem unteren Ende ein Abschlußplättchen 28 auf, das mit dem den Verjüngungsbereich 20 der geothermischen Bohrlochsonde bildenden Metallrohr 30 so verschweißt ist, daß die geothermische Bohrlochsonde 10 wasserdicht ist.

Das Metallrohr 30, dessen Durchmesser etwa 25 mm beträgt, weist an einer Seite eine zylindrische Öffnung 32 auf, in die der Temperatursensor 16 ein­ gesetzt ist.

Der Temperatursensor 16 besteht aus einem Sensorelement 34, welches über eine Anschlußleitung 36 abrufbare Temperatursignale erzeugt. Das Sensorele­ ment 34 ist in ein Leiterelement 38 aus wärmeleitfähigem Material, vorzugs­ weise aus nichtrostendem Metall eingebettet. Das Leiterelement 38 seiner­ seits ist in ein Mantelelement 40 eingepaßt, welches aus einem Hartkunst­ stoff besteht.

Das Mantelelement 40 ist so in das Metallrohr 30 eingepaßt, daß es mit sei­ ner außen liegenden Stirnseite, die eine Kontaktfläche 42 bildet, 3 bis 10 mm, vorzugsweise 5 mm über die äußere Umfangsfläche 44 des Metallrohres 30 vorsteht. Gegenüber dieser Kontaktfläche 42 ist die Meßfläche 46 des das Sensorelement 34 umgebenden Leiterelements 38 in Richtung auf die Rohrachse hin zurückversetzt, so daß das Mantelelement 40 zusammen mit dem Leiterele­ ment 38 eine Distanzspalt 48 begrenzt, die zu der Innenwand 24 der Bohr­ lochauskleidung 26 hin offen ist. Da die Meßfläche 46 gegenüber der Kon­ taktfläche 42 nur um etwa 0,1 bis 0,2 mm zurückversetzt ist, weist den Di­ stanzspalt 48 nur ein geringes Volumen auf.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte, als Tiefensonde ausgebildete geothermi­ sche Bohrlochsonde 10 wird beispielsweise verwendet, um Bohrungen in einen in Fig. 5 schematisch dargestellten Geländeabschnitt 50 geothermisch zu untersuchen, um dabei beispielsweise festzustellen, ob eine Deponie 52 dicht ist und welche Deponiewasserströme von der mit dem Bezugszeichen 52 gekennzeichneten Deponie ausgehen.

Beispielsweise wird in einem durch oberflächengeothermische Messungen kartierten Meßfeld (s. Fig. 6) in einer positiven thermischen Anomalie eine Bohrung (60) niedergebracht und anschließend wie in Fig. 2 gezeigt ausgekleidet sowie mit einer geothermischen Bohrlochsonde vermessen (Fig. 8).

Bei einer solchen Vermessung würde sich ein den Bohrungen I und II in Fig. 7 vergleichbarer Temperaturverlauf T einstellen. Oberhalb einer Tonschicht 62 würde das Sickerwasser durch eine Sand- und Kiesschicht 64 hindurch in einem schmalen Band von mitunter nur wenigen Zentimetern Höhe ablaufen und dort zu einer Temperaturanomalie mit erhöhter Temperatur führen (s. Fig. 8). Eine Einrichtung, mit der Deponiesickerwasser abgefangen werden soll, müßte daher genau oberhalb der Tonschicht 62 für eine Wasseraufnahme ausge­ bildet sein und dürfte unter keinen Umständen die Tonschicht 62 durchdrin­ gen, da anderenfalls Deponiewasser durch die Brunnenbohrung hindurch in tiefere Schichten versickern könnte.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine geothermische Bohrlochsonde 10, die als Tie­ fensonde ausgebildet ist und über ein Seil in Tiefen zwischen 2 m und 300 m hinabgelassen werden kann. Um ein Temperatursignal aus solchen Tiefen verarbeiten zu können ist ein Verstärker 49 vorgesehen.

Im Gegensatz zu der Tiefensonde in den Fig. 1 und 2 ist die geothermische Bohrlochsonde 110 in den Fig. 3 und 4 als Handsonde ausgeführt. Teile der geothermischen Bohrlochsonde 110, die Teilen der geothermischen Bohrloch­ sonde 10 entsprechen sind mit Bezugszeichen versehen, die gegenüber den entsprechenden Bezugszeichen in den Fig. 1 und 2 um 100 erhöht sind. Im Ge­ gensatz zur geothermischen Bohrlochsonde 10 weist die geothermische Bohr­ lochsonde 110 einen Trägerkörper 112 auf, dessen Querschnitt über die ge­ samte Länge der geothermischen Bohrlochsonde 110 im wesentlichen unverän­ dert ist und einen Durchmesser von etwa 1,5 bis 2,5 cm aufweist. Bei dieser Sonde 110 ist der Temperatursensor 116 quer zur Längsachse des Trägerkör­ pers 112 zwischen einer in Fig. 4 gezeigten versenkten Bewegungsposition und einer in Fig. 3 gezeigten ausgefahrenen Meßposition verlagerbar ange­ ordnet. Die Verlagerung des Temperatursensors 116 wird in Richtung der ausgefahrenen Meßposition durch eine Schraubenfeder 180 bewirkt, die an einem Stift 182 angreift und in Richtung auf die versenkte Bewegungsposi­ tion über einen schwenkbaren Hebel 184 der über einen Seilzug 186 von einem Betätigungsgriff 188 betätigt wird.

Zusätzlich zu dem Temperatursensor 116 weist die geothermische Bohrloch­ sonde 110 einen Zweittemperatursensor 190 auf, der sich in einem defi­ nierten Abstand, insbesondere 1 m oberhalb des Temperatursensors 116 befin­ det und entsprechend dem Temperatursensor 116 aufgebaut ist. Der Zweit­ temperatursensor 190 und der Temperatursensor 116 werden mittels des Betä­ tigungsgriffs 188 gleichzeitig in ihre versenkten Bewegungsposition zurück­ bewegt.

Mit der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Handsonde lassen sich die in Fig. 6 gezeigten Rammlochreihen 56 ohne großen Zeitaufwand vermessen.

Der in Fig. 7 gezeigte Schnitt durch den Geländeabschnitt in Fig. 5 zeigt geologische Verhältnisse, bei dem in der Tonschicht 62 eine Fehlstelle 66 ausgebildet ist. Durch diese Fehlstelle 66 wird Sickerwasser in unter der Tonschicht 62 liegende Schichten übertreten. Dieser Vorgang und die genaue Lage der Fehlstelle 66 lassen sich auch bei noch so schwachen Grund- und Deponiewassermigrationen mit der erfindungsgemäßen geothermischen Bohr­ lochsonde 10 ermitteln, da mit dieser ein exakter Temperaturverlauf in Höhenrichtung ermittelbar ist. Fig. 7 zeigt Temperaturverläufe T1 bis T4 einer ersten bis vierten Bohrung I bis IV, wobei erkennbar ist, daß eine oberhalb der Tonschicht 62 an den Bohrungen I und II festgestellte Tempe­ raturanomalie im Bereich der Bohrung III nach unten verlagert ist und im Bereich der Bohrung IV nicht mehr nachweisbar ist.

Fig. 8 zeigt eine Vergleichsmessung einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde 10 mit zwei geothermischen Bohrlochsonden (Typ 1, Typ 2) gemäß dem Stand der Technik. In Fig. 8 ist erkennbar, daß die Kurven 202 und 204 der geothermischen Bohrlochsonden Typ I und Typ II gemäß dem Stand der Technik Meßergebnisse erst ab dem Eintauchen der jeweiligen geothermischen Bohrlochsonde unterhalb des Wasserspiegels 206 zeigen. Dagegen zeigen die beiden Kurven 208 und 210 den Temperaturverlauf auch oberhalb des Wasserspiegels 206. Es ist ferner erkennbar, daß der mit der erfindungsge­ mäßen Sonde 10 erstellte Temperaturverlauf lokale Temperaturunterschiede innerhalb der einzelnen Schichten präziser abbildet als dies mit geother­ mischen Bohrlochsonden gemäß dem Stand der Technik möglich ist, da bei die­ sen durch Diffusionsvorgänge im Wasser in der Bohrung eine Vergleichmäßi­ gung des Kurvenverlaufs eintritt.

Durch die Verknüpfung des Temperaturverlaufs der Kurven 208 und 210 mit den Daten einer Gammameßkurve (212) lassen sich konkrete Bewegungsbahnen der migrierenden (hier Deponie-)Wasser angeben (Pfeile).

Als Beispiel für eine koordinierte Auswertung einer Gammakurve 212 mit ei­ ner Temperaturkurve 208, die mit einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde 10 ermittelt wurde, ist Fig. 9 vorgesehen. Fig. 9 zeigt zwei Grundwasserbahnen I, II, die durch eine Barriereschicht III getrennt sind. Während das Grundwasser in den Schichten I und II fließt und damit zu einem Temperaturausgleich in diesen Schichten führt, steht das Wasser in der Barriereschicht III, so daß über diese Barriereschicht III ein starker Tem­ peraturabfall zu verzeichnen ist. Mit dem Temperaturabfall der Kurve 208 der geothermischen Bohrlochsonde korreliert ein lokales Maximum der Kurve 212 der Gammasonde, was die Existenz einer lokalen Sperrschicht III bestä­ tigt.

Fig. 10 zeigt Wiederholungsmessungen zur Bestimmung des jahreszeitlichen Einflusses auf die Untersuchungsergebnisse. Dabei zeigt die Kurve 214 den mit einer erfindungsgemäßen geothermischen Bohrlochsonde 110 ermittelten Temperaturverlauf im Sommer, die Kurve 216 den Temperaturverlauf im Frühling und die Kurve 218 den Temperaturverlauf im Herbst. In Fig. 10, die eine 18 m tiefe Bohrung zeigt, ist gut erkennbar, daß Temperaturunterschiede von 1/1000 C mit einer Auflösung für wenige Zentimeter feststellbar sind. In Fig. 10 ist schwebendes Wasser mit dem Kürzel SW gekennzeichnet.

Um die Möglichkeiten der Erfindung optimal nutzen zu können, ist eine Meß­ wertauflösung des Meß- und des nachgeschalteten elektronischen Systems von ΔT = 0,01 K erforderlich. Die vorgestellte Sonde erfüllt diese Vorausset­ zung. Beides zusammen, das Ankopplungsprinzip und die hohe Meßwertauflö­ sung, ermöglichen als kombinierte Sondeneigenschaften eine optimale Erfas­ sung, d. h. Vorteile, die insbesondere darin bestehen, daß auch kleinräumige zum Teil auch schwache Anomalien (wenige 1/1000 Amplitude), die im Zusam­ menhang mit Migrationsvorgängen konterminierter Wässer auftreten, nachge­ wiesen werden können. Dabei sind bevorzugte Migrationsbahnen meist Klüfte oder Kluftzonen oder Sedimentlaminen mit besonders guten hydraulischen leitfähigen Eigenschaften. Das Fließen in solchen Zonen erfolgt oft auf De­ zimeter- oder Zentimeterbahnen, was für den Nachweis eine ebenso feine Auf­ lösung erfordert. Auf den genannten Bahnen eilen Wässer (auch kontermi­ nierte) mit einem vielfachen der Durchschnitts-Migrationsgeschwindigkeit voraus. Diese feingliedrigen Anomalien werden mit der erfindungsgemäßen Quasikontaktmessung erfaßt. Diese Vorgänge werden nicht nur im Grundwasser­ bereich registriert, sondern als Extravorteil im Schwebendwasserbereich.

Von besonderer Wichtigkeit ist das, wenn es gilt Abstrombahnen der Deponien zu orten oder z. B. in Bergbau- und Bergbaurekultivierungslandschaften Schwebendwasserzuflüsse zu erkennen.

Sickervorgänge in der Aerationszone verlaufen unstetig und zwar in Abhän­ gigkeit von der Körnungsstruktur der das Rammloch oder die Bohrung umgeben­ den Schichten. Feinkörnige Bereiche bremsen den Sickerprozeß und bewirken, daß das Sickerwasser an solchen Stellen einen erhöhten Wärmeaustausch er­ fährt. Die Folge sind kleinräumige Anomalien mit selten mehr als einigen hundertstel Grad Relativwertamplitude. Die gleitende, quasi kontaktierende, hochauflösende Temperaturmessung erlaubt es, auch diese Vorgänge wahrzuneh­ men.

Mit dem Austritt von Kluftwasser aus einem Gebirge in ein Bohrloch erfährt Kluftwasser eine Druckentlastung, die sich durch eine Temperaturminderung um jeweils einige hundertstel Grad bemerkbar macht. Mit der erfindungsgemä­ ßen geothermischen Bohrlochsonde 10 und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Migrationsvorgängen, insbesondere mit einer gleitenden hochauflösenden thermischen Quasikontaktmessung lassen sich selbst diese Temperaturänderungen und damit der Austritt von Kluftwasser nachweisen.

Auch eingelagerte Oxydationsherde in der Aerationszone, z. B. auf Braunkoh­ lenhalden bzw. Braunkohlenkippen, lassen sich mit der Quasikontaktmessung lokalisieren.

Durch Wiederholungsmessungen in problemangepaßten Zeitabständen lassen sich nunmehr auch im nicht wassererfüllten Bereich von Bohrungen vertikale und horizontale Migrationsgeschwindigkeiten bestimmen.

Wenn die geothermische Bohrlochsonde zwei hochauflösende Temperatursensoren aufweist und als Handsonde ausgebildet ist, können ggf. Hunderte von Ramm­ löchern eines Sondierfeldes an einem Tag vermessen werden. Eine mit der geothermischen Bohrlochsonde verbundene hochauflösende Auswerteschaltung erlaubt das Aufspüren thermischer Vorgänge noch in einem vielfachen der Rammlochtiefe da der Referenztemperatursensor eine Gradientenberechnung ermöglicht. Da für die einzelnen Messungen nur ein geringer Zeitaufwand er­ forderlich ist, kann mit der Handsonde ein Quasi-Monitoring durchgeführt werden, was eine konstante Observierung unterirdischer Strömungsvorgänge und unterirdischer chemischer Umsetzungsvorgänge erlaubt.

Die Fig. 11 bis 14 zeigen bekannte geothermische Bohrlochsonden. Insbeson­ dere zeigt Fig. 11 eine geothermische Bohrlochsonde 300 bei der ein Tempe­ ratursensor 302 in einer durchströmten Sondenröhre 304 angeordnet ist. Da­ mit ist nur eine Messung der die geothermische Bohrlochsonde 300 umgebenden Wassertemperatur möglich. Die hydrothermische Effizienz der geothermischen Bohrlochsonde 300 ist durch die hydraulische Durchflußreibung der Sonden­ röhre 304 gedämpft.

Bei der in Fig. 12 gezeigten geothermischen Bohrlochsonde 400 ist ein Tem­ peratursensor 402 unterhalb eines Trägerkörpers 404 in einem Schutzkäfig 406 angeordnet. Auch mit dieser geothermischen Bohrlochsonde 400 ist nur eine Messung der Wassertemperatur möglich. Die hydrothermische Effizienz erfährt bei dieser geothermischen Bohrlochsonde 400 jedoch keine Dämpfung.

In Fig. 13 ist eine geothermische Bohrlochsonde 500 gezeigt, bei der ein Temperatursensor 502 in einer Nische 504 eines Trägerkörpers 506 angeordnet ist. Bei dieser geothermischen Bohrlochsonde 500 wird nur die Wassertempe­ ratur gemessen und die hydrothermische Effizienz ist wegen der nur tangier­ ten Anströmung des Temperatursensors 502 gedämpft.

Fig. 14 zeigt eine Sensorkette 600 mit Temperatursensoren 602 in einer Rammsonde. Mit einer solchen Sensorkette 600 sind nur stationäre Messungen und eine begrenzte Teufenreichweite möglich.

In den Fig. 11 bis 14 bezeichnen M Übertage-Meßapparaturen, HM Übertage- Handmeßgeräte, E elektronische Teile der Sonde, T Temperatursensoren, F Schlitzöffnungen in der Sonde, SB einen Schutzbügel und BW Bohraufschlußwände.

Claims (14)

1. Geothermische Bohrlochsonde mit einem Trägerkörper (12; 112), an dessen unterem Ende (14; 114) ein Temperatursensor (16; 116) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (16; 116) an einer Seitenwand der geothermischen Bohrlochsonde angeordnet ist, die bei Messungen der Bohrlochwandung zugewandt ist.

2. Geothermische Bohrlochsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (16; 116) ein in Leiterelement (38; 138) aus ei­ nem wärmeleitfähigen Material eingebettetes Sensorelement (34; 134) und ein aus einem Wärme nichtleitenden Material bestehendes Mantelelement (40; 140) aufweist, wobei das Mantelelement (40; 140) und das Leiterele­ ment (38; 138) einen Distanzspalt (48; 148) begrenzen, der seitlich an dem Trägerkörper (12; 112) angeordnet ist.

3. Geothermische Bohrlochsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelelement (40; 140) eine Kontaktfläche (42; 142) zur Anlage an einer Bohrungswand oder einer Bohrungsauskleidungswand (24) aufweist.

4. Geothermische Bohrlochsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (42) als Gleitfläche für eine gleitende Messung ausgebildet ist.

5. Geothermische Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelelement (40; 140) aus einem Hartkunststoff besteht.

6. Geothermische Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Trägerkörper (12) an der dem Temperatursensor (16) gegenüberliegenden Seite ein federnder Andrückbügel (22) vorgesehen ist.

7. Geothermische Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (12) an seinem unteren Ende (14) einen Verjüngungsbereich (26) mit geringer Wärmekapazität aufweist.

8. Geothermische Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruttodichte der geothermischen Bohrlochsonde (10) größer ist als die Dichte einer salzgesättigten Bohrlochflüssigkeit und vorzugsweise 1,3 Kg/dm3 bis 1,4 Kg/dm3 beträgt.

9. Geothermische Bohrlochsonde mit einem Trägerkörper (112), an dessen unterem Ende ein Temperatursensor (116) angeordnet ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (116) quer zur Längsachse des Trägerkörpers (112) zwischen einer versenkten Bewegungsposition und einer ausgefahrenen Meßposition verlagerbar angeordnet ist.

10. Geothermische Bohrlochsonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (116) von einer Feder (180) in seine ausgefahrene Meßposition vorgespannt ist.

11. Geothermische Bohrlochsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor über einen Seilzug (186) in seiner versenkten Position feststellbar ist.

12. Geothermische Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Trägerkörper (112) oberhalb des Temperatursensors (116) ein Zweittemperatursensor (190) angeordnet ist.

13. Verfahren zur Bestimmung von Migrationsbewegungen innerhalb geologischer Formationen, bei dem in eine geologische Formation eine Bohrung nieder­ gebracht wird, die Bohrung mit einer Bohrungsauskleidung versehen wird und eine geothermische Bohrlochsonde in der Bohrung versenkt wird, wobei während dem Versenken der geothermischen Bohrlochsonde von einem Temperatursensor der geothermischen Bohrlochsonde erzeugte Temperatursignale aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursignale durch Messung der Temperatur einer Seitenwandung der Bohrungsauskleidung gebildet werden.

14. Verfahren zur Dichtekontrolle von Wasserbauwerken, insbesondere von De­ ponien, bei dem für ein Meßfeld mehrerer Meßpunkte vertikale Temperatur­ profile erstellt werden und bei dem Temperaturgradienten benachbarter Meßpunkte ermittelt werden, die die Migrationsrichtung unterirdischer Strömungen angeben, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Migrationsmeß­ verfahren gemäß Anspruch 13 die Höhenlage der unterirdischen Strömungen ermittelt wird.