Albrecht, Christian

Felix-Henningsen, Peter

Junge, Andreas

Lauer, Katja

Salat, Christina

German

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Tagungsbeitrag zu: Sitzung der Kommission V der DBG Titel der Tagung: Jahrestagung 2009 – Böden eine endliche Ressource Veranstalter: Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 5.-13.September 2009, Bonn Berichte der DBG (nicht begutachtete online-Publikation) http://www.dbges.de Dielektrische Eigenschaften von Böden aus periglaziären Lagen im Taunus  Lauer, K.1, Salat, C.2, Albrecht, C.1, Felix-Henningsen, P.1, Junge, A.2  Zusammenfassung  Beim Georadarverfahren werden die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektro-magnetischen Wellen und die Reflexions-koeffizienten entscheidend von der relativen Dielektrizitätszahl bestimmt. Ist diese bekannt, können über die Wellen-geschwindigkeit die Tiefe von Schicht-grenzen und die Mächtigkeiten von periglaziären Lagen ermittelt werden. Im Labor wurde die relative Dielektrizitätszahl (Real- und Imaginärteil) für 25 unterschied-liche Bodenarten bei künstlich eingestellten Wassergehalten im Frequenzbereich von 1 MHz bis 3 GHz gemessen. Die Ergebnisse zeigen deutlich die Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätszahl vom Wasser-gehalt, der Körnung und der Trockenroh-dichte. Durch die Ausweisung von Kalibrierfunktionen für die verschiedenen Bodenarten sind bei bekanntem Wasser-gehalt  Aussagen über Schichtgrenzen und Mächtigkeiten von periglaziären Lagen ohne Geländekalibrierungen möglich.    Georadar, periglaziäre Lagen, relative Dielektrizitätszahl, Wassergehalt  1 Institut für Bodenkunde und Bodenerhaltung, Justus-Liebig-Universität Gießen, Heinrich-Buff-Ring 26, 35392 Gießen  2 Institut für Geowissenschaften, Johann Wolfgang Goethe-Universität, Altenhöferallee 1, 60438 Frankfurt am Main 1 Einleitung  Die relative Dielektrizitätszahl εr ist eine von den Material- und Gefügeeigen-schaften der Böden abhängige physika-lische Größe. Sie bestimmt wesentlich die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Untergrund sowie deren Reflexion an Schichtgrenzen und ist somit für Georadaruntersuchungen von großer Bedeutung. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Geowissenschaften der Univer-sität Frankfurt am Main wurden Dielektrizi-tätszahlmessungen an 25 Bodenproben mit unterschiedlicher Bodenart durchge-führt. Die Proben wurden Bodenprofilen im Taunus (Rheinisches Schiefergebirge) ent-nommen, wo mit Ausnahme der Täler peri-glaziäre Lagen das Substrat der holozänen Bodenbildung darstellen.  Das Ziel der Labormessungen war die Ausweisung von Kalibrierfunktionen, welche die relative Dielektrizitätszahl beziehungsweise die Wellengeschwindig-keit in Abhängigkeit vom Wassergehalt für verschiedene Bodenarten zeigen. Diese Funktionen sollen zukünftig die Anzahl der Geschwindigkeitskalibrierungen im Feld, bei denen Bohrstangen rechtwinklig zur Profilwand sowie oberflächenparallel in  Bodenprofile eingeschlagen werden, verringern.   2 Labormethoden  Die Messung der relativen Dielektrizitäts-zahl wurde mit einem Impedanzanalysator (1 MHz bis 3 GHz; Agilent E4991A RF) und einer Hochfrequenz-Messzelle (Novo-control) durchgeführt (vgl. Abbildung 1). Diese besteht aus einem Plattenkonden-sator. Die bei 40°C getrockneten und kleiner 2 mm gesiebten Bodenproben wurden zwischen die beiden Platten einge-baut. Der Durchmesser der Platten beträgt 12 mm. Als Probenhalter fungierte ein Teflonring, dessen Dielektrizität über den betrachteten Frequenzbereich konstant ist. Nach Anlegen einer Wechselspannung wurden die Kapazität Cp und der dielektrische Verlustfaktor D erfasst, aus denen der Real- und der Imaginärteil der relativen Dielektrizitätszahl berechnet wurden. Hierbei beschreibt der Realteil εr΄ die Fähigkeit der Probenmaterialien Energie zu speichern, wohingegen der Imaginärteil εr΄΄ die Energieverluste wieder-gibt.    y (Realteil) = -0,0002x3 + 0,0193x2 - 0,0124x + 4,9104n =29       R2 = 0,987       s = 1,43y (Realteil)  = -5E-05x3 + 0,0147x2 + 0,1596x + 3,4747n = 27       R2 = 0,9818       s = 1,66y (Imaginärteil) = -0,0002x3 + 0,0123x2 + 0,0438x + 0,6541n = 27       R2 = 0,9714       s = 0,53y (Imaginärteil) = -0,0001x3 + 0,0105x2 + 0,0288x + 1,1864n = 29       R2 = 0,9806       s = 0,58 0510152025303540450 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Volumetrischer Wassergehalt [%]Relative Dielektrizitätszahl, Real-/ImaginärteilLs4, Realteil Tu2, RealteilLs4, Imaginärteil Tu2, ImaginärteilRelative Dielektrizitätszahl, Real-/Imaginärteil Abbildung 1: Impedanzanalysator und Hochfrequenz- Messzelle  Da der Wassergehalt großen Einfluss auf die Dielektrizität von Böden hat, wurden die Messungen bei unterschiedlichen Feuchten durchgeführt. Dazu wurden 60 g jeder Bodenprobe in Feuchtedosen einge-wogen und mit 18 g destilliertem Wasser versetzt. Auf diese Weise gelang es Wassergehalte von circa 30 Masse-% in den Probenmaterialien einzustellen. Nach Homogenisieren und einer 24-stündigen Verweildauer der Boden-Wasser-Ge-mische in den Feuchtedosen wurde jede Bodenprobe zu gleichen Mengen auf 5 Aluminiumschälchen aufgeteilt. Durch Verdunstung stellten sich anschließend näherungsweise Wassergehalte von 25-, 20-, 15-, 10- und 5 Masse-% ein. Zusätzlich wurden die getrockneten Bodenproben in die Messreihen einbe-zogen. Durch Multiplikation der gravime-trisch ermittelten Wassergehalte mit der Trockenrohdichte wurden die volume-trischen Wassergehalte abgeleitet. Die Trockenrohdichten wurden aus den jeweiligen Trockengewichten der ge-messenen Bodenproben (Trocknung bei 105 °C) und deren Volumina während des Messvorgangs errechnet. Um die Reprodu-zierbarkeit des Materialeinbaus sicherzu-stellen, wurden die in die Messzelle einge-bauten Bodenproben stets mit einem gleich großen Gewicht verdichtet.  Für jede der 25 Bodenproben wurden je Feuchtestufe mindestens 3 Messungen durchgeführt. Insgesamt wurden 616 Messwerte in die Auswertung einbezogen. Im Ergebnisteil bezieht sich die in den Abbildungen angegebene Dielektrizität auf eine Frequenz von 200 MHz.   3 Ergebnisse 12 mm  3.1 Dielektrizität, Wassergehalt und Bodenart  Teflonring Die Abbildung 2 zeigt die relative Dielektri-zitätszahl (Real- und Imaginärteil) für Bodenproben der Bodenarten Ls4 (Sand: 62 Masse-%; Schluff: 21 Masse-%; Ton: 18 Masse-%) und Tu2 (Ton: 51 Masse-%; Schluff: 47 Masse-%; Sand: 2 Masse-%) in Abhängigkeit vom Wassergehalt.     Abbildung 2: Verlauf der relativen Dielektrizitätszahl (Real- und Imaginärteil) von Proben der Bodenarten Ls4 und Tu2 in Abhängigkeit vom Wassergehalt [Vol.-%] bei 200 MHz  Erwartungsgemäß steigt die relative Dielektrizitätszahl beider Bodenproben mit zunehmendem Wassergehalt an. Zurück-zuführen ist dies auf die hohe relative Dielektrizitätszahl von freiem Wasser, εr = 81, wohingegen die feste und trockene Bodenmatrix nur Dielektrizitätswerte im Bereich von 4 bis 10 annimmt. Folglich ist die Dielektrizität von Böden stark vom Wassergehalt abhängig (Hallikainen et al., 1985; Hipp 1974).  Des Weiteren beeinflusst die Körnung die Dielektrizität von Böden. Bei Wasser-gehalten größer 20 Volumen-% besitzt die von der Sandfraktion dominierte Boden-probe einen höheren Realteil als die tonige Probe. Nimmt man einen volumetrischen Wassergehalt von 40 % an, unterscheidet sich die relative Dielektrizitätszahl der betrachteten Bodenproben um 10 %. Es ist anzunehmen, dass der geringere Realteil der tonigen Bodenprobe in Beziehung zu ihrem vermuteten höheren Anteil fest gebundener Wassermoleküle steht. Fest an die Bodenmatrix gebundene Wasser-moleküle besitzen aufgrund ihrer einge-schränkten Polarisierbarkeit eine geringere Dielektrizität als freie Wassermoleküle (Campell, 1990, Hallikainen et al., 1985; Peplinski et al., 1995; Saarenketo, 1998).  Der Imaginärteil der Bodenproben ist sich bis zu volumetrischen Wassergehalten von 30 % in seiner Charakteristik ähnlich. Darüber hinaus jedoch weist das tonige Bodenmaterial einen höheren Imaginärteil auf. Ursache dafür ist wahrscheinlich die höhere ionische Leitfähigkeit der tonigen Probe, die höhere Energieverluste bedingt.  y (Realteil) = -0,0001x3 + 0,0164x2 + 0,0659x + 3,3151n = 243       R2 = 0,9671       s = 1,57y (Realteil) = -3E-05x3 + 0,0115x2 + 0,2102x + 3,3802n = 152       R2 = 0,9779       s = 1,44y (Imaginärteil) = 1E-05x3 + 0,0034x2 + 0,0198x + 0,332n = 243       R2 = 0,6956       s = 1,78y (Imaginärteil) = -0,0001x3 + 0,0071x2 + 0,0578x + 0,4994n = 152       R2 = 0,8185       s = 1,25-505101520253035400 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Volumetrischer Wassergehalt [%]Relative Dielektrizitätszahl, Real-/ImaginärteilHauptlage, Realteil Basislage, RealteilHauptlage, Imaginärteil Basislage, Imaginärteil 3.2 Dielektrizität und Trockenroh-dichte  In der Abbildung 3 ist die relative Dielektrizitätszahl (Real- und Imaginärteil) trockener Bodenproben in Abhängigkeit von der Trockenrohdichte dargestellt.    Abbildung 3: Beziehung zwischen der Trockenrohdichte [g*cm-3] und der relativen Dielektrizitätszahl bei trockenen Bodenproben  Die relative Dielektrizitätszahl steigt linear mit zunehmender Trockenrohdichte an. Diese Abhängigkeit ist auf die enge Beziehung zwischen der Trockenrohdichte und dem Porenvolumen zurückzuführen. Bei trockenen Proben erhöht sich mit abnehmender Trockenrohdichte das mit Luft gefüllte Porenvolumen. Aufgrund der geringen relativen Dielektrizitätszahl der Luft (εr = 1) resultiert dies in einer geringeren Dielektrizität der Proben (Salat & Junge, 2008).      3.3 Dielektrizität periglaziärer Lagen  Die Abbildung 4 zeigt die relative Dielektrizitätszahl (Real- und Imaginärteil) in Abhängigkeit vom Wassergehalt für Proben aus der Haupt- und Basislage. Die Haupt- und Basislage überdecken im Untersuchungsgebiet dieser Arbeit (Taunus) das autochthone Festgestein und sind das Substrat der Bodenbildung.    Abbildung 4: Verlauf der relativen Dielektrizitätszahl   (Real- und Imaginärteil) von Proben aus Haupt- und Basislage in Abhängigkeit vom Wassergehalt [Vol.-%] bei 200 MHz y = 2,6383x - 0,6732n = 26       R2 = 0,5431y = 0,7995x - 1,0113n = 26       R2 = 0,1658-1-0,500,511,522,533,544,51 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8Trockenrohdichte [g*cm-3]Relative Dielektriztätszahl,Real-/ImaginärteilRealteil Imaginärteil Über den betrachteten Feuchtebereich besitzen Bodenproben der Basislage tendenziell höhere Realteile als Proben der Hauptlage. Es ist anzunehmen, dass die höheren Trockenrohdichten (vgl. Abbildung 5) sowie die höheren Sandgehalte (vgl. Abbildung 6) für deren höheren Realteil verantwortlich sind.   0,811,21,41,61,822,20 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Volumetrischer Wassergehalt [%]Trockenrohdichte [g*cm-3 ]Hauptlage Basislage  Abbildung 5: Trockenrohdichten [g*cm-3] von Proben aus Haupt- und Basislage in Abhängigkeit vom Wasser-gehalt [Vol.-%]          10203040506070Column_A=2 Column_A=1Hauptlage       BasislageSchluff [Masse-%]10203040506070Column_A=2 Column_A=1Hauptlage       BasislageSand [Masse-%] 10203040506070Column_A=2 Column_A=1Hauptlage       BasislageTon [Masse-%]        Abbildung 6: Korngrößenverteilung [Masse-%] von Bodenproben aus Haupt- und Basislage   Da Reflexionen an den Schichtgrenzen immer dann auftreten, wenn sich die Dielektrizitätszahlen der angrenzenden Schichten unterscheiden, ist davon auszugehen, dass insbesondere bei Wassergehaltsunterschieden zum Zeit-punkt der Georadarmessung Reflexionen an der Grenze von der Haupt- zur Basislage im Radargramm zu beobachten sind.   4 Fazit und Ausblick  Durch die Ausweisung von Kalibrier-funktionen kann für 25 verschiedene Bodenarten bei bekanntem Wassergehalt die relative Dielektrizitätszahl beziehungs-weise die Wellengeschwindigkeit abgeleitet werden. Somit können Mächtigkeiten einzelner Schichten (periglaziäre Lagen) sowie Schichtgrenzen ohne Gelände-kalibrierungen schnell erfasst werden.  Zur noch besseren Annäherungen der Ergebnisse an natürliche Verhältnisse planen wir Dielektrizitätszahlmessungen an ungestörten Bodenproben.    Literatur  Campell, J.J. (1990): Dielectric properties and influence of conductivity in soils at one to fifty megahertz. American Journal of Soil Sciences, 54, 332-342.  Hallikainen, M.T., Ulaby, F.T., Dobson, M.C., El-Rayes, M., Wu, L.-K. (1985):  Microwave Dielectric Behaviour of Wet Soils – Part I: Empirical Models and Experimental Observations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 23 (1), 25-34.  Hipp, J.E. (1974): Soil Electromagnetic Parameters as Functions of Frequency, Spil Density, and Soil Moisture. Proceedings of the IEEE, 62 (1), 98-103.  Peplinski, N.R., Ulaby, F.T., Dobson, M.C. (1995): Dielectric properties of Soils in the 0.3-1.3 GHz range. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 33 (3), 803-807.  Saarenketo, T. (1998): Electrical properties of water in clay and silty soils. Journal of Applied Geophysics, 40, 73-88.  Salat, C. Junge, A. (2008): The Topp formula revisited: laboratory measurements on soil permittivity and the relation to geotechnical parameters. 12th International Conference on Ground Penetrating Radar, June 16-19, Birmingham, UK.    

Dielektrische Eigenschaften von Böden aus periglaziären Lagen im Taunus

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