Barth, A.

Gottschämmer, E.

Kurzmann, A.

KITopen

VerschiedenesDGG-Mitteilungen 3/2o134oGeophysikalische Geländeübungen im urbanen Umfeld am KITProfilsuche für eine neue Veranstaltung und Profilsuche imFeld – das stand am Anfang der neuen geophysikalischenGeländeübungen. Anlässlich steigender Studierendenzah-len in den Bachelorstudiengängen Geophysik und Ange-wandte Geowissenschaften am Karlsruher Institut für Tech-nologie (KIT) war es für das Sommersemester 2o13 notwen-dig geworden, neue Formen und Abläufe für dieDurchführung geophysikalischer Praktika im Gelände zuentwickeln. Wir entschieden uns, neben den etablierten Ge-ländeübungen, die seit vielen Jahren erfolgreich (und mitdem Fakultätslehrpreis 2o1o ausgezeichnet) als Blockkursim Hegau nahe des Bodensees von Thomas Forbriger undKollegen durchgeführt werden, einen neuen Kurs anzubie-ten. Dieser wurde speziell für die Nebenfachstudierendender Angewandten Geowissenschaften konzipiert und solltedem im Studienplan festgeschriebenen Arbeitsaufwand undder begrenzten Lehrkapazität Rechnung tragen.Übergeordnete Lernziele sollten neben dem Umgangmit den Messapparaturen besonders die Verknüpfung vongeophysikalischer Fragestellung und Versuchsaufbau (Wiemuss eine Messung realisiert werden, um welche Unter-grundeigenschaft in welchem Bereich zu untersuchen?)und der Zusammenhang zwischen Messgröße und abge-leiteter physikalischer Größe im Untergrund sein. Schnellwar klar, dass die äußeren Rahmenbedingungen nur mitMessungen nahe Karlsruhe zu realisieren wären; doch wofindet man gut detektierbare und inte-ressante Strukturen im Untergrund ei-nes Stadtgebiets, um die Lernziele ver-mitteln zu können? Zum einen wurden wir fündig imBereich des Alten Flugplatzes Karls-ruhe, der zwischen Stadtmitte und Geo-physikalischem Institut liegt. Dort be-fanden sich bis in die 199oer JahreFlugzeughangars und andere anthro-pogene Hinterlassenschaften, derenReste mit Hilfe der Geomagnetik un-tersucht werden sollten. Für die Geo-elektrik wählten wir einen Versicke-rungsversuch, der in Zusammenarbeitmit und auf dem Gelände der Bundes-anstalt für Wasserbau realisiert wurde.Und schließlich wurde am südlichenStadtrand Hammerschlagseismik betrieben, um Schicht-grenzen unterhalb eines Segelflugplatzes zu bestimmen.Zur fachlichen Vorbereitung der Studierenden wurdeein schon im Vorjahr aufgebautes Online-Fragesystem ver-wendet, auf das diese via der Lernplattform ILIAS zugreifenkonnten. Eine Kombination aus Multiple-Choice-Fragen,einfachen Berechnungen, Abschätzungen und Zuord-nungsfragen erlaubte von Betreuerseite eine Einschätzungder Stärken und Schwächen der Studierenden, die in derEinführungsveranstaltung mit Hilfe eines „Clicker“-Sys-tems aufgenommen wurden. Die im Vorfeld online wenigergut beantworteten Fragestellungen konnten so erneut auf-gegriffen, in Zweiergruppen diskutiert und schließlichdurch Abstimmung per Fernbedienung beantwortet wer-den. Das Abstimmungsergebnis war sodann direkt und füralle auf der Präsentationsfolie als Balkendiagramm er-sichtlich. Die Antworten waren erwartungsgemäß besserals in der Vorbereitungsumfrage und die Studierendendurch die Interaktion motiviert bei der Sache, was sicher-lich eine gute Voraussetzung für die nachfolgenden Feld-versuche war.GeomagnetikDer Alte Flugplatz im Stadtgebiet Karlsruhe wurde im 2o.Jahrhundert für den zivilen und militärischen Flugverkehrgenutzt und war im Laufe dieser Zeit unterschiedlich be-Andreas Barth, Ellen Gottschämmer und André Kurzmann,Karlsruher Institut für Technologie (KIT)Abb. 1: Geomagnetikmessung auf dem Alten Flugplatz KarlsruheVerschiedenes41DGG-Mitteilungen 3/2o13baut. Auf Luftaufnahmen aus der Zeit des 2. Weltkriegs er-kennt man außerdem deutliche Einschlagkrater. Heute istdas Gelände größtenteils Naturschutzgebiet. Die Fragestel-lungen, mit denen sich die Studierenden bei den geomag-netischen Messungen in der Geländeübung beschäftigten,zielte also auf die Suche nach Resten der historischen Be-bauung und anderer zivilisatorischer Fremdkörper(Abb. 1). Handelt es sich um magnetische Materialien, kön-nen diese als Anomalie im geomagnetischen Hintergrund-feld dargestellt werden.Für die Messungen waren mehrere Protonenpräzes-sionsmagnetometer, ein Fluxgatemagnetometer sowie einFluxgate-Gradiometer mit einem Basisabstand von einemMeter vorhanden. Außerdem wurden den Studierendenhistorische Luftaufnahmen aus unterschiedlichen Zeitensowie eine Vegetationskarte zur Verfügung gestellt. Die Stu-dierenden der ersten Übungsgruppe entschieden dann imGelände, welche Gebiete sie am ersten Messtag genaueruntersuchen wollten. Die Messergebnisse wurden nochim Gelände grafisch dargestellt und diskutiert und dientenals Grundlage für die Messungen weitererÜbungsgruppen an den folgenden Tagen. Die Teilnehmer führten verschiedene Pro-filmessungen mit den Protonenpräzessions- unddem Fluxgatemagnetometer durch und entschie-den sich, mit dem Fluxgate-Gradiometer eineKartierung auszuführen, bei der in fünf Messta-gen eine Fläche von 1 ha vermessen wurde. DieseKartierung, die anschließend von allen Übungs-gruppen gemeinsam interpretiert wurde, er-laubte zum einen einen Überblick über ein grö-ßeres Gebiet. Die Studierenden lernten hierbeiaber auch, wie wichtig eine genaue Dokumen-tation der Lage der Messpunkte ist, und dass es– trotz größter Sorgfalt – zu Einflüssen der mes-senden Person auf die Ergebnisse kommenkann: So zeigte eine Teilkartierung systematischhöhere Werte in der Gradientenmessung als alleanderen Abschnitte. Bei einem Vergleich dieserMessergebnisse mit denen der Profilmessungenkonnten die Studierenden außerdem erkennen,dass sich mit dem empfindlichen Gradiometerauch schon kleine, sehr oberflächennahe Ano-malien darstellen lassen, während diese mit deneinfachen Messgeräten teilweise nicht erkanntwurden.Die Messergebnisse wurden von den Studie-renden als Überreste der letzten Bebauung ausder Zeit der Benutzung des Flugplatzes durch dieUS-Streitkräfte interpretiert, die das Geländenach 1945 nutzten. Entlang eines Wegs wurde einesehr schmal lokalisierte (vermutlich oberflächen-nahe) Anomalie gefunden, die jedoch nicht aus-gegraben und auch nicht mit der historischenBebauung in Zusammenhang gebracht werdenkonnte. Diese Stelle soll bei den Messungen imnächsten Jahr genauer untersucht werden.SeismikAuf dem Gelände des Segelflugplatzes Rheinstetten beiKarlsruhe wurde der oberflächennahe Untergrund mittelsRefraktionsseismik untersucht (Abb. 2). Die Geologie indiesem Bereich besteht im Wesentlichen aus fluviatilenSedimenten des Quartärs. Die für die Refraktionsseismikrelevanten Kontraste in der Ausbreitungsgeschwindigkeitder P-Welle sind durch unterschiedliche Wassersättigun-gen der Flusssedimente gegeben, weshalb sich die Me-thode besonders gut zur Bestimmung der Tiefe des Grund-wasserspiegels eignet. Im Seismikversuch wurden Verti-kalgeophone eingesetzt, welche die durch einenHammerschlag ausgelösten seismischen Wellen in Formvon Bodenschwing- bzw. Partikelgeschwindigkeiten auf-zeichnen. Im Rahmen des Versuches ist jedoch die Laufzeitder P-Welle im Untergrund als eigentliche Messgröße re-levant.Es war die Aufgabe der Studierenden, die Hammer-Abb. 2: Refraktionsseismik auf dem Segelflugplatz RheinstettenAbb.  3: Geoelektrik an der Bundesanstalt für WasserbauVerschiedenesDGG-Mitteilungen 3/2o1342schlagseismik durchzuführen und die gemessenen Datengeophysikalisch auszuwerten sowie geologisch sinnvoll zuinterpretieren. Hierbei wurde ein Gesamtprofil mit einerLänge von ca. 25o m gleichmäßig auf die fünf Übungsgrup-pen aufgeteilt, so dass die Ergebnisse aller Gruppen beider Interpretation mit einbezogen werden konnten. ImGelände nutzten die Studierenden die gegebenen Rand-bedingungen der verwendeten seismischen Quelle sowiedes geplanten Zielhorizonts in einigen Metern Tiefe zurMesskonfiguration, um dabei im Seismogramm sowohldie direkte als auch die refraktierte P-Welle hinreichendgut auflösen zu können. Die seismischen Aufzeichnungenwurden bereits im Feld per Laptop grafisch dargestellt, sodass die hohe Empfindlichkeit der Geophone über die Vi-sualisierung des Hintergrundrauschens und durch Erzeu-gung künstlicher Störsignale veranschaulicht werdenkonnte. Anhand einer Testmessung verschafften sich dieStudierenden einen ersten Eindruck über die Qualität derMessdaten und die darin auftretenden Wellenarten, ins-besondere P-Welle und Oberflächenwelle. Aufgrund deranstehenden Lockersedimente wiesen die Daten ein relativschlechtes Nutz-/Stör-Verhältnis auf, was die Notwendigkeitder Stapelung für eine robuste Bestimmung von P-Wellen-Laufzeiten verdeutlichte. Unter der verallgemeinerten Annahme eines 1-Schicht-Falles mit einer geneigten Grenzfläche führtendie Studierenden die Refraktionsseismik nach dem Hin-und Rückschussprinzip durch. In der geophysikalischenAus wertung ermittelten sie typische Ausbreitungs ge -schwin digkeiten für trockene bis wasser-teilgesättigte Lo-ckersedimente in der oberflächennahen Schicht und voll-gesättigte Sedimente im darunterliegenden Halbraum. DieBerechnungen ergaben eine nahezu horizontal verlau-fende Grenzfläche in ca. 7 m Tiefe. Da die Studierendenkeine derart kontrastreiche geologische Wechsellagerungerwarteten, kamen sie zu dem plausiblen Schluss, dass essich um den Grundwasserspiegel handeln müsse.Neben der eigentlichen Auswertung war eine Be-trachtung der Fehlerquellen im Messaufbau, während derMessung und in der Auswertung ein wichtiger Aspekt desSeismikversuches. Die gruppenübergreifende Betrachtungder mitunter deutlich abweichenden Ergebnisse zeigte denStudierenden den Einfluss von Messfehlern auf. Insbeson-dere die Trennung der direkten und refraktierten P-Wellein den Seismogrammen ist von Subjektivität geprägt, wasmaßgeblich zu unterschiedlichen Tiefenberechnungenführt. Für das kommende Jahr ist geplant, sowohl Kreuz-profile zur besseren Erkennung lateraler Effekte als auchergänzend eine andere seismische Quelle einzusetzen.GeoelektrikUm die oberflächennahen Versickerungseigenschaftenvon Wasser zu untersuchen, wurden auf dem Geländeder Bundesanstalt für Wasserbau in Karlsruhe drei offeneBehälter mit jeweils 6o cm Durchmesser aufgestellt, inwelche im Rahmen des Versuchs Wasser eingelassen wer-den konnte (Abb. 3). Durch die Erhöhung der ionischenLeitfä higkeit ist die Geoelektrik eine ideale Methode, umFluidbe wegungen im Untergrund zu beobachten. Die ver-wendeten Methoden der Wenner-Kartierung und geo -elektrischen Tomographie sollten den Studierenden dieMöglichkeit geben, die Ausbreitung des Wassers im Un-tergrund räumlich und zeitlich zu verfolgen. Außerdemsollten neben der manuellen Durchführung auch die Vor-züge einer professionellen Tomographieapparatur de-monstriert werden.Vor Ort wurde es den einzelnen Übungsgruppenselbst überlassen, wie die einzelnen Profile gelegt und wel-che Sondenabstände gewählt wurden. Es galt dabei zu be-achten, welche sensitiven Tiefen und Ausrichtungen be-reits an anderen Versuchstagen untersucht worden waren,um später die Teilergebnisse kombinieren zu können. Sowurden verschiedene Geometrien realisiert, die von 3o cmbis zu 3 m Eindringtiefe reichten. Die Wennerkartierungenwurden jeweils vor und nach dem Einlassen des Wassersauf demselben Profil durchgeführt, um die Veränderunggegenüber der Nullmessung interpretieren zu können.Die gemessene Größe ist bei der Gleichstromgeo-elektrik der Potenzialunterschied des Spannungsfelds,aus dem zusammen mit der eingespeisten Stromstärkeder scheinbare spezifische Widerstand berechnet werdenkann. Wie bei allen Potenzialmethoden ist dies eine inte-grale Größe, die durch verschiedene Untergrundmodelledes spezifischen Widerstands erklärt werden kann. DieseModellbildung wurde für die Tomographie rechnerge-stützt durchgeführt, so dass am Ende ein zweidimensio-nales Bild der Verteilung des spezifischen Widerstandsim Untergrund und somit gut und weniger gut leitendeBereiche erkennbar waren. Es zeigte sich, dass sich inetwa 2 m Tiefe eine Schicht befindet, die eine geringereDurchlässigkeit aufweist, so dass eingelassenes Wasserzur Seite abgeführt wird und selbst am Folgetag nochdeutlich zugeordnet werden kann. Die geowissenschaft-liche Interpretation der Studierenden reichte für dieseSchicht von erhöhten Tongehalten der sedimentären Auf-lage bis zu anthropogenen Strukturen, die bei der Bebau-ung und eventuellen Aufschüttung des Geländes entstan-den sind. Angeregt wurde auch andere geophysikalischeMethoden anzuwenden, um hier eine genauere Bestim-mung zu ermöglichen.42 Studierende nahmen letzten Endes an den geophy-sikalischen Geländeübungen im Juni 2o13 teil. Neben denMessungen im Feld fanden Auswertetutorien im Poolraumdes Geophysikalischen Instituts statt, während derer sowohldie Daten diskutiert als auch die wichtigste Software einge-führt wurde. Mit den hier erlernten Werkzeugen konntensodann Versuchsprotokolle angefertigt werden. Alles in al-lem waren die Studierenden mit dem Ablauf der Veranstal-tung sehr zufrieden und würdigten die anspruchsvollen,aber lehrreichen Versuche. So hoffen wir, dass sich auchnächstes Jahr wieder viele Studierende am KIT motiviertauf Profilsuche im urbanen Umfeld Karlsruhes begeben.

Geophysikalische Geländeübungen im urbanen Umfeld am KIT

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000037795/6841655

Geophysikalische Geländeübungen im urbanen Umfeld am KIT

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