Ultraschall-Bohrlochmessungen im ungesättigten Teil des Lockergesteinsbereichs

Diplomarbeit von Arnold Pettera

Zusammenfassung:Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist der Aufbau einer kleinkalibrigen Bohrlochsonde zur in-situ Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Ablagerungen im ungesättigten Teil des Lockergesteinsbereichs. Zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften der Gesteine sollen Ultraschall-Laufzeiten von Kompressions- und Scherwellen gemessen werden.

Der Aufbau bestand zunächst daraus, den geeigneten Ultraschallsender sowie die Ultraschall-Meßwertaufnehmer zu finden. Neu ist der Versuch den Sender und die Empfänger in einer Sonde zu plazieren, und trocken mittels pneumatischer Zylinder an die Bohrlochwand anzupressen, da im ungesättigten Teil des Lockergesteinsbereichs Wasser als akustisches Koppelmittel fehlt.

Die Darstellung der gemessenen Geschwindigkeiten und daraus berechneten elastischen Parameter, Scher-, Kompressions- und Elastititätsmodul (sowie der Poisson-Zahl), erfolgt parallel des Teufenprofils der Bohrung.

Die Ultraschallsonde ist eine Ergänzung zu den vorhandenen kleinkalibrigen Geoelektrik und Wassergehalts-Bohrlochsonden am Lehrstuhl für Geophysik des Geologisch Paläontologischen Instituts der Universität Tübingen.

Die konventionelle Seismik arbeitet mit Frequenzen zwischen 1 bis max. 103 Hz. Der Einsatz von Ultraschall zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Gesteinen bietet durch die Verwendung von höheren Frequenzen und damit geringen Wellenlängen die Möglichkeit, kleindimensionierte Geschwindigkeitsänderungen zu erfassen. Für Labormessungen eignen sich kleine Probenkörper, weshalb die Ultraschallmessung an Gesteinsproben zur Bestimmung ihrer elastischen Eigenschaften, ein seit langem eingesetztes Verfahren ist.

Im Lockergesteinsbereich liegen die Wellenlängen bei der verwendeten Frequenz von v = ± 30 kHz im Bereich einiger Zentimeter bis Dezimeter, was bei der Verwendung im Bohrloch eine sehr hohe vertikale Auflösung zuläßt.

Die möglichen Anwendungen der Ultraschallsonde liegen in:

- Der Feinstratigraphie, wobei aus den seismischen Geschwindigkeiten Aussagen über die Lithologie möglich sind.

- Als Zusatzinformation bei Baugrunderkundungen. Beispielsweise zum Erkennen von dünnen Tonhorizonten, die bevorzugte Gleitbahnen darstellen, welche beim Aushub von Baugruben oder späteren Setzungen des Bauwerks zu Schäden führen können.

- Der Bestimmung der mechanischen Parameter der Gesteine.

- Der Verbesserung von refraktions- und reflexionsseismischen Messungen durch Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung im Lockergesteinsbereich. Zum Lösen von hidden-layer oder Inversionszonenproblemen.

- Erkennen von Tonhorizonten oder -linsen, Sand und Kies als zusätzlicher Datenlieferant bei der Modellierung von Sickerwasserfließwegen in der Hydrogeologie und Altlastenerkundung.

- Der Möglichkeit, das Verhältnis der gemessenen Geschwindigkeiten als Porositätsindikator zu verwenden.

Die Arbeit gliedert sich in einen theoretischen Teil, der einen kursorischen Überblick, über die Wellenausbreitung in elastischen Medien, insbesondere im ungesättigten Teil des Lockergesteinsbereichs, verschaffen soll.

Es folgt eine Beschreibung der verwendeten Ultraschalltechnik, der Meßapparatur mit dem verwendeten Signalerzeugungs- und Aufzeichnungsgerät, sowie der Weiterverarbeitung der gewonnenen Laufzeitkurven.

Die Messungen an Probekörpern in einem Prüfstand werden beschrieben, da sie die Basis für die Konstruktion der Bohrlochsonde sind.

Der Aufbau der Bohrlochsonde und eine Beispielmessung im Bohrloch ist Gegenstand des folgenden Kapitels.

In der Zusammenfassung werden Schwierigkeiten bei der Signalaufzeichnung und Interpretation dargelegt und ein Ausblick auf die mögliche Lösung von aufgetretenen Problemen gegeben.

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