DE4412994C1 - Geophysical measurement method for detection of natural cavity or mineshaft - Google Patents
Geophysical measurement method for detection of natural cavity or mineshaftInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur räumlichen Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten. Das können sowohl verdeckte Körper als auch physika lisch-chemische Inhomogenitäten im Boden, im Grundwasser oder im Gestein sein. Der hohe Grad der räumlichen Auflösung ermöglicht beispielsweise die Suche nach und die Vermessung von Hohlräumen, die Untersuchung von Baugrund, Bergbaurelikten und Deponien und die Suche nach und die Ausbreitung von Schadstoffen und Altla sten. Ebenso ist die Erkundung und Untersuchung von archäolo gischen Objekten sowie von Vulkanen und Erdbebenherden möglich.The invention relates to a method and an arrangement for spatial exploration and investigation of underground objects and Layers. Both hidden bodies and physics can do that Chemical-chemical inhomogeneities in the soil, in groundwater or in Be rock. The high degree of spatial resolution enables for example the search for and the measurement of cavities, the investigation of building ground, mining relics and landfills and the search for and the spread of pollutants and Altla most. Likewise, the exploration and investigation of archaeolo objects, volcanoes and earthquake sources.
Seit jeher besteht ein großes Interesse an der Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten. Hierzu wurden eine Vielzahl unterschiedlicher geophysikalischer Meßverfahren und Meßanordnungen entwickelt, wie z. B. Gravimetrie, Geothermie, Geoelektrik, Elektromagnetik, Emanometrie, Seismik usw. Trotz der zum Teil akut anstehenden Problemstellungen, wie etwa Schad stellen durch Schadstoffe und Altlasten, prophylaktische Erkun dung von bergbauschadengefährdeten Gebieten und Baugrundunter suchungen in mittelalterlichen Stadtgebieten, ist ein umfas sender oder Routineeinsatz der Geophysik bisher nicht zu ver zeichnen.There has always been great interest in exploring and Examination of underground objects and layers. For this purpose a variety of different geophysical measurement methods and measuring arrangements developed such. B. gravimetry, geothermal energy, Geoelectrics, electromagnetics, emanometry, seismics etc. Despite of the sometimes acute problems, such as Schad make prophylactic discoveries through pollutants and contaminated sites Development of areas at risk of mining damage and subsoil Searches in medieval urban areas is a comprehensive one transmitter or routine use of geophysics not yet available to draw.
Aus der Literatur ist bekannt, daß hinreichend zuver lässige Aussagen nach wie vor nur durch die komplexe Anwendung verschiedener Verfahren in Kombination mit Bohrlochmessungen bei entsprechend hohem Aufwand möglich sind (McCann, D. M. et al.: The use of geophysical surveying methods in the detection of natural cavities and mineshaftes. Quart. J. Eng. Geol. Vol. 20 (1987) S. 59-73). It is known from the literature that sufficient reliability casual statements still only through the complex application different methods in combination with borehole measurements correspondingly high costs are possible (McCann, D.M. et al .: The use of geophysical surveying methods in the detection of natural cavities and mineshaftes. Quart. J. Eng. Geol. Vol. 20 (1987) pp. 59-73).
Die Kenntnis unterirdischer Hohlräume unter Städten und Gemein den oder historischen Gebäuden ist aus Sicht der öffentlichen Sicherheit, der Erschließung innerstädtischer Baustandorte und der Rekonstruktion alter Stadtkerne einschließlich für die An lage von Verkehrswegen und Leitungstrassen von großer Bedeutung. Besonders schwierig ist die Begutachtung von abgemauerten oder in historischer Zeit teilweise verfüllten Hohlräumen von der Erdoberfläche aus oder aus Gebäuden. Mit den bisher in der geo physikalischen Erkundungspraxis genutzten Verfahren können Hohl räume nur dann nachgewiesen werden, wenn das Verhältnis zwischen Hohlraumdurchmesser und Teufenlage 1 : 1 bis maximal 1 : 2 beträgt. Außerdem ist Voraussetzung, daß die physikalischen Kontraste zwischen Hohlraum und Umgebung mindestens etwa 1 : 10 sind (Leiß ring, B.: Unterirdische Hohlräume in Lößlehmgebieten und inner städtische Bebauung - eine aktuelle Problematik. Bauzeitung 43 (1989) 11).Knowledge of underground voids among cities and communities The or historical buildings is from the public point of view Security, the development of inner city construction sites and the reconstruction of old city centers including for the An location of traffic routes and line routes of great importance. It is particularly difficult to assess bricked or in historical times partially filled cavities from the Earth surface from or out of buildings. With the so far in the geo Methods used in physical exploration can be hollow spaces can only be proven if the relationship between Cavity diameter and depth is 1: 1 to a maximum of 1: 2. It is also a requirement that the physical contrasts between the cavity and the surrounding area are at least about 1:10 (Leiß ring, B .: Underground cavities in loess loam areas and inside urban development - a current problem. Bauzeitung 43 (1989) 11).
Aus Krajewski, L. et al.: Iterative tomographic methods to locate seismic low velocity anomalies: A model study. Geophysical prospecting 37, 717-751, 1989 sind tomographische seismische Verfahren zur Erkundung und Untersuchung des Bodens bekannt. Bekannt ist die Verwendung von seismischen Erschütte rungswellen. Die von einer Quelle ausgesandten elastischen Wellen/Strahlen werden auf Grund ihrer unterschiedlichen Ge schwindigkeit im Medium zum Träger von Informationen, die bei geeignetem Empfang zur räumlichen Darstellung der durchstrahlten Körper und Inhomogenitäten dienen können. Seismische Wellen haben auf Grund ihrer Wellenlänge jedoch nur ein begrenztes Auf lösungsvermögen, das selten unter 10 m liegt. Die aufgrund der Dämpfung herabgesetzte Eindringtiefe der Wellen kann nicht durch eine erhöhte Energieabstrahlung der Quellen (Explosion, Schlag, Fallgewicht) beliebig gesteigert werden. Eine Reihe von teil weise schwer abschätzbaren Größen beeinflussen die Ergebnisse, so immer vorhandene natürliche und künstliche Erschütterungen sowie die Abstrahlcharakteristik und die Ankopplung der Quelle und der Sensoren. Weitere Beeinträchtigungen kommen durch nicht vermeidbare, filterbedingte Zeitverzögerungen in der Empfangs apparatur und die fehlende Möglichkeit zum Echtzeitbetrieb infolge des Datenprozessing zustande. Schließlich ist die Durch führung der Messungen im Gelände in der Regel mit einem erheb lichen Meßaufwand verbunden. Insbesondere ist eine Automati sierung des Ablaufes aufgrund der räumlich und zeitlich wechselnden Anregungen von seismischen Wellen nicht möglich.From Krajewski, L. et al .: Iterative tomographic methods to locate seismic low velocity anomalies: A model study. Geophysical prospecting 37, 717-751, 1989 are tomographic seismic methods for the investigation and investigation of the soil known. The use of seismic shocks is known waves. The elastic ones emitted by a source Waves / rays are due to their different ge dizziness in the medium to carry information at suitable reception for the spatial representation of the radiated Bodies and inhomogeneities can serve. Seismic waves have only a limited amount due to their wavelength Solubility that is rarely less than 10 m. The due to the Damping can not reduce the penetration depth of the waves increased energy radiation from the sources (explosion, shock, Falling weight) can be increased at will. A number of part quantities that are difficult to estimate influence the results, natural and artificial vibrations always present as well as the radiation characteristics and the coupling of the source and the sensors. No further impairments come through avoidable, filter-related time delays in reception equipment and the lack of real-time operation as a result of data processing. Finally, the through taking measurements in the field usually with a high Lichen measurement connected. In particular, is an automat the process based on the spatial and temporal changing excitations of seismic waves not possible.
Die aus der Medizin bekannte Computertomographie unter Verwen dung von Strahlen im Röntgen- und Ultraschallbereich hat sich für Messungen im Boden als wenig vorteilhaft erwiesen, weil der Boden die Energie dieser Strahlen so stark dämpft, daß diese nicht tief genug in das Medium eindringen können. Weiterhin sind geoelektrische Messungen bekannt, bei denen elek trischer Strom über Erdungen (Stromdipol) in den Boden einge speist wird. In der Umgebung der Elektroden baut sich ein elek trisches Feld auf, das von einem Spannungsdipol ausgemessen wird (Vierpunktmessungen). Aus der Messung von Strom und Spannung wird unter Berücksichtigung von Geometriefaktoren der elek trische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit des Untergrundes be stimmt. Der gemessene Widerstand repräsentiert die integralen, entfernungsabhängigen Einflüsse der verschiedenen Komponenten des geologischen Untergrundes (scheinbarer spezifischer Wider stand). Aus Jacobs, F. u. a.: Geoelektrische Erkundung von Lage rungsstörungen in Lockergesteinen. Geophys. und Geol., III/4, 161-195, 1987 ist die Verwendung der geoelektrischen Wider standsmessung für flächendeckende Kartierungen oder linienför mige Sondierungen bekannt. Als Nachteil der geoelektrischen Widerstandsverfahren erweist sich deren Ungenauigkeit bei der Abschätzung der Tiefenlage von Körpern und Inhomogenitäten, da flächendeckende Kartierungen Projektionen der wahren Widerstände an die Erdoberfläche darstellen. Dagegen sind linienförmige Sondierungen Projektionen der wahren Widerstände in eine Ver tikalebene, die jedoch die Tiefenlage systematisch verzerrt abbilden. Der Einfluß lateraler Widerstandsänderungen ist nicht korrigierbar. Somit erlaubt auch die Kombination beider Wider standsverfahren keine widerstands- und lagegetreue Abbildung von Störkörpern im Untergrund. Computer tomography known from medicine under Verwen Radiation in the X-ray and ultrasound range has increased proved to be of little advantage for measurements in the ground because of the Soil dampens the energy of these rays so strongly that it cannot penetrate deep enough into the medium. Geoelectric measurements are also known, in which elec trical current through grounding (current dipole) into the ground is fed. In the area surrounding the electrodes, an elec trical field, which is measured by a voltage dipole (Four-point measurements). From the measurement of current and voltage is taking into account the geometry factors of the elec trical resistance or the conductivity of the substrate Right. The measured resistance represents the integral, distance-dependent influences of the various components the geological subsurface (apparent specific contradiction was standing). From Jacobs, F. u. a .: Geoelectric exploration of location disruption in loose rock. Geophys. and Geol., III / 4, 161-195, 1987 is the use of geoelectric resistors level measurement for area-wide mapping or line promotion known soundings. As a disadvantage of geoelectric Resistance methods prove their inaccuracy in the Estimation of the depth of bodies and inhomogeneities, because area-wide mapping projections of the real resistances to the surface of the earth. In contrast, are linear Soundings projections of true resistances into a ver tical level, which systematically distorts the depth depict. The influence of lateral changes in resistance is not correctable. Thus, the combination of both contradictions allows stability method no accurate and accurate representation of Interference bodies in the underground.
Aus der DE 32 34 609 A1 ist ein geoelektrisches Aufschlußverfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung bekannt, bei dem über ein an eine Stromquelle angeschlossenes Einzelleiterkabel in Längs richtung auseinanderliegende Anschlußpunkte mit von einer Zentraleinheit aus adressierbaren Schalteinheiten mit Erdsonden verbunden sind. Das Ziel besteht darin, bei Sondierung mit einer großen Anzahl von Sonden den technischen Aufwand des im Feld aus zulegenden Teils der Meßanordnung zu verringern. Die Anordnung der empfindlichen Elektronik in Verbindung mit den im Gelände auszubringenden Sonden erweist sich unter den rauhen Feld bedingungen jedoch als störanfällig. Diesem wie auch den übrigen Verfahren ist gemeinsam, daß sie die Meßwerte dem Mittelpunkt der Meßanordnung zuordnen - und zwar auf einer Vertikallinie unter halb des Mittelpunktes. Eine scheinbar zweidimensionale Wider spiegelung des Untergrundes wird erreicht, in dem mehrere dieser eindimensionalen Vertikallinien in einer Vertikalebene darge stellt und durch grafische Interpolation verbunden werden. Jedoch wird der grundsätzliche Fehler bei der eindimensionalen Dar stellung gegenüber der dreidimensionalen Realität dadurch nicht beseitigt.DE 32 34 609 A1 describes a geoelectric digestion process and a facility for its implementation is known, in which a Single conductor cable connected to a power source in the longitudinal direction Direction apart connection points with one Central unit consisting of addressable switching units with geothermal probes are connected. The goal is to probe with a large number of probes the technical complexity of the field to reduce the increasing part of the measuring arrangement. The order the sensitive electronics in connection with those in the field probes to be deployed turns out to be under the rough field conditions, however, as susceptible to faults. This as well as the rest The common feature is that the measured values are the center of the Assign measurement arrangement - on a vertical line below half of the center. An apparently two-dimensional contradiction Reflection of the underground is achieved in several of these one-dimensional vertical lines in a vertical plane Darge and connected by graphical interpolation. However becomes the fundamental error in the one-dimensional Dar position against the three-dimensional reality eliminated.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von den be kannten Verfahren und Anordnungen zur Darstellung geoelektri scher Widerstände und Leitfähigkeiten im Untergrund deren Auflö sung zu erhöhen und hierbei auch räumliche dreidimensionale Darstellungen zu erreichen, wobei die räumliche Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten weitgehend automatisiert, störresistent, schnell und umweltschonend von der Erdoberfläche aus durchführbar sein soll.The object of the invention is based on the be knew methods and arrangements for displaying geoelectri resistances and conductivities in the subsurface dissolving them solution and also spatial three-dimensional Achieve representations, with spatial exploration and Investigation of underground objects and layers largely automated, interference-resistant, fast and environmentally friendly Earth surface should be feasible.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden in dem unabhängigen Anspruch 1 ein Verfahren und in dem unabhängigen Anspruch 6 eine Anordnung zur räumlichen Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten vorgeschlagen.To solve this problem, independent claim 1 a method and in the independent claim 6 an arrangement for spatial exploration and investigation of underground objects and layers suggested.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren zur räum lichen Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten gelöst, bei dem elektrischer Strom über eine als Stromdipol ausgebildete Erdung in den Boden eingespeist wird. Das sich als Folge aufbauende elektrische Feld wird mittels eines Sondendipols gemessen. Aus der Messung von Strom und Span nung wird der elektrische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit des Untergrundes bestimmt. Erfindungsgemäß werden zur Durchführung des Verfahrens eine Vielzahl von paarweise zu Dipolen zusammen geschalteten Elektroden eingesetzt. Diese Elektroden werden einfach oder mehrfach eine geschlossene Linie bildend angeord net. Der diagonale Abstand ist abhängig von der zu sondierenden Tiefe und bestimmt sich annähernd zu Länge der halben Diagonale gleich Tiefe. Gegebenenfalls werden in dem durch die Dipole gebildeten Array eine oder mehrere Mehrpol-Vertikalelektroden in den Untergrund getrieben. Die ausgelegten Dipole werden über eine elektronisch getaktete Steuerung mit Gleichstrom oder nie derfrequentem Wechselstrom ("Quasi"-Gleichstrom) in der Weise angesteuert, daß die Steuerungseinheit immer einen Dipol aus der Vielzahl der Dipole als Stromdipol und alle anderen als Sonden dipole definiert. Bei der Verwendung von niederfrequentem Wechselstrom bis zu einer Frequenz von etwa 100 Hz ist die Gültigkeit des Ohmschen Gesetzes gegeben, so daß die gemessenen komplexen Widerstände nicht von verfälschenden und die spätere Auswertung komplizierenden Induktions- oder Skineffekten über lagert werden. Die Spannungswerte der einzelnen Sondendipole werden nacheinander ein- oder mehrkanalig durch das mit der Steuerungseinheit verbundene Meßgerät mit Datenlogger erfaßt. Nach Abschluß der Erfassung der Werte aller Sondendipole bestimmt die Steuerungseinheit einen benachbarten Dipol als Stromdipol und danach werden wiederum die Spannungswerte der als Sondendipole verbleibenden Dipole erfaßt. Die Steuerungseinheit führt diesen Wechsel des Stromdipols solange durch, bis alle Dipole mindestens einmal als Stromdipol durch die Steuerungs einheit definiert waren (Rotationssondierung). Daran schließt sich die Auswertung der erfaßten Strom- und Spannungswerte an, indem mittels eines potentialtomographischen Bildrekonstruk tionsverfahrens die von den Dipolpaaren an der Erdoberfläche gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstände im Zuge eines Inversionsverfahrens aus dem erregenden elektrischen Feld in die lagegetreue Quellverteilung der wahren spezifischen Widerstände im Untergrund transformiert und räumlich dargestellt werden. Aus dem dreidimensionalen Datensatz lassen sich beliebige, meist horizontale oder vertikale Schnittflächen ausgeben und zur weiteren Auswertung bereitstellen.The object is achieved according to claim 1 by a method for space exploration and investigation of underground objects and Layers solved, in which electrical current via a Current dipole trained grounding is fed into the ground. The electrical field that builds up as a result is determined by means of of a probe dipole. From the measurement of current and span The electrical resistance or conductivity of the Underground determined. According to the invention to be carried out the process combines a large number of pairs into dipoles switched electrodes used. These electrodes will be arranged one or more times forming a closed line net. The diagonal distance depends on the one to be probed Depth and determined approximately to the length of half the diagonal equal depth. If necessary, in the through the dipoles formed array one or more multi-pole vertical electrodes in driven the underground. The designed dipoles are over an electronically clocked control with direct current or never derfrequent AC ("quasi" DC) in the way controlled that the control unit always a dipole from the Large number of dipoles as current dipoles and all others as probes dipole defined. When using low frequency Alternating current up to a frequency of about 100 Hz is the Validity given by Ohm's law, so that the measured complex resistances not from adulterating and the later Evaluation of complicated induction or skin effects be stored. The voltage values of the individual probe dipoles become one or more channels one after the other by using the Control unit connected measuring device with data logger detected. After completing the acquisition of the values of all probe dipoles the control unit determines an adjacent dipole as Current dipole and then again the voltage values of the as Probe dipoles detected remaining dipoles. The control unit carries out this change of the current dipole until everyone Dipoles at least once as a current dipole through the controller unit were defined (rotational probing). Connects to that the evaluation of the recorded current and voltage values, by means of a potential tomographic image reconstruction tion process that of the dipole pairs on the earth's surface measured apparent resistivities in the course of a Inversion process from the exciting electric field into the true source distribution of true resistances be transformed underground and represented spatially. Out The three-dimensional data record can be any, mostly Output horizontal or vertical cut surfaces and to provide further evaluation.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den Ansprüchen 2 bis 5 weiter vorteilhaft ausgestaltet.The process according to the invention is set out in claims 2 to 5 further advantageously configured.
Besonders günstig ist das Verfahren durchführbar, wenn die Dipo le kreisförmig um den Mittelpunkt oder gegebenenfalls um die als Mittenelektrode eingesetzte Mehrpol-Vertikalelektrode angeordnet werden.The method can be carried out particularly cheaply if the dipo le circular around the center or, if necessary, around the as Center electrode inserted multi-pole vertical electrode arranged become.
Die in der Praxis häufig geforderte flächenhafte Sondierung ausgedehnter Objekte und Schichten wird verfahrensgemäß dadurch möglich, indem die Dipole nach Beendigung der Erfassung der Spannungswerte entsprechend Anspruch 1 seitlich versetzt und erneut die Spannungswerte aufgenommen werden. Der Wechsel er folgt solange, bis das Objekt bzw. die Schicht in seiner vollen Ausdehnung erfaßt ist.The extensive probing that is often required in practice expansive objects and layers become in accordance with the procedure possible by the dipoles after the detection of the Stress values laterally offset and the voltage values are recorded again. The change he follows until the object or layer is in full Expansion is recorded.
Zur Verbesserung der Auflösung in z-Richtung werden innerhalb des durch die Dipole gebildeten Arrays oder bei kreisförmig angeordneten Dipolen im Mittelpunkt eine oder mehrere Mehrpol- Vertikalelektroden senkrecht in den Untergrund getrieben. Die Mehrpol-Vertikalelektroden weisen eine Vielzahl von durch Isola toren voneinander getrennten Elektroden auf. Diese Elektroden werden einzeln oder paarweise als Dipole nacheinander von der Steuerungseinheit mit einem Strom definierter Stärke beauf schlagt und das sich aufbauende Feld wird durch die Sondendipole erfaßt und wie bereits beschrieben ausgewertet.To improve the resolution in the z-direction are within of the array formed by the dipoles or circular arranged dipoles in the center of one or more multipole Vertical electrodes driven vertically into the ground. The Multipole vertical electrodes have a variety of through Isola separate electrodes. These electrodes are used individually or in pairs as dipoles from the Control unit with a current of defined strength strikes and the developing field becomes through the probe dipoles recorded and evaluated as already described.
Zur Fokussierung des sich durch den Stromdipol ausbildenden Feldes wird durch die Steuerungseinheit auf beiden Seiten des Stromdipols je ein benachbarter Dipol zusätzlich mit Strom be aufschlagt.To focus on the current dipole The field is controlled by the control unit on both sides of the Current dipoles each have an adjacent dipole with additional current hits.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die Schaffung eines Verfahrens zur räumlichen Erkundung und Untersuchung unter irdischer Objekte und Schichten. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Meßanordnung darzustellen.The invention is not limited to the creation of a Procedure for spatial exploration and investigation under earthly objects and layers. Another goal is there in representing a measurement arrangement.
Die Meßanordnung besteht aus Stromdipol und Sondendipol in Ver bindung mit Meßgeräten zur Erfassung von Strom und Spannung mit dem Ziel der Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit des Untergrundes. Erfindungsgemäß sind eine Viel zahl von wechselseitig als Strom- oder Sondendipol einsetzbaren Dipolen einfach oder mehrfach über dem zu erkundenden oder zu untersuchenden Untergrund so angeordnet, daß sie eine geschlos sene Linie bilden. Die Größe des diagonalen Abstandes richtet sich nach der Sondierungstiefe. Innerhalb des sich bildenden Arrays sind gegebenenfalls eine oder mehrere Mehrpol-Vertikal elektroden angeordnet. Die Dipole sind über Verbindungskabel mit einer Steuerungseinheit verbunden, die jeweils einen der Dipole als Stromdipol und die verbleibenden als Sondendipole und deren nachfolgenden Wechsel festlegt. Der Steuerungseinheit sind Meß geräte für Strom und Spannung, Datenlogger und Stromquelle sowie eine Einheit zur Erfassung der Strom- und Spannungswerte und deren nachfolgende Verarbeitung nach einem Bildrekonstruktions verfahren nachgeschaltet.The measuring arrangement consists of current dipole and probe dipole in Ver binding with measuring devices for recording current and voltage the goal of determining the electrical resistance or the Conductivity of the subsurface. According to the invention, there are many number of mutually usable as current or probe dipole Dipoles one or more times over or to be explored investigating underground arranged so that it is a closed form this line. The size of the diagonal distance judges the depth of probing. Within the forming Arrays may be one or more multipole verticals electrodes arranged. The dipoles are connected via connecting cables connected to a control unit, each one of the dipoles as current dipole and the remaining as probe dipoles and their subsequent change. The control unit are measuring devices for current and voltage, data logger and current source as well a unit for recording the current and voltage values and their subsequent processing after an image reconstruction procedure downstream.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Anordnung, bei der die Dipole kreisförmig um den Mittelpunkt oder gegebenenfalls um die als Mittenelektrode ausgebildete Mehrpol-Vertikalelektrode angeordnet sind.An arrangement in which the dipoles circular around the center or, if necessary, around the multi-pole vertical electrode designed as a center electrode are arranged.
Es ist günstig, wenn der Dipolabstand im Verhältnis zum Radius der kreisförmig angeordneten Dipole im Bereich zwischen 1 : 5 und 1 : 10 liegt.It is beneficial if the dipole distance is in relation to the radius of the circular dipoles in the range between 1: 5 and 1:10.
Mit dem Ziel der Verbesserung der Auflösung in z-Richtung wird vorteilhaft ein linienförmiges Mehrelektrodensystem als Mehrpol- Vertikalelektrode eingesetzt, auf der durch Isolatoren getrennte Elektroden angeordnet sind, die mit der Steuerungseinheit über Verbindungskabel verbunden sind.With the aim of improving the resolution in the z direction advantageously a linear multi-electrode system as a multi-pole Vertical electrode used on the separated by insulators Electrodes are arranged with the control unit Connection cables are connected.
Weiterhin kann es zur Verbesserung der Auflösung günstig sein, wenn durch die Steuerungseinheit die dem Stromdipol benachbarten Dipole beidseitig als zusätzliche Stromquelle geschaltet sind.Furthermore, to improve the resolution, it can be advantageous if the control unit adjoins the current dipole Dipoles are connected on both sides as an additional current source.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung ermöglichen eine hohe räumliche Auflösung bei der dreidimensionalen Darstel lung von geoelektrischen Widerständen/Leitfähigkeiten im Unter grund. Normalerweise wird eine kreisförmige Anordnung der Dipole angestrebt werden, die aus Sicht der späteren Auswertung der Meßwerte das Verfahren besonders vorteilhaft gestaltet. Zur Anpassung an komplizierte Feldmeßbedingungen infolge begrenzter Meßflächen oder erhöhter Übergangswiderstände ist jedoch auch eine andere Anordnung der Dipole möglich, die ein entsprechend modifiziertes tomografisches Rekonstruktionsverfahren nach sich zieht. So sind Anordnungen auf anderen gekrümmten oder stück weise geraden, möglichst geschlossenen Linien denkbar, wie Ellipsen oder Rechtecke.The method according to the invention and the arrangement enable a high spatial resolution in the three-dimensional display development of geoelectric resistances / conductivities in the sub reason. Usually a circular arrangement of the dipoles from the point of view of later evaluation of the Measured values made the method particularly advantageous. For Adaptation to complicated field measurement conditions due to limited However, measuring areas or increased contact resistance is also a different arrangement of the dipoles possible, the one accordingly modified tomographic reconstruction method itself pulls. So arrangements on other are curved or piece wise straight, possible closed lines possible, like Ellipses or rectangles.
Im Vergleich zu anderen Verfahren besitzt es eine hohe Resistenz gegen elektrische und mechanische Störungen. Die Energiean kopplung über die stromführenden Elektroden bringt im Gegensatz zu mechanischen Energiequellen (Explosion oder Schlag bei seismischen Verfahren) keinerlei Probleme. Durch Veränderung der Stromstärke kann in verschiedenen elektrischen Leistungsbe reichen ohne Schwierigkeiten gearbeitet werden.It has a high resistance compared to other methods against electrical and mechanical interference. The energy In contrast, coupling via the current-carrying electrodes brings mechanical energy sources (explosion or impact seismic methods) no problems. By changing the Amperage can be in different electrical capacities range can be worked without difficulty.
Durch elektronisch steuerbare wiederholte Stromzuführung tritt ein Signalstapeleffekt auf, der das Signal/Rausch-Verhalten des Verfahrens wesentlich verbessert.Through electronically controllable repeated power supply occurs a signal stacking effect on the signal / noise behavior of the Process significantly improved.
Da ein zeitlich stationäres Spannungsfeld gemessen wird, entfal len die in der Seismik schwierig zu beherrschenden Probleme der Signalerkennung (Bestimmung der Ankunftszeiten einer seismischen Welle).Since a temporally stationary voltage field is measured, it is omitted len the problems of the seismics which are difficult to master Signal detection (determining the arrival times of a seismic Wave).
Eine sehr dichte Belegung der Meßfläche mit Dipol-Dipol-Anord nungen schafft bei nur geringer Erhöhung des Meßaufwandes eine wirksame Mehrfachüberdeckung des Untersuchungsobjektes. Im Ge gensatz zur Seismik bleibt dabei die Umweltverträglichkeit er halten. Es treten keine Beeinträchtigungen durch Lärm oder Ge ruch auf. Flurschäden sind nicht zu befürchten.A very dense coverage of the measuring surface with a dipole-dipole arrangement with only a slight increase in the measurement effort effective multiple coverage of the object under investigation. In Ge In contrast to seismic, environmental compatibility remains hold. No interference from noise or ge occurs go on. There is no fear of damage to the ground.
Die problemlose Erhöhung der Meßdichte erlaubt weiterhin die effektive Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens und bietet die Voraussetzung für die Anwendung dreidimensionaler Bildbear beitungsverfahren.The problem-free increase in measuring density still allows effective increase in spatial resolution and offers the prerequisite for the application of three-dimensional images processing method.
Das Meßverfahren läßt sich einfach durchführen und ist weitge hend automatisierbar.The measuring method is easy to carry out and is wide automatable.
Im folgenden werden das Verfahren und die Vorrichtung in mehreren Ausführungsbeispielen weiter ausgeführt.In the following the method and the device in several embodiments continued.
Die Abb. 1 zeigt eine Meßanordnung zur räumlichen Erkundung und Untersuchung unterirdischer Objekte und Schichten, die aus n Elektroden Ei besteht, die auf einer gedachten Kreislinie angeordnet und zu Dipolen EiEi+1 zusammengeschaltet sind. Im Mittelpunkt dieser Anordnung ist die Mehrpol-Vertikalelektrode ME vertikal in den Untergrund getrieben. Zwei Elektroden Ei sind als Stromdipol EAEB definiert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt sind die zwei Elektroden EM EN als Sondendipol definiert. Die kreisför mig angeordneten Elektroden Ei sind mit dem Radius r ausgelegt. Der Abstand der durch zwei Elektroden gebildeten Dipole EAEB oder EMEN im Verhältnis zu dem Radius r der kreisförmig angeordneten Elektroden Ei beträgt zweckmäßigerweise zwischen 1 : 5 und 1 : 10. Fig. 1 shows a measuring arrangement for the spatial exploration and investigation of underground objects and layers, which consists of n electrodes E i , which are arranged on an imaginary circular line and connected to dipoles E i E i + 1 . At the center of this arrangement, the multi-pole vertical electrode M E is driven vertically into the ground. Two electrodes E i are defined as current dipole E A E B. At a certain point in time, the two electrodes E M E N are defined as a probe dipole. The circular electrodes E i are designed with the radius r. The distance between the dipoles E A E B or E M E N formed by two electrodes in relation to the radius r of the electrodes E i arranged in a circle is expediently between 1: 5 and 1:10.
Die Elektroden Ei sind über Verbindungskabel V mit der Steue rungseinheit S verbunden. Der Steuerungseinheit S sind Meßgeräte für Strom I und Spannung U sowie Datenlogger D nachgeschaltet. Die Steuerungseinheit S schaltet die Dipole nach einem vorgege benen Programm so, daß immer einer der Dipole ein Stromdipol und die verbleibenden Dipole Sondendipole sind. Der vom Stromdipol abgegebene Strom baut ein Feld auf, dessen Stärke nacheinander durch die Sondendipole erfaßt und über die zuordnende Steue rungseinheit S den Meßgeräten für Strom I und Spannung U zuge führt und erfaßt wird. Sind alle Meßwerte erfaßt, bestimmt die Steuerungseinheit S einen zum bisherigen Stromdipol benachbarten Dipol als neuen Stromdipol und die übrigen als Sondendipole. Wiederum werden alle Meßwerte erfaßt. Dieser Wechsel wiederholt sich solange, bis alle Dipole mindestens einmal Stromdipol waren. Aus der Summe der Meßwerte ergibt sich ein dreidimen sionaler Datensatz, der die Grundlage für die weitere Auswertung bildet. Mit den bekannten Bildrekonstruktionsverfahren lassen sich daraus horizontale oder vertikale Schnittflächen ableiten, aus denen die gewünschten Aussagen erhalten werden.The electrodes E i are connected to the control unit S via connecting cables V. The control unit S is followed by measuring devices for current I and voltage U and data logger D. The control unit S switches the dipoles according to a pregiven program so that one of the dipoles is always a current dipole and the remaining dipoles are probe dipoles. The current emitted by the current dipole builds up a field, the strength of which is successively detected by the probe dipoles and, via the associated control unit S, leads and detects the measuring devices for current I and voltage U. Once all the measured values have been recorded, the control unit S determines a dipole adjacent to the current current dipole as the new current dipole and the others as the probe dipoles. Again all measured values are recorded. This change is repeated until all dipoles have been current dipoles at least once. The sum of the measured values results in a three-dimensional data record, which forms the basis for further evaluation. The known image reconstruction methods can be used to derive horizontal or vertical cut surfaces from which the desired statements are obtained.
In einer speziellen Ausführungsform der Anordnung ist im Mittel punkt die Mehrpol-Vertikalelektrode ME angeordnet, die aus einem Mehrelektrodensystem mit einer Vielzahl von durch Isolatoren voneinander getrennten Elektroden besteht. Diese Elektroden werden durch die Steuerungseinheit S einzeln oder paarweise als Dipole geschaltet. Das sich aufbauende Feld wird durch die kreisförmig angeordneten Sondendipole erfaßt und ausgewertet. Diese Anordnung verbessert die Auflösung in z-Richtung.In a special embodiment of the arrangement, the multi-pole vertical electrode M E is arranged in the center, which consists of a multi-electrode system with a plurality of electrodes separated by insulators. These electrodes are switched individually or in pairs as dipoles by the control unit S. The field that builds up is detected and evaluated by the circularly arranged probe dipoles. This arrangement improves the resolution in the z direction.
Die Abb. 2 zeigt das Ergebnis der geoelektrischen Computer tomographie eines unterirdischen Ganges unter dem Marktplatz einer sächsischen Kleinstadt. Horizontale tomographische Schnitte von etwa 8 m Durchmesser im Abstand von 0,1 m belegen die Existenz eines langgestreckten Hohlraumes von etwa 1 bis 2 m Breite. Das obere linke Tomogramm entspricht einem Schnitt in Oberflächennähe, das untere rechte einem Schnitt in ca. 4 m Tiefe. Die hellen Grautöne sind geringen Widerstandswerten (un gestörte Bereiche) und die dunklen Grautöne hohen Widerständen (Hohlräume) zuzuordnen. Der Gang ist unter Tage begehbar und diente als bekanntes Testobjekt. Gefunden wurde im linken oberen Bereich der Tomogramme - also oberflächennah - ein unbekannter sekundärer Hohlraum von etwa 1,5 m³ Volumen. Es handelt sich um eine Ausspülung von Lockergestein aus den Hangenden in das Gang system. Falls keine Sanierungsmaßnahmen ergriffen werden, wird dieser Hohlraum in Kürze bis an die Oberfläche durchbrechen. Fig. 2 shows the result of geoelectric computer tomography of an underground passage under the market square of a small Saxon town. Horizontal tomographic sections of about 8 m in diameter at a distance of 0.1 m prove the existence of an elongated cavity of about 1 to 2 m in width. The upper left tomogram corresponds to a cut near the surface, the lower right a cut at a depth of approx. 4 m. The light gray tones are assigned to low resistance values (undisturbed areas) and the dark gray tones to high resistances (voids). The corridor is accessible underground and served as a well-known test object. An unknown secondary cavity with a volume of approximately 1.5 m³ was found in the upper left area of the tomograms - ie close to the surface. It is a washout of loose rock from the slopes into the aisle system. If no remedial measures are taken, this cavity will soon break through to the surface.
In Abb. 3 wird ein Hohlraumsystem unterhalb eines geplanten Baustandortes in einer sächsischen Kleinstadt aus computertomo graphischen Messungen dargestellt. Der übermessene Raum beträgt etwa 80×25 m in der Fläche und 8 m in der Tiefe. Die abgebil deten Widerstandsbereiche größer 300 µm sind Bereiche extremer Auflockerung des Baugrundes mit Hohlräumen (Kelleranlagen) in den Kernen. Fig. 3 shows a cavity system below a planned construction site in a small Saxon town from computer tomographic measurements. The oversized space is approximately 80 × 25 m in area and 8 m in depth. The resistance ranges shown larger than 300 µm are areas of extreme loosening of the building ground with cavities (cellar systems) in the cores.
Die Abb. 4 zeigt die tomographischen Horizontalschnitte durch ein neolithisches Großsteingrab in Sachsen-Anhalt. Der Grabhügel hat kegelstumpfförmige Gestalt (Höhe 6 m, Basis durchmesser 40 m, Plateaudurchmesser 4 m). Das Dipol-Dipol- Elektrodenarray umspannt den Grabkegel in 4,5 in Höhe. Die Grabkammer (sogenannter Urdolmen) ist bereits durch eine archäologische Grabung aus dem Jahre 1901 nachgewiesen worden. Neben der zentralen Grabkammer sind die radial angelegten, wieder verfüllten Grabungsschnitte als Bereiche erhöhter Widerstandswerte schemenhaft sichtbar. Fig. 4 shows the tomographic horizontal sections through a Neolithic large stone grave in Saxony-Anhalt. The burial mound has a frustoconical shape (height 6 m, base diameter 40 m, plateau diameter 4 m). The dipole-dipole electrode array spans the digging cone at a height of 4.5. The burial chamber (so-called ancient dolmen) has already been proven by an archaeological excavation from 1901. In addition to the central burial chamber, the radially created, refilled excavation cuts are schematically visible as areas of increased resistance.
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