Induktive Kabelkopplungseffekte bei Messungen der Spektral Induzierten Polarisation

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1 Induktve Kabelkopplungseffekte be Messungen de Spektal Induzeten Polasaton von Andeas Pawlk Dplomabet n Physk vogelegt de Fakultät fü Mathematk, Infomatk und Natuwssenschaften de hensch-westfälschen Technschen Hochschule Aachen m Janua 28 angefetgt am Lehstuhl Appled Geophyscs and Geothemal Enegy m E.ON Enegy eseach Cente, WTH Aachen Unvesty Bechte: Pof. D. C. Clause Pof. D. G. Güntheodt

2 Ich veschee hemt, de volegende Abet selbständg vefasst und kene andeen als de angegebenen Quellen und Hlfsmttel benutzt zu haben. Aachen, Dezembe 27 Andeas Pawlk

3 Danksagung Ich danke Hen Pof. D. Chstoph Clause fü de Möglchket, dese Abet am Lehstuhl Appled Geophyscs and Geothemal Enegy duchzufühen und de Enchtungen des Insttuts nutzen zu düfen. Ich bedanke mch auch fü de gute Beteuung, de velen Anegungen und Gespäche sowe de Begutachtung de Abet. Besondes hezlch danke ch Hen D. Nobet Kltzsch fü de hevoagende Beteuung mene Abet und de Zet, de e sch stets fü Gespäche und Anegungen genommen hat sowe de unzählgen Stunden, de e mch be den Messungen m Feld untestützt hat. Men Dank glt wetehn Hen Pof. D. Genot Güntheodt fü Zwetkoektu sowe Hen D. Volke ath fü de Möglchket, das Pogamm IP3C zu nutzen und mch be Fagen mme an hn wenden zu können. Außedem danke ch Fau Natala Günthe und Hen Danel Wegne fü de unschätzbae Hlfe be de Pogammeung de Matlab- Pogamme. Fü de gute Zusammenabet be Feldmessungen danke ch Hen Adan Floes Oozco, Fau Caolne Wygasch und Hen Jens Potze. Ich danke daübe hnaus allen Mtabeten des Lehstuhls Appled Geophyscs and Geothemal Enegy fü he Hlfsbeetschaft und de feundlche Abetsatmosphäe.

4 Inhaltsvezechns EINLEITUNG... 2 THEOIE De IP-Effekt Membanpolasaton Elektodenpolasaton Messungen Spektale IP elaxatonsmodelle Cole-Cole-Modell Kabelkopplungseffekte Kapaztve Kabelkopplung Induktve Kabelkopplung Das Messgeät SIP256C Das Pogamm IP3C SENSITIVITÄTSSTUDIEN Motvaton Homogene Halbaum Zweschchtfall Deschchtfall Enfluss von Kabelanodnung und -länge Zusammenfassung de Senstvtätsstuden FELDMESSUNGEN Motvaton Enfluss de Kabelanodnung Enfluss de Kabellänge Enfluss des Dpolabstands Tefensektonen... 6

5 v 4.6 Pobleme be de Koektu de Daten ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITEATUVEZEICHNIS ANHANG A. De Fequenzeffekt A.2 Das Cole-Cole Modell A.3 De Tem Q... 79

6 Enletung Enletung In dese Abet weden nduktve Kabelkopplungseffekte untesucht, de be fequenzabhänggen elektschen Messungen Methode de Spektal Induzeten Polasaton - SIP aufteten. Da dese Kopplungseffekte de Messdaten übelagen, st das Zel dese Abet de Smulaton de nduktven Kopplungseffekte und de Koektu gemessene SIP- Daten. SIP st en geoelektsches Vefahen de angewandten Geophysk, be dem Wechselstom veschedene Fequenzen n den Untegund engespest wd, um den komplexwetgen spezfschen Wdestand zu messen. Das Maß fü de Polasaton st dabe de Phasenveschebung zwschen Stom und Spannung. Im Untesched zu Induzeten Polasaton IP, be de Wechselstom ene bestmmten Fequenz vewendet wd, esteckt sch das Fequenzband be SIP typschewese übe mehee Dekaden oft mhz bs khz. Es handelt sch um en Vefahen, das an de Obefläche engesetzt weden kann. Daduch st es elatv kostengünstg und velsetg ensetzba. Anwendung fnden SIP und IP be de Exploaton mnealsche Ezlagestätten sowe de Ekundung ndustelle Altstandote und Deponen. Noch n de Foschungsphase st de Ensatz fü hydogeologsche Fagestellungen, we de Abletung de hydaulschen Pemeabltät. De Effekt de Induzeten Polasaton IP st set Begnn des zwanzgsten Jahhundets bekannt, als e von den Gebüden Schlumbege entdeckt wude. Conad Schlumbege beobachtete 92 be elektschen Messungen an Gestenen, we de Spannung nach Abschalten des Stoms ncht sofot auf Null abfel, sonden zunächst auf enen endlchen estwet, von dem aus se langsam auf Null abklang [Schlumbege, 922]. Das Gesten wude polaset. Man püfte daauf hn, ob sch de Effekt fü geophyskalsche Ekundungen egnet, kam jedoch zu kenen bauchbaen Egebnssen. De IP wude lange Zet kene Beachtung geschenkt, bs n de Nachkegszet de Bedaf an ohstoffen, vo allem Ezen, dastsch ansteg und man de Möglchketen des Vefahens be de Ezexploaton ekannte [Blel, 953]. Duch de unteschedlchen Polasatonen von veeztem und ncht veeztem Gesten, de mt IP abgebldet weden können, gewann es fü de Exploatonsnduste meh und meh an Inteesse. Das Vefahen konnte n den Folgejahen wete vefenet weden, sodass auch klenee Polasatonsunteschede aufgelöst weden konnten.

7 Enletung 2 In den sebzge Jahen wude damt begonnen, Gestenspoben übe bete Fequenzspekten hnweg zu vemessen [van Voohs et al., 973], [Zonge und Wynn, 975], [Pelton et al., 978]. Daaus entwckelte sch schleßlch das Vefahen de SIP, m angloamekanschen aum oft auch Complex essvty C genannt. Das wa ene entschedende Weteentwcklung, de nunmeh das Fomuleen neue Zele zuleß. So wollte man ncht meh nu mnealsete von ncht mnealseten Beechen untescheden, sonden nnehalb dese Beeche wetee Unteschedungen vonehmen. Pelton et al. [978] sowe Majo und Slc [98] zegten, dass SIP zu Unteschedung gaphtsche Ablageungen von wtschaftlch nteessanten sulfdschen Veezungen geegnet st. Fene konnten se de Kongöße von Ezmnealen ableten. En Poblem das sch be SIP-Messungen stellt, st de elektomagnetsche Kopplung zwschen den stomfühenden Kabeln und dem Edboden. Be hohen Fequenzen ab etwa 4 Hz kommt es zu ene Wechselwkung zwschen den Kabeln und dem Untegund, de mt de Göße de Auslage zunmmt. Heduch wd en elektsches Feld nduzet, welches das egentlche SIP-Sgnal übelaget. In de Paxs snd goße Auslagen notwendg, um goße Endngtefen zu eechen. Ene Beschänkung auf nedge Fequenzen st ebenfalls ncht wünschenswet, wel de Mehgewnn an Infomatonen be de SIP m Gegensatz zu klassschen IP auf de Untesuchung de spektalen Egenschaften des Untegunds baset. Zu Bewältgung deses Poblems gab es ene ehe von Ansätzen, Kabelkopplungseffekte nachtäglch aus den Daten zu kogeen [Hallof, 974], [Zonge und Wynn, 975], [Song, 984]. Dabe wude de Kopplung geschätzt, woduch alledngs de Gefah entsteht, de SIP-Daten zu vefälschen. En andee Ansatz wa de Beückschtgung de Kabelkopplungseffekte be de Auswetung de Daten, da se ebenfalls Untegundnfomatonen benhalten. Man kam jedoch ncht übe enen Ansatz hnaus, da de analytsche Beechnung dese Effekte extem echen- und damt zetaufwändg st und sch als ncht paktkabel ewesen hat [Ketzschma, 2]. De m ahmen dese Abet vefolgte Ansatz zu Koektu de SIP-Daten baset auf ene numeschen Smulaton de nduktven Kopplungseffekte, um se von den Messdaten abzuzehen. Dazu wd das Pogamm IP3C vewendet, das von Pof. Pete Wedelt und D. Volke ath 994 entwckelt wude, welches de Smulatonen unte Beückschtgung de Pesönlche Mttelung von D. Volke ath, Appled Geophyscs and Geothemal Enegy, E.ON Enegy eseach Cente, WTH Aachen Unvesty

8 Enletung 3 Untegundbeschaffenhet, de Auslagengeomete, sowe des vewendeten Fequenzspektums elaubt. Fü de volegende Abet wuden mt dem Pogamm IP3C ene ehe von Senstvtätsstuden duchgefüht Kaptel 3. In meheen Feldmessungen wuden zudem SIP-Daten aufgenommen und ausgewetet. Duch Smulaton de nduktven Kopplungseffekte fü dese spezellen Fälle wude dann ene Koektu de Daten vogenommen Kaptel 4.

9 Theoe 4 2 Theoe 2. De IP-Effekt Be geoelektschen Messungen mt de Vepunkt-Methode wd Stom übe zwe Elektoden n den Untegund engespest. An zwe weteen Elektoden wd das Potental gemessen, um aus Stom und Potentaldffeenz den Wdestand des Edbodens zu beechnen. Schaltet man den Stom ab, so fällt de Spannung ncht dekt auf Null, sonden zunächst auf enen estwet und klngt dann langsam ab. Bem Enschalten des Stoms ttt de umgekehte Effekt auf: De Spannung spngt auf enen Telwet de Maxmalspannung und eecht dese est nach enge Zet. De Edboden vehält sch also we en Kondensato. Um de Usache des IP-Effekts zu vestehen, muss man de elektschen Letfähgketsmechansmen m Untegund betachten. Man unteschedet de elektolytsche an Ionen gebundene und de metallsche an Elektonen gebundene Letung. Be elektolytsche Letung legt de Usache des IP-Effekts n de Membanpolasaton, wähend be metallsche Letung de Usache de Elektodenpolasaton st [Ketzschma, 2]. 2.2 Membanpolasaton De Membanpolasaton st de Schwächee de beden Polasatonsaten. Ihe IP- Effekte snd etwa um ene Gößenodnung klene als de duch Elektodenpolasaton hevogeufenen. Usache de Membanpolasaton st de elektsche Doppelschcht EDL, engl. Electcal Double Laye. Se füht n ene mt enem Elektolyt gefüllten Poe zu ene unteschedlchen Mobltät von Katonen und Anonen. Bevozugt ttt des n klenen Poen auch aktve Zonen genannt auf ode n de Nähe von Mnealen mt unausgeglchene Ladungsblanz z.b. Tone, wähend sch de Ionen n goßen Poen passve Zonen elatv fe bewegen können. Aufgund de negatven Obeflächenladung vele Gestensmneale weden de Anonen aus klenen Poen vedängt. Es bldet sch ene postve Ladungswolke m Elektolyt. Fü de ohnehn gößeen Anonen bedeutet des, dass he Mobltät aufgund de als Baeen denenden Ladungswolken wete engeschänkt wd Abbldung lnks.

10 Theoe 5 E I E I Abbldung : Poenveengung ohne angelegtes E-Feld lnks und mt angelegtem E-Feld echts [nach Kltzsch, 24]. Legt man en äußees elektsches Feld an, geät das System aus dem Glechgewcht. Daaufhn steben de Ladungstäge enen neuen Glechgewchtszustand an, was zu ene Anhäufung von Anonen n de Nähe de postven Ladungswolken füht. Katonen können dese postven Ladungswolken übewnden, wel se duch he ebenfalls postve Ladung von hnen abgestoßen weden, wähend Anonen von den postven Ladungswolken angezogen und damt blocket weden Abbldung echts. De Name Membanpolasaton st also duch de Membanwkung de postven Ladungswolke begündet. An desen auch aktve Zonen genannten Stellen entsteht en Katonenübeschuss, de makoskopsch als Polasaton messba st. De Membanpolaston st also von de Poengeomete abhängg. Be Abschalten des äußeen elektschen Feldes klngt de Polasaton langsam duch Dffuson ab. Wd Wechselstom zu Ezeugung des elektschen Feldes vewendet, so entspcht de Membanpolasaton dem Auf- und Entladevogang enes Kondensatos. De makoskopsch messbae Polasaton zegt ene Fequenzabhänggket. Be klenen Fequenzen blebt genügend Zet, de Polasaton auszublden, wähend be höheen Fequenzen ken Glechgewchtszustand meh eecht weden kann. Als Folge dessen weden be höheen Fequenzen klenee spezfsche Wdestände gemessen [adc, 997]. 2.3 Elektodenpolasaton De Gestensmatx wd he als nchtletend betachtet. De letenden Egenschaften ehält das Gesten duch enen Elektolyten, de sch n Poen und Klüften befndet. Dese

11 Theoe 6 Poen und Klüfte können von Ezpatkeln blocket weden. Ist des de Fall, so entsteht en Phasenübegang zwschen Elektolyt und metallschem Lete. Duch elektochemsche Austauscheaktonen bldet sch m Metall ene Schcht fee Elektonen [Mltze und Webe, 985], de ene dffuse Zone postve Ionen m Elektolyt entgegensteht Abbldung 2 oben. Ohne wetee äußee Enflüsse st das System m Glechgewcht. Es bldet sch ene elektsche Doppelschcht [adc, 997]. Gestensmatx Elektolyt Ezmnealkon E Stenschcht dffuse Schcht Gestensmatx Elektolyt - Ezmnealkon E Stenschcht dffuse Schcht Abbldung 2: Elektonenletendes Mnealkon ohne angelegtes E-Feld oben und mt angelegtem E-Feld unten. Wd von außen en elektsches Feld angelegt, polaset sch das Ezpatkel und wd zu enem elektschen Dpol. Daduch vefomt sch de hn umgebende Ladungswolke

12 Theoe 7 aus postven Ionen, das System geät aus dem Glechgewcht. Als Folge wd en neue Glechgewchtszustand gesucht Abbldung 2 unten. Be enem zetlch veändelchen elektschen Feld muss man de Fequenzbeeche untescheden. Veändet sch das Feld langsam, so können de Ladungstäge den Veändeungen folgen und jedezet m Glechgewcht sen. Man beobachtet n desem Fall ausschleßlch Ohmsche Letfähgket. Ehöht man de Fequenz des elektschen Feldes, so wkt sch de Täghet de Ionen aus: Se eageen zetvezöget auf de Veändeungen des Feldes, was zu elaxatonseschenungen und damt zu ene Polasaton füht. Es kommt zu ene Phasenveschebung zwschen Stom und Spannung. Das Stomsgnal elt dem Spannungssgnal voaus. De Wdestand wd komplex. Wd de Fequenz wete ehöht, wd de Wdestand wede eell und damt en Ohmsche Wdestand. De Feldveändeungen snd nun so schnell, dass de Ionen aufgund he Täghet dem äußeen Feld ncht folgen können [Ketzschma, 2]. Geneell vehält sch ene von enem Ezpatkel blockete Gestenspoe analog enem velustbehafteten Kondensato. Das Patkel vehndet den dekten Ladungstanspot. Nu duch Austauscheaktonen an de Phasengenze zwschen Elektolyt und Metallobefläche st Ladungstanspot möglch. Dabe unteschedet man zwe Mechansmen: edukton und Oxdaton. Nmmt en Katon m Elektolyt en fees Elekton aus de Metallobefläche auf, so spcht man von edukton. Be Oxdaton gbt en Metallatom en Elekton ab, onset und kann nun als Katon n Lösung gehen. Legt en äußees elektsches Feld an, das das Glechgewcht stöt, so kommt es zu enem Nettoladungstanspot übe Stecken, de wete snd, als de Dmensonen des Systems Metall-Ladungswolke. Dabe weden an de Phasengenze Katonen aus dem Elektolyt heausgefüht und es bldet sch ene Veamungszone. De Ladungstanspot st dann en Dffusonspozess [Wong, 979].

13 Theoe Messungen We be andeen geoelektschen Vefahen gbt es ene Velzahl möglche Messaufbauten. Allen gemen st, dass Stom übe zwe Elektodenspeße n den Untegund engespest wd, und an zwe andeen Elektoden de Spannung gemessen wd. Man spcht von ene Vepunktanodnung. In den Feldmessungen fü dese Abet wuden ausschleßlch Dpol-Dpol-Auslagen vewendet, be denen Stom- und Spannungselektoden n jewels glechem Abstand vonenande angeodnet snd und sch ledglch de Abstand zwschen den beden Dpolen um ganzzahlge Elektodenabstände veändet, we n Abbldung 3 dagestellt. I U a na a Abbldung 3: Schematsche Dastellung ene Dpol-Dpol-Auslage. IP-Messungen können m Zet- und Fequenzbeech duchgefüht weden. Tägt man Stom und Spannung übe de Zet auf, so ekennt man m Spannungsdagamm, we be Enschalten des Stoms de Spannung ncht sofot hen Maxmalwet eecht sonden zunächst nu enen Tel davon. Analog geht de Spannung be Abschalten des Stoms ncht sofot auf Null, sonden est nach ene endlchen Zet t Abbldung 4. Gund dafü snd elektomagnetsche Felde, de duch das schnelle Abschalten nduzet weden und de Spannungsabnahme entgegenwken [Blaschek, 26].

14 Theoe 9 Stom I p Zet Spannung V V s V p Zet Abbldung 4: Stom- und Spannungssgnal m Zetbeech. V bezechnet de spunghaft eechte Spannung bem Enschalten, V s den estwet de Spannung nach Abschalten des Stoms. V p bezechnet de Maxmalspannung [nach Ketzschma, 2]. Aus dem Vehältns de Spannung V s, de unmttelba nach dem Abschalten des Stoms eecht wd, und de Maxmalspannung V p kann de Aufladefähgket beechnet. Gebäuchlch snd dafü zwe veschedene Defntonen [adc, 997]: und V V s m 2. p

15 Theoe M V p V t dt. 2.2 Be Feldmessungen begen bede Ansätze Unscheheten. So st de Bestmmung von V s n de Paxs poblematsch, wel unmttelba nach dem Abschalten des Stoms elektomagnetsche Effekte das IP-Sgnal übelagen [adc, 997]. Be de Integaton besteht das Poblem, dass de Lade- bzw. de Entladevogang ncht unendlch lange andauen. Außedem kann das Sgnal ncht zetlch kontnuelch aufgezechnet weden, sonden nu zu dsketen Zetpunkten, woduch ebenfalls Ungenaugketen aufteten [Blaschek, 26]. Aus desem Gund wd de Spannung zu veschedenen Zeten t bs t n gemessen. Dabe snd de Zetntevalle t t ncht äqudstant, so dass h gegensetge Abstand beückschtgt weden muss. Es egbt sch: m V p n t t t t V t dt. 2.3 Obwohl de Gößen m und M ncht äquvalent snd, weden bede häufg als Aufladbaket bezechnet. Genaue st es, von de Aufladbaket m zu spechen, wähend M ene de gespecheten Enege popotonale Göße st [adc, 997]. Msst man m Fequenzbeech, so spest man Wechselstom zwee veschedene Fequenzen f und f 2 m Abstand von mndestens ene Dekade n den Untegund en. De IP- Effekt zegt sch he n ene Vengeung des Spannungsmaxmums be höheen Fequenzen Abbldung 5. Es glt f > f V <. 2 V2 Aus desen Spannungsmaxma beechnet man den Fequenzeffekt FE: FE V V V Ist de Stom I n de esten Messung nahe am Glechstomfall und n de zweten Messung m Idealfall en unendlch hochfequente Wechselstom, so gbt de Fequenzeffekt FE de elatve Dffeenz zwschen den schenbaen spezfschen Wdeständen ρ f und ρ f an:

16 Theoe FE ρ f ρ f. 2.5 ρ f Zwschen Fequenzeffekt FE und Aufladefähgket m besteht en enge Zusammenhang. Be Enschalten des Stoms glt [Blaschek, 26], [Telfod et al., 99]: lmv t ρ t f und lmv t ρ f. 2.6 t Damt glt: V m V s p lmv t lmv t ρ t t f lmv t t ρ ρ f f FE. 2.7 FE Stellt man nach FE um, so egbt sch vegleche Anhang A.: m FE. 2.8 m Stom f Stom f 2 I Zet I 2 Zet Spannung f Spannung f 2 V V 2 Zet Zet Abbldung 5: Stom- und Spannungssgnal m Fequenzbeech [nach Ketzschma, 2].

17 Theoe 2 Theoetsch snd de Messungen also äquvalent und können nenande umgeechnet weden. Be paktschen Messungen st das jedoch ncht möglch, da dafü enesets übe enen Fequenzbeech von f bs f Hz gemessen und andeesets das Abklngvehalten des Spannungssgnals m Zetbeech vollständg efasst weden müsste [Blaschek, 26]. 2.5 Spektale IP Be IP m Fequenzbeech wd be zwe Fequenzen gemessen. Ehöht man de Anzahl de Messfequenzen spcht man von SIP. Tägt man Stom- und Spannungssgnale gegen de Zet auf, so ekennt man zwe snusfömge Sgnale I und U unteschedlche Ampltude, de um ene Phase φ gegenenande veschoben snd Abbldung 6. Aus den Weten fü Stom I und Spannung U kann de Betag ρ und de Phasenveschebung φ des schenbaen spezfschen Wdestands ρ beechnet weden. Be SIP-Messungen weden ρ und φ häufg übe dem Logathmus de Fequenz aufgetagen, um das Wdestands- und Phasenspektum dazustellen Abbldung 7. Das Wdestandspektum zegt typschewese ene Abnahme des Wdestands mt stegende Fequenz. Dabe duchläuft es enen Wendepunkt. De Phasenvelauf zegt en andees Vehalten: Zunächst wd de Phase klene, duchläuft en Mnmum, um dann wede anzustegen. Das Mnmum legt be de glechen Fequenz we de Wendepunkt des Wdestandsspektums.

18 Theoe 3 Ampltude Stom Spannung I φ V Zet Abbldung 6: De SIP-Effekt n de Zetehe. Stom und Spannung snd um de Phase φ veschoben [nach Ketzschma, 2]. Betag ρ Fequenz Phase φ Abbldung 7: Theoetsche Ampltuden- und Phasenspekten des schenbaen Wdestands be SIP- Messungen. De Punkte bezechnen den Wendepunkt bzw. das Mnmum des Ampltuden- bzw. Phasenspektums [nach Ketzschma, 2]. De Spekten vaeen n Abhänggket von de nneen Gestensstuktu und gestatten ückschlüsse auf de spezfsche Beschaffenhet des Untegunds. Man ehält m Veglech zu enfachen IP Messungen zusätzlche Infomatonen [Ketzschma, 2].

19 Theoe elaxatonsmodelle Um de an Gestenen gemessenen Spekten zu ekläen, kann man Esatzschaltblde vewenden [Wong, 979]. Dafü gbt es ene ehe von Modellen, wobe fü de volegende Abet vo allem das Cole-Cole-Modell [Cole und Cole, 94] von Inteesse st Cole-Cole-Modell De Polasaton m Untegund vehält sch ähnlch dem Auf- und Entladepozess enes Kondensatos. Das Cole-Cole-Modell füht ene Paallelschaltung en, bestehend aus Ohmschem Wdestand und enem Ohmschen Wdestand, de mt enem Element kontante Phase CPE, engl. Constant Phase Element n ehe geschaltet st [Cole und Cole, 94], we n Abbldung 8 dagestellt. c ω X Abbldung 8: Esatzschaltbld des Cole-Cole Modells. bezechnet den Ohmschen Wdestand des Untegunds, ωx -c das Äquvalent enes velustbehafteten Kondensatos und c den Fequenzexponenten [nach Ketzschma, 2].

20 Theoe 5 Damt egbt sch fü de Gesamtmpedanz Zω: Z ω X ω c. 2.9 Esetzt man: c m : und τ : X X m c, 2. dann folgt daaus vegleche Anhang A.2: Z ω m c. 2. ωτ Dabe st m de Aufladbaket, de Glechstomwdestand, τ de Zetkonstante des elaxatonspozesses, c den Fequenzexponenten und ω de Fequenz des Wechselstoms. De folgenden Genzwetbetachtungen egeben: ω : 2 ω : Z ω Z ω Fü spet de Kondensatoantel ωx -c und es blebt ledglch de Ohmsche Wdestand übg. In Fall 2 veschwndet de Imagnätel von Zω, de Wdestand wd eell [Blaschek, 26]. 2.7 Kabelkopplungseffekte Be SIP-Messungen st es wünschenswet, das Fequenzspektum übe 6 Dekaden mhz bs khz zu efassen, um de spektale Infomaton hnschtlch de Gestensegenschaften ntepeteen zu können. Fene st be Feldmessungen de Auslagenwete von Bedeutung, da von h de Endngtefe n den Untegund abhängt. Dabe

21 Theoe 6 glt, dass de Endngtefe ungefäh en Vetel de Auslagenwete betägt. Das bedeutet, dass de n de Paxs benötgten Auslagen z.b. zu Ekundung von Altlasten ode zu Ezexploaton seh goß weden können. Bede Aspekte, sowohl das Fequenzntevall, als auch de Auslagenwete, stellen jedoch en Poblem be de Duchfühung von SIP-Messungen da. Aufgund de zwschen den Elektoden velaufenden Kabel kommt es zu elektomagnetschen Kopplungseffekten. Dabe unteschedet man zwschen kapaztve und nduktve Kopplung. Dese Effekte nehmen be stegende Fequenz und Auslagenwete zu und übelagen das egentlche SIP- Sgnal Kapaztve Kabelkopplung Kapaztät st en Maß de Popotonaltät zwschen elektsche Ladung q und dem entspechenden Potental V: q C V [Gethsen et al., 986]. Unte kapaztve Kopplung vesteht man de Wechselwkung zwee solete elektsche Lete übe elektsche Felde [Althaus, 23]. Be SIP-Messungen ttt kapaztve Kopplung ungewollt zwschen den Kabeln und dem Edboden auf. De vewendeten Kabel snd zwa solet, jedoch vehndet de Isoleung nu m Glechstomfall vollständg das Abfleßen von Stom n den Boden. Fleßt Wechselstom duch de Kabel, so stellt de Isoleung ene Kapaztät zum Edboden da, veglechba enem Kondensato mt Delektkum. Daübe fleßt Stom n den Untegund ab. De Kapaztät zwschen Kabel und Boden wude von Madden und Cantwell [968] mt,6 geschätzt. Daaus egbt sch fü de Impedanz Zcc zwschen Kabel und Boden: C K 5 μf/m Kabellänge l Z cc ω C K. 2.3 l Dabe st ω de Kesfequenz. Ene elektsche Ladung q ezeugt n Matee mt de Delektztätskonstanten ε ε en elektsches Feld E:

22 Theoe 7 E q 4π ε ε Dabe st de Otsvekto und de Uspungsvekto. ε und ε bezechnen elatve Delektztätskonstante und Delektztätskonstante des Vakuums. Es glt de Bezehung [Tple, 994]: E. 2.5 V Daaus folgt: V 4π ε ε q. 2.6 Nach dem Supepostonspnzp folgt fü mehee Ladungen q : V 4π ε ε q. 2.7 Be SIP-Messungen fleßt Wechselstom duch de Kabel. Es glt: I d ωt t q t qe ωq t dt dt I t q t. ω d 2.8

23 Theoe 8 y T Edobefläche x z ε Ede Abbldung 9: Schematsche Dastellung ene Ladung q am Punkt T, de ene Potentalvetelung m Untegund ezeugt. W betachten ene zetlche veändelche Ladung q, de am Punkt T auf de Edobefläche legt und möchten de Potentalvetelung an enem belebgen Punkt m Untegund bestmmen Abbldung 9. Das von de Ladung q veusachte elektsche Feld wd n de Ede duch Polasatonsvogänge abgeschwächt [Althaus, 23]. De Potentalvetelung m Untegund egbt sch nach Jackson [975]: V t t I πσ Dabe st σ de elektsche Letfähgket des Untegunds. 2 C Abbldung : Esatzschaltbld fü de kapaztve Kopplung: Stom fleßt sowohl übe de Elektoden mt den Übegangswdeständen und 2 n den Boden Wdestand, als auch übe kapaztve Kopplung. Zu Beechnung des duch kapaztve Kopplung n de Ede fleßenden Stoms I C t wd en Esatzschaltbld fü en zwschen zwe Elektoden auf dem Boden legendes Kabel estellt Abbldung. Es besteht aus den Ankopplungswdeständen und 2 de

24 Theoe 9 Elektoden, de n ehe geschaltet snd mt dem Wdestand des Untegunds. Dazu paallel geschaltet st de Kapaztät des Kabels C. De Gesamtstom I ges beechnet sch aus den Enzelstömen I und I C : I I C U U ωt cos. ges cos ωt ωc. 2.2 U bezechnet de angelegte Spannung, ges de Summe de Enzelwdestände, 2 und. Damt wd das duch den kapaztven Antel ezeugte Potental V c t,: V c t ωt U ωc, cos πσ Das glt fü ene Ladung q, de auf de Obefläche legt. Im Falle enes auf dem Boden legenden Kabels wd aufaddet: übe de Enzelladungen q V ges t, U ωt cos ωc 2πσ N Dabe st N de Gesamtanzahl de Ladungen m Kabel. Übe de Länge des Kabels von m ändet sch de Spannung aufgund de seh goßen Wellenlängen von 3 km be ene Fequenz des Wechselstoms von khz bs 3 km be mhz ncht sgnfkant.

25 Theoe Induktve Kabelkopplung Lete Stom Magnetfeld Abbldung : Magnetfeld enes stomduchflossenen Letes. Wd en auf dem Boden legendes Kabel von Wechselstom duchflossen, so wd duch das zetlch vaeende elektsche Feld en Magnetfeld ezeugt, dessen Auschtung spalfömg um das Kabel veläuft Abbldung. Deses magnetsche Feld wedeum nduzet m Untegund en elektsches Feld, welches sch dem galvansch angekoppelten übelaget. Man msst ene Potentaldffeenz, de duch das esulteende Feld ezeugt wd, und ehält somt duch nduktve Kopplung vefälschte Wdestands- und Phasenwete. Induktve Kabelkopplungseffekte fühen zu ene sgnfkanten Vefälschung de Phase, wenn de Fequenz des Wechselstoms übe etwa 5 Hz legt. Außedem nehmen de nduktven Effekte mt göße wedenden Auslagen zu. Um das von enem hozontalen Kabel nduzete elektsche Feld zu bestmmen, betachtet man das Kabel als Anenandeehung ene Velzahl enzelne Dpole, übe de man nteget. Fü en Kabel n x-chtung z-achse west n de Tefe st das elektsche Feld E x enes Dpols n x-chtung [Wad und Hohmann, 988]: E x 2 Ids 4π x ωμids 4π J ρ J ρ d. ωμ u 2 TM TE ωε TE u u d 2.23

26 Theoe 2 Dabe st I de Stom, de duch das Dpolelement de Länge ds fleßt, TM und TE de tansvesal magnetsche bzw. tansvesal elektsche eflektonskoeffzent, u 2 2 ω με, ρ de spezfsche Wdestand und de Integatonsvaable. De eflektonskoeffzenten hängen vom komplexwetgen Wdestand des geschchteten Untegunds ab. J bezechnet de Besselfunkton este At und Odnung Null: 2 ρ 2 J ρ Γ. 2.24! Dabe st de Gammafunkton Γ: Γ! t! t e dt y a na a ds ds Edobefläche x z σz Abbldung 2: Schema ene Dpol-Dpol Auslage übe polasebaem Untegund [nach Cagla, 2]. Betachtet man nun en Kabel de Länge 2 - entlang de x-achse, so egbt sch fü das elektsche Feld an de Obefläche enes geschchteten Halbaums 2 2 Q E x I P ds x

27 Theoe 22 Dabe st 4 π ωμ d J u I P TE 2.27 und 4 ωμ ωε π d J u u x I x Q TE TM J bezechnet de Besselfunkton este At und Odnung, ' x x und es glt: x J x J dx d De Integaton des elektschen Feldes zwschen den Potentalelektoden 3 und 4 füht dann zu gemessenen Spannung V: Q Q Q Q dsds P I V. 2.3 Hebe st ωμ ωε π d J u u I Q TE TM Mt I V Z folgt fü de Impedanz Z [Wad und Hohmann, 988]: Q Q Q Q dsds P Z. 2.32

28 Theoe 23 Daaus kann nun de Phase φ beechnet weden: [ ] e[ ]. Im actan Z Z Z e Z φ φ 2.33 Be ene Dpol-Dpol-Anodnung, we n Abbldung 2, mt Elektodenabstand a und Dpolabstand na glt fü de Abstände:.,,, 2, a a n na a n a n 2.34 De eflektonskoeffzenten TE und TM veschwnden fü den Fall, dass übe enem homogenen Halbaum gemessen wd. De Teme fü P und Q n den Glechungen 2.27 und 2.3 veenfachen sch zu: 4 π ωμ d J u I P 2.35 und 4 ωμ ωε π d J u u I Q Daaus folgt fü Q vegleche Anhang A.3: 4 ωε π d J u I Q. 2.37

29 Theoe 24 Setzt man de Glechungen 2.35 und 2.37 n de Glechung 2.32 en, so ehält man fü de Impendanz Z: ωε π π ωμ d J J J J u I dsds d J u I Z 2.38 Fü Dpol-Dpol-Anodnungen egbt das unte Beückschtgung de Glechungen 2.34: ωε π π ωμ d na J a n J a n J u I dsds d a J u I Z 2.39

30 Theoe Das Messgeät SIP256C De SIP-Messungen m ahmen dese Abet wuden mt de Appaatu SIP256C de Fma adc-eseach duchgefüht. Das Geät besteht aus ene Bassstaton und zwanzg Moblstatonen. Um ene Messung vozunehmen, wd zunächst ene Auslage defnet, wobe Elektoden entlang enes Maßbandes n enem bestmmten Abstand zuenande n den Boden gesteckt weden. Jede dese Elektoden wd daaufhn mt ene Moblstaton vebunden, übe de se mt Stom vesogt weden kann. Jede Elektode kann sowohl zu Stomenspesung, als auch zu Potentalmessung vewendet weden. De Stom- und Spannungsmessungen efolgen n de Moblstaton. De Moblstatonen weden unteenande mt Glasfasekabeln vebunden, wobe de este Moblstaton an de Bassstaton angeschlossen wd. En Laptop wd mt de Bassstaton vebunden, um se zu steuen. Im Messbeteb gescheht das übe en Pogamm, mt dem man de Messung konfgueen und übewachen kann. De Bassstaton spcht daaufhn de Moblstatonen an und de Messung wd be allen n ene Steueungsdate bestmmten Elektodenkonfguatonen und Fequenzen duchgefüht. Zu Stomvesogung wd de Bassstaton an ene 2 V Battee angeschlossen. Se vesogt de Stomelektoden dann mt enem Wechselstom, dessen Spannung manuell engestellt weden kann. Be de Messung weden de Wdestands- und Phasenspekten fü de enzelnen Elektodenkonfguatonen aufgenommen. Zusätzlch können de Daten n ene Pseudo- Tefensekton gafsch dagestellt weden. Kopplungseffekte zwschen Stom- und Potentalkabeln weden duch de Vewendung optsche Fasen fü de Datenübetagung zu Bassstaton und duch de dekte Messung de Potentale an den Stomelektoden vemeden. De nduktve und kapaztve Kopplung zwschen Stomkabel und Boden wd mnmet, ndem an beden Stomelektoden en Snussgnal anlegt, wobe das ene Sgnal gegenübe dem andeen um 8 phasenveschoben st. Daaus folgt, dass nu das Kabel zwschen den Elektoden koppeln kann, da de Tel des Kabels, n dem de beden stomfühenden Dähte paallel laufen ken esulteendes Feld nach außen hat.

31 Theoe Das Pogamm IP3C Schwepunkt dese Abet st de Untesuchung nduktve Kabelkopplungseffekte. Das Zel st hebe de Koektu de aufgenommenen Spekten. Dazu weden de auftetenden Kopplungseffekte zunächst am Compute smulet. Pof. D. Pete Wedelt und D. Volke ath haben zu desem Zweck das Pogamm IP3C entwckelt 2. Es baset auf Fotan und elaubt de Smulaton de nduktven Kopplungseffekte übe enem defneten Untegundmodell be ene bestmmten Kabelauslage. Dazu wd Glechung 2.32 numesch gelöst. Man kann zwschen dem Cole-Cole Modell und dem Modell de konstanten Phase wählen. Zusätzlch lässt sch de Untegund modelleen, ndem man de Anzahl de Schchten, he Mächtgketen, spezfschen Wdestände und Phasen angbt. Auch Anomalen können konstuet weden, de n he Letfähgket vom umlegenden Gesten abwechen. De Kabelanodnung lässt sch belebg festlegen, ebenso de Geomete de Stom- und Potentalelektoden, sowe de Fequenzen, be denen gemessen wd. Als Ausgabe ehält man enen Datensatz, de fü jede Elektodenkonfguaton und Fequenz den Betag des Wdestands und de Phasenveschebung auswest. Tägt man dese Wete übe de Fequenz auf, so ehält man de smuleten Spekten. Dese können dann von den tatsächlch gemessenen Spekten abgezogen weden, um von den Kabelkopplungseffekten beengte Spekten zu ehalten. Fene können dese beengten Daten nvetet weden, um kogete Tefensektonen zu estellen. Das vowegende Poblem be de Smulaton de Kopplungseffekte st de genaue Beschebung des Untegunds und sene Letfähgketen. Dazu weden zunächst Tefensektonen aus Daten estellt, de be nedgen Fequenzen aufgenommen wuden und aus desem Gund kene ode seh genge Kopplungseffekte aufwesen. Anhand dese Tefensektonen kann de Untegund n mehee Schchten unteschedlche Letfähgket und Schchtmächtgket aufgetelt weden. Beeche anomale Letfähgketen weden als Kontaste zum umgebenen Mateal dagestellt. Dese Infomatonen denen de Modelleung des Untegunds, mt dem das Pogamm de Smulaton duchfüht Abbldung 3. 2 Pesönlche Mttelung von D. Volke ath, Appled Geophyscs and Geothemal Enegy, E.ON Enegy eseach Cente, WTH Aachen Unvesty

32 Theoe 27 [ ] Tefensekton des Wdestands -2 d ρ Fequenzen d 2 ρ 2 Geometen 2 Fequenz [Hz] - Phase [mad] Smulaton de Phase aufgund nduktve Kopplung 3 Abbldung 3: Ablauf de Beechnungen zu Koektu de nduktven Kopplungseffekte. De Untegundnfomatonen, de man aus den Tefensektonen ehält, snd ncht belebg genau ablesba. Möglche Fehlequellen snd ungenaue Schchtmächtgketen, Wdestands- und Phasenwete. Zudem elaubt das Pogamm kene latealen Veändeungen von Wdestand und Phase, was dazu füht, dass oftmals mt Mttelweten geabetet weden muss. Zu Schätzung möglche Fehle und des Enflusses de enzelnen Paamete auf de Egebnsse wude deshalb ene ehe von Senstvtätsstuden duchgefüht sehe dazu Abschntt 3.

33 Senstvtätsstuden 28 3 Senstvtätsstuden 3. Motvaton In desem Kaptel wd de Enfluss veschedene Paamete we Dpolwete und -abstand, spezfsche Wdestand des Untegunds und Schchtmächtgket auf de nduktven Kopplungseffekte untesucht, de be SIP-Messungen mt Dpol-Dpol-Auslagen aufteten. Zu Beechnung de nduktven Kopplungseffekte mt dem Pogamm IP3C muss zunächst das Untegundmodell spezfzet weden. Dazu wd de Anzahl de m Untegund vokommenden Schchten angegeben, deen Mächtgketen und de Fequenzabhänggket de komplexen Wdestände konket de Cole-Cole Paamete bzw. de Phase bem Modell de konstanten Phase. Im ahmen dese Abet wude stets mt dem Modell de konstanten Phase geabetet, so dass sch de Anzahl de Paamete po Schcht auf zwe eduzet. De Schchtgenzen und elektschen Wdestände weden aus Tefensektonen abgeletet und können deshalb ncht belebg genau angegeben weden. We stak Vaatonen de Schchtwdestände und -mächtgketen de beechneten Kopplungseffekte beenflussen, wd n de folgenden Senstvtätsstude untesucht. Wetehn wd fü de Kopplungsbeechnung von homogenen, hozontal velaufenden Schchten ausgegangen. Ene lateale Veändeung des Wdestands kann n IP3C duch dedmensonale Anomalen beückschtgt weden. Mt Blck auf de Untegundstuaton n den Messgebeten Inden und Kall weden Senstvtätsstuden fü den homogenen Halbaum, sowe Zwe- und Deschchtfälle vogestellt. De Paamete wuden so gewählt, dass se sch m ahmen de n de Paxs auftetenden Fehleahmen und Vaatonen bewegen. Oft st es schweg, n den Tefensektonen de Schchtmächtgketen genau abzulesen. Dabe können duchaus Fehle m Metebeech aufteten. Be den spezfschen Wdeständen muss oftmals en Mttelwet fü ene Schcht angenommen weden. Typsche Schwankungen hebe können be übe Ωm legen.

34 Senstvtätsstuden Homogene Halbaum Im Allgemenen wd de Phase übe dem Logathmus de Fequenz aufgetagen. Daduch schent de duch nduktve Kopplung bedngte Phase exponentell mt de Fequenz anzustegen Abbldung 4 oben. Tatsächlch snd de Phasenspekten n seh gute Nähung lnea Abbldung 4 unten. Des glt fü Dpol-Dpol-Anodnungen mt belebgen Wdeständen, Dpol- und Elektodenabständen. We oben ewähnt, hängt de nduktve Kopplung übe homogenen Schchten neben de Fequenz m Wesentlchen von ve Paameten ab: Schchtdcke d, spezfsche Wdestand de Schcht ρ, Elektodenabstand a und Dpollänge n. Geht man von enem homogenen Halbaum aus, so eduzet sch de Zahl de Paamete auf de.

35 Senstvtätsstuden 3 3 ρ 5 Ωm a m n 6 ρ Ωm a m n 6 ρ Ωm a 5 m n negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] ρ 5 Ωm a m n 6 ρ Ωm a m n 6 ρ Ωm a 5 m n negatve Phase [mad] Fequenz [Hz] Abbldung 4: Duch nduktve Kopplung veusachte Phasenspekten fü den homogenen Halbaum, dagestellt mt logathmsche oben und lneae Fequenzachse unten. In de Paxs fndet man n den häufgsten Fällen kenen homogenen, sonden enen geschchteten Halbaum vo. Unte gewssen Bedngungen können geschchtete Halbäume mt enem homogenen Halbaum angenähet weden. Im Folgenden soll untesucht weden, fü welche Bedngungen das glt.

36 Senstvtätsstuden 3 Be enem Zweschchtfall exsteen de Paamete: Mächtgket und Wdestand de obeen Schcht, sowe Wdestand des Halbaums. De Wdestandskontast zwschen den Schchten st besondes elevant. Zunächst betachten w den Fall ene schlecht letenden obeen und gut letenden unteen Schcht. Es wude untesucht, fü welche Schchtmächtgketen de Zweschchtfall mt enem homogenen Halbaum angenähet weden kann. Abbldung 5 zegt, dass fü ene dünne obee Schcht mt d <,5 m ene Betachtung als Halbaum des Wdestands de unteen Schcht seh gut mt de Betachtung als Zweschchtfall übeenstmmt. Das glt auch, wenn de Letfähgketskontaste zwschen den Schchten göße snd Abbldung 6. Ist de obee Schcht seh mächtg d > 25 m, so entspcht de Zweschchtfall n gute Übeenstmmung enem homogenen Halbaum des Wdestands de obeen Schcht, sofen de Letfähgketskontast ncht zu goß st Abbldung 7. Be goßen Letfähgketskontasten st de Übeenstmmung ncht zufedenstellend Abbldung ρ 5 Ωm, ρ2 Ωm d. m d.2 m d.3 m d.4 m d.5 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 5: Näheung des Zweschchtfalls duch den homogenen Halbaum be dünne obee Schcht d o,5 m. ρ und ρ 2 snd de spezfschen Wdestände de beden Schchten.

37 Senstvtätsstuden ρ 5 Ωm, ρ2 Ωm d. m d.2 m d.3 m d.4 m d.5 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 6: Näheung des Zweschchtfalls duch den homogenen Halbaum be dünne, schlecht letende obee Schcht. 35 ρ Ωm, ρ2 Ωm d 5 m d 2 m d 25 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 7: Näheung des Zweschchtfalles duch den homogenen Halbaum be dcke obee Schcht d 5 m mt mttleem spezfschen Wdestand ρ.

38 Senstvtätsstuden 33 7 ρ 5 Ωm, ρ2 Ωm d 5 m d 2 m d 25 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 8: Näheung des Zweschchtfalles duch den homogenen Halbaum be dcke, schlecht letende obee Schcht d 5 m. Ist de obee Schcht gut und de daunte legende schlecht letend, so änden sch de Bedngungen. Ene gut letfähge obee Schcht beenflusst de Kopplung auch dann noch stak, wenn se seh dünn st Abbldung 9. Est ab Schchtdcken unte cm entspcht dese Fall enem homogenen Halbaum des Wdestands de unteen Schcht. Ist se seh mächtg d > 2 m, so kann de Zweschchtfall mt enem homogenen Halbaum des Wdestands de obeen Schcht angenähet weden Abbldung 2. Das glt jedoch nu, falls de Letfähgketskontast geng st. Be hohen Kontasten kann n desem Fall en Zweschchtfall ncht mt enem homogenen Halbaum angenähet weden Abbldung 2 und Abbldung 22.

39 Senstvtätsstuden 34 4 ρ Ωm, ρ2 Ωm d. m d.2 m d.3 m d.4 m d.5 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 9: Näheung des Zweschchtfalls duch den homogenen Halbaum be dünne, gut letende obee Schcht. 25 ρ Ωm, ρ2 Ωm d 5 m d 2 m d 25 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 2: Näheung des Zweschchtfalles duch den homogenen Halbaum be dcke, gut letende obee Schcht.

40 Senstvtätsstuden 35 8 ρ Ωm, ρ2 5 Ωm d. m d.2 m d.3 m d.4 m d.5 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 2: Näheung des Zweschchtfalls duch den homogenen Halbaum be dünne, gut letende obee Schcht und goßem Letfähgketskontast. 25 ρ Ωm, ρ2 5 Ωm d 5 m d 2 m d 25 m hom. Halbaum negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 22: Näheung des Zweschchtfalles duch den homogenen Halbaum be dcke, gut letende obee Schcht und goßem Letfähgketskontast.

41 Senstvtätsstuden 36 Es zegt sch, dass ene schlecht letende obee Schcht n velen Fällen de Betachtung des Systems als homogene Halbaum zulässt, unabhängg davon, ob de Mächtgket de obeen Schcht klen ode goß st. Snd de Wdestände de beden Schchten jedoch seh unteschedlch, so empfehlt sch be goßen Schchtdcken de Betachtung als Zweschchtfall. Fü den Fall ene gut letenden obeen Schcht st de Betachtung als homogene Halbaum poblematsch. Nu be seh dünnen bzw. dcken obee Schchten und ncht zu goßen Letfähgketskontasten st das n gute Nähung möglch. Ist de Kontast de Wdestände zwschen den Schchten goß, so st ene Betachtung als homogene Halbaum ncht möglch. Im Folgenden soll de lneae Abhänggket de nduktven Kopplung von de Fequenz nähe untesucht weden. Im Glechstomfall, fndet kene nduktve Kabelkopplung statt, de Phase st glech Null. Kennt man de smulete Phase be ene höheen Fequenz, so können alle dazwschen legenden Phasen lnea ntepolet weden. Be den m ahmen dese Abet duchgefühten Messungen lag de höchste Messfequenz be khz, weshalb w dese auch als efeenzwet wählen. Smulet man de Phase fü enen homogenen Halbaum, so ehält man en exponentelles Abklngen de negatven Phase be khz mt stegenden Wdeständen Abbldung 23. Füht man als weteen Paamete den Elektodenabstand a en, so ehält man fü klene Abstände flachee und fü goße Abstände q a s stelee Kuven de Fom φ p a ρ sehe Abbldung 23, wobe p, q, und s Koeffzenten snd, de von de Dpollänge n abhängen. khz

42 Senstvtätsstuden 37 negatve Phase be khz Wdestand [Ωm] n 6 a m a 2m a 5m Abbldung 23: Abhänggket de Phase be khz φ khz von Wdestand ρ und Elektodenabstand a be feste Dpollänge n. De Paamete p, q, und s snd wedeum Funktonen de Dpollänge n. Um se zu q bestmmen, wuden de Gößen a p und a s aus Kuven we n Abbldung 23 bestmmt und hesets übe a aufgetagen Abbldung 24. Daan weden Kuven angepasst, aus denen de Paamete p und q Abbldung 24 lnks sowe und s Abbldung 24 echts bestmmt weden. Das wd fü veschedene Dpollängen n wedeholt. De enzelnen Paamete weden dann übe de Dpollänge n aufgetagen Abbldung 25. Aus wedeum daan angepassten Kuven können de Paamete als Funktonen von n abgelesen weden Glechungen q p a a [m] - a [m] a s 6 Abbldung 24: Zu Bestmmung de Paamete p, q, und s be feste Dpollänge n. He st n 6.

43 Senstvtätsstuden 38 p q n n s n n Abbldung 25: Zu Bestmmung von p, q, und s n Abhänggket von n. egbt sch: Fü Auslagen mt a n < ~4 m, we n den Feldmessungen zu dese Abet üblch, p 9,35 n q,46 n,955 ;,57 n s,9975 n,423,779,32 ; ;. 3. Fü de negatve Phase be khz φ khz n mad egbt sch folgende Zusammenhang: φ khz und φ khz ρ, a, n mad.,779,423,46 n,955 [ 9,35 ],57 n n a ρ,32 [ a,9975 n ] 3.2

44 Senstvtätsstuden 39 nach: De Phase be Fequenzen von wenge als khz φf < khz beechnet sch dann φ khz φ f f f < khz. 3.3 Hz Damt ehält man ene Abschätzung de nduktven Kopplung fü den homogenen Halbaum fü Auslagen mt a n < ~4 m. Be gößeen Auslagen wüde man mt dese Fomel zu hohe nduktve Effekte beechnen, m angegebenen Gültgketsbeech lefet se jedoch gute Egebnsse mt Abwechungen von wenge als % von den mt dem Pogamm IP3C smuleten Weten. Den stäksten Enfluss n Fomel 3.2 hat de Elektodenabstand a, gefolgt von de Dpollänge n und dem spezfschen Wdestand ρ. De Paamete a und n weden gewählt und können seh genau engestellt weden. In de Paxs gescheht das mttels enes Maßbandes entlang dessen de Elektoden n den Boden gesteckt weden. De spezfsche Wdestand ρ hngegen st ene Messgöße und somt schwege zu bestmmen. Es weden Messdaten be nedgen Fequenzen nvetet, de fe von nduktven Kopplungseffekten snd, und Tefensektonen estellt. Aus desen Tefensektonen wd de Wdestand des Untegunds abgelesen und n de Smulaton engegeben. Daduch st e mt enem deutlch gößeen Fehle behaftet als de beden andeen Paamete. 3.3 Zweschchtfall Es wude jewels mt ene Dpol-Dpol-Auslage geechnet. De Elektodenabstand a betug 2 m, de Dpolabstand 36 m n 6. De Phasenspekten wuden fü fünf Fequenzen zwschen, Hz und khz beechnet. In Abbldung 26 snd de Phasenspekten fü enen Untegund bestehend aus ene obeen Schcht mt enem spezfschen Wdestand von Ωm und enem Halbaum mt enem spezfschen Wdestand von Ωm dagestellt. De Mächtgket de esten Schcht vaet dabe zwschen 2 m und 5 m. Man ekennt, dass de Kuven bs etwa 4 Hz nahezu übeenstmmen. He spelt de nduktve Kopplung kene olle. Est fü gößee Fequenzen laufen de Kuven ausenande.

45 Senstvtätsstuden 4 Be khz füht en Fehle n de Schchtmächtgket von 5 % zu enem Fehle von etwa 25 % n de Phase, veusacht duch nduktve Kopplung. In Abbldung 27 st de Abhänggket de Phasenwete vom Wdestand de esten Schcht dagestellt. De Schchtmächtgket betägt dabe 2 m, de Wdestand des daunte legenden Halbaums Ωm. Es wuden de Phasenspekten fü ve Wdestände beechnet. Es kommt dabe zu staken nduktven Kopplungseffekten, wenn de Wdestand de obeen Schcht seh vel klene st, als jene de unteen Schcht. Betägt de Wdestand de obeen Schcht % des Wdestands des Halbaums, so st de Phase be khz etwa zehnmal höhe als bem Enschchtfall vgl. volette Kuve mt dunkelblaue Kuve n Abbldung 27. Legt de Wdestand de obeen Schcht übe dem des Halbaums, so snd de Effekte deutlch genge. He veusacht en zehnfach gößee Wdestand ene Veändeung de Phase um %. Das System eaget m Allgemenen sensble auf Vaatonen n den Paameten, je göße de Letfähgketskontaste snd. 9 8 ρ Ωm, ρ2 Ωm 7 d 2 m 6 d 2.5 m 5 d 3 m 4 d 5 m 3 2. Fequenz [Hz] negatve Phase [mad] Abbldung 26: Zweschchtfall: Senstvtät bzgl. de Mächtgket de esten Schcht.

46 Senstvtätsstuden 4 35 d 2 m, ρ2 Ωm ρ Ωm ρ 2 Ωm ρ 3 Ωm ρ Ωm ρ Ωm ρ Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 27: Zweschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de esten Schcht. De Enfluss des Wdestandes de zweten Schcht auf de Kopplung st n Abbldung 28 gezegt. De este Schcht hat ene Dcke von 2 m und enen spezfschen Wdestand von Ωm. Aufgund de gut letenden obeen Schcht kommt es zu goßen nduktven Kopplungseffekten, besondes, wenn auch de Halbaum gut letend st. In desem Fall ekennt man auch lechte Abwechungen vom lneaen Velauf de Spekten Abbldung 28, dunkelblaue Kuve be Hz. De lneae Velauf eschent duch de halblogathmsche Dastellung exponentell anstegend. Ab enem Wdestand de unteen Schcht von etwa 5 Ωm ändet sch de Phase ncht meh sgnfkant. Hat de obee Schcht enen Wdestand von 5 Ωm, so snd de nduktven Effekte klene, jedoch nmmt de Fequenz-Senstvtät zu Abbldung 29. Das legt an dem gößeen Letfähgketskontast zwschen schlecht letende obee und gut letende untee Schcht. Ist de untee Schcht ebenfalls schlecht letend güne, hellblaue und volette Kuven, de Kontast zu obeen Schcht also klen, so snd de Effekte auf de Phase venachlässgba. In Abbldung 3 st de Wdestand de obeen Schcht Ωm. Man ekennt m Veglech zum vogen Bespel kene wetee sgnfkante Ändeung des Phasenspektums.

47 Senstvtätsstuden d 2 m, ρ Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm ρ2 5 Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 28: Zweschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de zweten Schcht be gut letende este Schcht. 8 d 2 m, ρ 5 Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm ρ2 5 Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 29: Zweschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de zweten Schcht be schlecht letende este Schcht.

48 Senstvtätsstuden 43 8 d 2 m, ρ Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm ρ2 5 Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 3: Zweschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de zweten Schcht be seh schlecht letende obee Schcht. Entschedend fü de Kopplung be enem Untegund mt zwe Schchten snd somt de Letfähgketskontaste. Snd dese goß, eaget de Phase empfndlch auf Abwechungen m Wdestand de Schchten. 3.4 Deschchtfall De an de WTH Aachen genutzte SIP-Anlage SIP256C bestzt 2 Moblstatonen, zwschen denen sch jewels Kabel von m Länge befnden. De maxmale Auslagenwete betägt damt 2 m. Das bedeutet, man kann den Untegund bs zu Tefen von etwa 5 m ekunden. Dabe ekennt man oft meh als nu zwe Schchten. Be den m ahmen dese Abet duchgefühten Messungen, de Tefen zwschen 2 m und m ekunden, handelte es sch oft um de Schchten, weshalb he spezell auf desen Fall engegangen weden soll. In Abbldung 3 st ene Spektenscha fü enen Deschchtfall dagestellt. De Schchtmächtgketen betagen jewels 2 m, de spezfschen Wdestände de obeen und unteen Schcht Ωm. De spezfsche Wdestand de mttleen Schcht vaet schttwese von Ωm bs Ωm Quas-Enschchtfall. De nduktven Effekte weden von de schlecht letenden obeen Schcht gedämpft und snd vehältnsmäßg klen. Be

49 Senstvtätsstuden 44 staken Letfähgketskontasten zwschen den Schchten, eaget de Phase empfndlch auf Ändeungen des Wdestands Abbldung 3, ote und dunkelblaue Kuve. De Phase ändet sch zwschen spezfschen Wdeständen von Ωm und Ωm etwa um das Fünffache. Ist de zwete Schcht schlecht letend ρ > ~5 Ωm, de Kontast zu esten Schcht also klen, so eaget de Phase ncht meh sgnfkant auf Ändeungen des Wdestands. Ist de obee Schcht gut letend Abbldung 32, so teten deutlch stäkee nduktve Kopplungseffekte auf. De obeen und unteen Schcht wude en Wdestand von Ωm zugeodnet. De Wdestand de mttleen Schcht vaet schttwese von Ωm bs Ωm. Wede zegt sch, dass hauptsächlch de Letfähgketskontaste de Senstvtät de Phase beenflussen. He ändet sch de Phase bem Spung von Ωm auf Ωm genge Kontast zu obeen Schcht nu um etwa das Doppelte, bem Übegang von 5 Ωm zu Ωm stake Kontast st m Gegensatz zum vohegen Bespel abe mme noch en deutlche Untesched zu ekennen: Es kommt zu ene Abnahme de Phase von etwa 2 %. De Letfähgket de obeen Schcht beenflusst also den Absolutwet de Phase, de Letfähgketskontast zu daunte legenden deen Senstvtät auf Wdestandsändeungen. 35 Schchtmächtgketen: 2 m Wdestände de esten und dtten Schcht: Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm ρ2 5 Ωm ρ2 Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 3: Deschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de mttleen Schcht be schlecht letende Deckschcht und Bass.

50 Senstvtätsstuden 45 6 Schchtmächtgketen: 2 m Wdestände de esten und dtten Schcht: Ωm ρ2 Ωm ρ2 Ωm ρ2 5 Ωm ρ2 Ωm negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 32: Deschchtfall: Senstvtät bzgl. des Wdestands de mttleen Schcht be gut letende Deckschcht und Bass. In Abbldung 33, Abbldung 34 und Abbldung 35 wd de Senstvtät de Phase bezüglch de Schchtmächtgketen dagestellt. De de Bespele untescheden sch dabe nu n den spezfschen Wdeständen de obeen und unteen Schcht Ωm, 5 Ωm und Ωm. De mttlee Schcht hat jewels enen spezfschen Wdestand von Ωm. Zunächst fällt auf, dass de nduktven Kopplungseffekte auf de Phase m gut letenden Untegund göße snd als m wenge gut letenden. Änden sch de spezfschen Wdestände de obeen und unteen Schcht von Ωm auf 5 Ωm, so st de Abnahme de Phase um etwa 3 % deutlch göße als be ene weteen Ehöhung de spezfschen Wdestände von 5 Ωm auf Ωm etwa 6 %. Betachtet man den Enfluss de Mächtgket de mttleen, gut letenden Schcht auf de nduktve Kopplung, so ekennt man ene Zunahme mt wachsenden Letfähgketskontasten. Wähend n Abbldung 33 de Phase um etwa 36 % klene wd, wenn de Schchtmächtgket von 3 m auf m abnmmt, so venget se sch n Abbldung 34 um etwa 55 % und n Abbldung 35 soga um etwa 59 %.

51 Senstvtätsstuden 46 ρ Ωm ρ2 Ωm ρ3 Ωm d und d3 2 m d2. m d2.5 m d2 2. m d2 2.5 m d2 3. m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 33: Deschchtfall: Senstvtät bzgl. de Mächtgket de zweten Schcht fü ene gut letende Deckschcht und Bass. 8 ρ 5 Ωm ρ2 Ωm ρ3 5 Ωm d und d3 2 m d2. m d2.5 m d2 2. m d2 2.5 m d2 3. m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 34: Deschchtfall: Senstvtät bzgl. de Mächtgket de zweten Schcht fü ene schlecht letende Deckschcht und Bass.

52 Senstvtätsstuden 47 8 ρ Ωm ρ2 Ωm ρ3 Ωm d und d3 2 m d2. m d2.5 m d2 2. m d2 2.5 m d2 3. m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 35: Deschchtfall: Senstvtät bzgl. de Mächtgket de zweten Schcht fü ene seh schlecht letende Deckschcht und Bass. Ändeungen de Schchtmächtgket haben enen umso gößeen Enfluss auf de Phase, je göße de Letfähgketskontast zwschen den enzelnen Schchten st. Ebenso eaget de Kopplung senstv bem Übegang von enem nsgesamt gut letenden Untegund Abbldung 33 zu enem nsgesamt schlecht letenden Untegund Abbldung 34, wähend es danach be wetee Veschlechteung de Letfähgket nahezu stabl st. 3.5 Enfluss von Kabelanodnung und -länge Bshe wude de Senstvtät de Phase bezüglch de Untegundegenschaften we Schchtdcke und Wdestand, sowe de Auslagenkonfguaton we Elektoden- und Dpolabstand untesucht. Dabe wuden de Kabel selbst venachlässgt. Im Folgenden soll untesucht weden, we sch Maßnahmen auf de Phase auswken, de dekt de Kabel beteffen. De Kabel snd Bestandtel de SIP-256C Anlage und haben ene feste Länge, de ncht vaet weden kann. Dennoch wude untesucht, ob de Kabellänge enen sgnfkanten Enfluss auf de nduktve Kopplung hat.

53 Senstvtätsstuden 48 De feste Kabellänge hat außedem zu Folge, dass de Kabel n de egel ncht lnea zwschen den Elektoden velaufen, sonden abhängg vom Elektodenabstand ene gewsse othogonale Anodnung zu Auslagenchtung aufwesen. Aus desem Gund wude untesucht, ob de Fom de Kabelanodnung enen Enfluss auf de Kopplung hat. Abbldung 36 zegt den Enfluss de Kabellänge auf de Phase fü enen zweschchtgen Untegund mt ene Mächtgket de esten Schcht von 2 m und enem spezfschen Wdestand von Ωm. De daunte legende Halbaum hat enen spezfschen Wdestand von Ωm. Man ekennt, dass selbst be hohen Fequenzen, de Kuven nahezu dentsch velaufen, selbst wenn de Kabellänge sch von 5 m auf 2 m vevefacht. Est be extemen Längenändeungen m, hellblaue Kuve macht sch de Enfluss bemekba, alledngs auch dann seh schwach. Deat lange Kabel snd n de Paxs nu dann snnvoll, wenn auch de Auslage selbst seh goß st. Dann abe haben de goßen Elektoden- und Dpolabstände enen so staken Effekt auf de nduktve Kopplung, dass de Enfluss de Kabellänge venachlässgt weden kann. Das n Abbldung 37 dagestellte Bespel hat m Wesentlchen de gleche Aussage. Dabe st de obee, 2 m dcke Schcht mt enem spezfschen Wdestand von 5 Ωm schlecht letend, wähend de daunte legende Halbaum mt enem spezfschen Wdestand von Ωm gut letend st. Selbst be so kontasteenden Schchten st de Enfluss de Kabellänge magnal. Est be seh goßen Kabellängen ttt übehaupt en Effekt auf, de abe wedeum so geng st, dass e von den Effekten, de Elektoden- und Dpolabstand haben, übelaget wüde. Allgemen st de Länge de vewendeten Kabel also ncht wchtg fü de Kopplungseffekte.

54 Senstvtätsstuden 49 6 d 2 m ρ Ωm ρ2 Ωm Kabellänge: 5 m Kabellänge: m Kabellänge: 2 m Kabellänge: m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 36: Enfluss de Kabellänge auf de nduktve Kopplung be gut letende Deckschcht und schlechte letende Bass n enem Zweschchtfall. 8 d 2 m ρ 5 Ωm ρ2 Ωm Kabellänge: 5 m Kabellänge: m Kabellänge: 2 m Kabellänge: m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 37: Enfluss de Kabellänge auf de nduktve Kopplung be schlecht letende Deckschcht und gut letende Bass n enem Zweschchtfall.

55 Senstvtätsstuden 5 Es stellt sch nun de Fage, nwewet de Kabelanodnung ene olle be de nduktven Kopplung spelt. De Untesuchungen dazu wuden hnschtlch de ealen Kabellänge de SIP256C Anlage be ene konstanten Kabellänge von m duchgefüht. Es wuden de n Abbldung 38 dagestellten ve Anodnungen untesucht und gegenübegestellt. Dabe wuden de glechen Untegundmodelle vewendet we be de Untesuchung des Enflusses de Kabellänge. De n Abbldung 39 und Abbldung 4 dagestellten Egebnsse zegen kenen Effekt de Kabelanodnung auf de nduktve Kopplung. Es spelt also kene olle, we de Kabel zwschen den Elektoden angeodnet weden. Geomete Geomete 2 5 m 5 m 4 m 4 m 2 m 2 m Geomete 3 Geomete 4 2 m m 2 m 2 m 2 m Abbldung 38: De ve Geometen de untesuchten Kabelanodnungen. De Kese bezechnen jewels de Elektoden.

56 Senstvtätsstuden 5 6 d 2 m ρ Ωm ρ2 Ωm Geomete Geomete 2 Geomete 3 Geomete negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 39: Enfluss de Kabelanodnung auf de nduktve Kopplung be gut letende Deckschcht und schlechte letende Bass n enem Zweschchtfall. 8 d 2 m ρ 5 Ωm ρ2 Ωm Geomete Geomete 2 Geomete 3 Geomete negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 4: Enfluss de Kabelanodnung auf de nduktve Kopplung be schlecht letende Deckschcht und gut letende Bass n enem Zweschchtfall.

57 Senstvtätsstuden Zusammenfassung de Senstvtätsstuden In Senstvtätsstuden wude de Enfluss veschedene Paamete auf de nduktve Kopplung untesucht. Dabe konnte gezegt weden, dass Kabelanodnung und -länge kenen sgnfkanten Enfluss haben. Be Mehschchtfällen üben Elektodenabstand und Dpollänge de vewendeten Auslage den gößten Enfluss aus. Bede Paamete snd n de Paxs jedoch seh genau enstellba. Andes vehält es sch be den Untegundegenschaften, de aus Tefensektonen abgelesen weden müssen. Es wude gezegt, n welche Wese Schchtmächtgket und spezfsche Wdestand de Schchten de nduktve Kopplung beenflussen. Besondes be goßen Kontasten snd de veusachten Effekte seh stak. Je homogene sch de Untegund gestaltet, desto genge wkt sch de nduktve Kopplung aus. Fene wuden Untesuchungen fü den homogenen Halbaum angestellt. Dabe wude spezell de lneae Zusammenhang de duch nduktve Kopplung veusachten Phasenveschebung und de Fequenz untesucht. Daaus konnte ene enfache Fomel zu Abschätzung de nduktven Kopplung übe homogenem Halbaum abgeletet weden. In Paametestuden wude zudem untesucht, n welchen Fällen en Mehschchtfall genähet als homogene Halbaum betachtet weden kann.

58 Feldmessungen 53 4 Feldmessungen 4. Motvaton In desem Kaptel weden de Egebnsse von Feldmessungen vogestellt. Deen Zel wa zum enen de Übepüfung de mt dem Pogamm IP3C duchgefühten Senstvtätsstuden, zum andeen de Koektu de gemessenen Daten. Aus den kogeten Daten sollen dann Tefensektonen estellt weden, de von nduktven Kopplungseffekten wetestgehend befet snd. De m ahmen dese Abet duchgefühten Messkampagnen fanden n de veschedenen Gebeten statt: Dem Baunkohletagebau Inden und dem Testgelände Kauthausen, de sch bede n de Nähe von Jülch befnden und enem Testgelände be Kall n de nödlchen Efel. Neben den duchgefühten SIP-Messungen wude ene ehe von Expementen duchgefüht, um den Enfluss veschedene Paamete auf de nduktve Kabelkopplung zu untesuchen. Be allen duchgefühten Messungen wuden Dpol-Dpol-Auslagen vewendet. In Abbldung 4 st de Geomete de Anlage SIP256C skzzet. Bassstaton Moblstatonen Elektoden Abbldung 4: Skzze de vewendeten Auslage. De Quadate stellen de Bass- bzw. Moblstatonen da, de Kese de Elektoden. 4.2 Enfluss de Kabelanodnung De Senstvtätsstuden mt dem Pogamm IP3C haben gezegt, dass de Fom des Velaufs de Kabel zwschen den Elektoden kenen Enfluss auf de nduktve Kopplung hat.

59 Feldmessungen 54 De expementelle Übepüfung deses Egebnsses wude n zwe Feldmessungen ebacht. Dazu wude m Baunkohletagebau Inden untesucht, ob de Anodnung de auf dem Boden legenden Kabel enen Enfluss auf de Messungen hat. Im Messgebet Kall wude zudem untesucht, ob es enen Enfluss hat, wenn de Kabel wähend de Messung kenen Kontakt zum Boden haben. Be de Messung n Inden am 7. Apl 27 wude en Elektodenabstand von a 2 m gewählt, so dass de Gesamtauslage ene Länge von 4 m hatte. Es wude übe en Fequenzspektum von 25 mhz bs khz gemessen. We ewatet teten ab etwa 4 Hz deutlche Kopplungseffekte n den Daten auf Abbldung 42. Potentalelektoden: 4 und 5 Kabel belebg Stomelektoden: und 2 Stomelektoden: 3 und 4 Stomelektoden: 5 und negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 42: De Phasenspekten de Messung n Inden m Veglech. Es wuden zwe Messehen duchgefüht. In de esten wuden de Kabel zwschen den Elektoden wetestgehend aufgeollt gelassen Geomete 4 n Abbldung 38, wähend se fü de zwete Messehe senkecht von de Auslagenchtung weg n ene Deecksfom ausgelegt wuden Geomete n Abbldung 38. De Egebnsse snd n Abbldung 43 dagestellt. Man ekennt kenen sgnfkanten Untesched m Kuvenvelauf, wede fü klene Fequenzen, be denen kene nduktve Kopplung aufttt, noch be gößeen Fequenzen, wo deutlche Kopplungseffekte de Spekten übelagen.

60 Feldmessungen 55 aufgeollte Kabel deeckge Kabelanodnung aufgeollte Kabel deeckge Kabelanodnung n 2 n negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 43: Inden: Phasenspekten zu Untesuchung des Enflusses de Kabelanodnung. Abbldung 44 zegt das gleche Egebns fü andee Dpolabstände n a. aufgeollte Kabel deeckge Kabelanodnung aufgeollte Kabel deeckge Kabelanodnung n n negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 44: Inden: Phasenspekten zu Untesuchung des Enflusses des Kabelanodnung.

61 Feldmessungen 56 De hozontale Auschtung de Kabel hat be Dpol-Dpol-Auslagen offenba kenen sgnfkanten Effekt auf de nduktve Kopplung. Das bestätgt de Senstvtätsstuden bzgl. deses Paametes. Es muss be Feldmessungen also ncht daauf geachtet weden, we de Kabel angeodnet snd. Daaufhn wude untesucht, ob es enen Enfluss auf de nduktve Kopplung hat, wenn de Kabel kenen dekten Kontakt zum Boden haben. Außedem dente des dem Zweck zu untesuchen, ob de kapaztve Kopplung enen Enfluss hat. Dazu wuden zwe Messungen m Testgebet Kall am 5. Ma 27 duchgefüht. Es wude en Elektodenabstand von a,5 m gewählt und be 2 veschedenen Fequenzen zwschen 25 mhz und khz gemessen. De Gesamtauslage wa m. Be de esten Messehe lagen de Kabel wetestgehend aufgeollt auf dem Boden. Be de zweten Messehe wuden se an,8 m hohen Plastkspeßen aufgehängt, sodass se kenen dekten Kontakt zum Boden hatten Abbldung 45. Dese Fall kann mt dem Pogamm IP3C ncht smulet weden und wude deshalb ledglch n de Feldmessung untesucht. Abbldung 46 zegt de be den unteschedlchen Kabelanodnungen aufgenommenen Fequenzspekten. Es snd auch n desem Fall kene wesentlchen Unteschede zwschen den beden Messehen ekennba, wede be nedgen Fequenzen, noch m höheen Fequenzbeech. Abbldung 45: Kabelgeomete n Kall.

62 Feldmessungen 57 Kabel aufgeollt Kabel aufgehängt Kabel aufgeollt Kabel aufgehängt -2. Fequenz [Hz] n 7 n negatve Phase [mad] Abbldung 46: Kall: Veglech de Spekten be auf dem Boden legenden und aufgehängten Kabeln. In Abbldung 47 snd Spekten andee Dpolabstände dagestellt. De Kuven velaufen jewels wedeum nahezu dentsch. 3 n Kabel aufgeollt -5 Kabel aufgehängt n -6 Kabel aufgeollt Kabel aufgehängt Fequenz [Hz] negatve Phase [mad] Abbldung 47: Kall: Veglech de Spekten be auf dem Boden legenden und aufgehängten Kabeln.

63 Feldmessungen 58 De nduktve Kopplung kann also duch das Aufhängen de Kabel ncht eduzet weden. Es kann be Feldmessungen also auf aufwändge Kabelanodnungen vezchtet weden. Auch de kapaztve Kopplung beenflusst de Messwete he ncht. Im Zusammenhang mt dese Messehe st auch de Betachtung de kapaztven Kopplung nteessant. De Untesched zwschen den beden Messanodnungen st ene,8 m dcke Luftschcht, de seh schlecht letend st und enen goßen Übegangswdestand dastellt. Somt sollte m Veglech zu den auf dem Boden legenden Kabeln deutlch wenge Stom n den Untegund abfleßen. Dennoch snd de Spekten fü bede Anodnungen nahezu dentsch. Offenba st somt de Enfluss de kapaztven Kopplung fü SIP- Messungen n desem Fequenzbeech venachlässgba. 4.3 Enfluss de Kabellänge De Smulatonen mt dem Pogamm IP3C haben gezegt, dass de Kabellänge kene sgnfkanten Effekte auf de Phase hat. Ene Übepüfung deses Egebnsses n de Paxs wude be ene Messung auf dem Testgelände Kauthausen am 6. Novembe 27 angestebt. Be de Messappaatu SIP256C snd de Kabel fest nstallet und haben zwschen den Moblstatonen ene Länge von jewels m. Zu Untesuchung de Effekte ene Ändeung de Kabellänge wuden deshalb Velängeungskabel vewendet, mt denen de Länge auf 2 m vegößet weden konnte. Be de Messung betug de Abstand zwschen den Elektoden 2 m. Gemessen wude be Fequenzen zwschen,25 Hz und khz. In Abbldung 48 snd Phasenspekten dee veschedene Dpolabstände dagestellt. Se wuden enmal be de geätespezfschen Kabellänge von m aufgenommen duchgezogene Kuven, enmal be de doppelten Kabellänge von 2 m gestchelte Kuven. Man ekennt fü kenen de de Dpolabstände eheblche Abwechungen aufgund de unteschedlchen Kabellänge. Damt kann en Enfluss auch dese Göße auf de nduktve Kopplung ausgeschlossen weden.

64 Feldmessungen 59 n n 2 n 5 Stomelektoden: und 2 Duchgezogene Kuven: m Kabel Gestchelte Kuven: 2 m Kabel negatve Phase [mad] -4 Fequenz [Hz] Abbldung 48: Kauthausen: Phasenspekten zu Untesuchung des Enflusses de Kabellänge. 4.4 Enfluss des Dpolabstands Aufgund de Spezfkatonen de SIP256C Anlage wd be jede Messung übe veschedene Dpolabstände gemessen. Aus den Senstvtätsstuden geht hevo, dass dese Paamete enen staken Enfluss auf de nduktve Kopplung hat. Zu Bestätgung dese theoetschen Egebnsse sollen n desem Kaptel de Feldmessungen n Inden am 7. Apl 27 und n Kauthausen am 23. August 27 betachtet weden. In Inden betug de Elektodenabstand 2 m, n Kauthausen,5 m. Damt vaete de Dpolabstand n de esten Messung zwschen 2 m und 36 m, n de zweten zwschen,5 m und 5 m. In Abbldung 49 snd de n Inden aufgenommenen Phasenspekten fü de veschedene Dpolabstände gezegt. De Stom wude übe de sebte und achte Elektode n den Boden engespest. De dagestellten Spekten snd be Dpolabständen von 4 m, 2 m und 2 m aufgenommen woden. Man ekennt, we mt wachsendem Dpolabstand de negatve Phase zunmmt. Im nedefequenten Beech velaufen de Kuven de Dpolabstände 2 m und 2 m ote und güne Kuven nahezu dentsch. De Kuve des Dpolabstands 4 m blaue Kuve legt be,25 Hz etwa 3 mad unte den beden andeen und veläuft est ab etwa 5 Hz auf glechem Nveau. De nduktve Kopplung setzt be etwa 4 Hz

65 Feldmessungen 6 en und füht zu enem stäkeen Anstegen de negatven Phase, je göße de Dpolabstand st. Das Ausenandelaufen de blauen Kuve m nedefequenten Beech kann ncht auf Kopplung zuückgefüht weden. Offenba hat de spezfsche Wdestand des Gestens n de desem Dpolabstand entspechenden Tefe von etwa m ene andee Phase als das tefe legende. De gestchelten Spekten snd de Smulatonen de nduktven Kopplung fü de entspechenden Dpolabstände. Dabe wude ausschleßlch de duch nduktve Kopplung hevogeufene Antel de Phase smulet, ncht de duch den IP-Effekt hevogeufene. Das füht zu de Abwechung de smuleten von den gemessenen Phasen. Damt wd gewählestet, dass mt dem Abzug de smuleten Phase von den Messweten ncht auch de Antel des IP-Effektes veschwndet. De Enfluss des Dpolabstands auf de nduktve Kopplung n den Smulatonen entspcht n gute Näheung dem Velauf de gemessenen Spekten be hohen Fequenzen. Stomelektoden: 7 und 8 n 2 n 6 n n 2 smulet n 6 smulet n smulet negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 49: Inden: gemessene und smulete Spekten be veschedenen Dpolabständen. De Egebnsse de Messung n Kauthausen Abbldung 5 zegen ebenfalls de Abhänggket de nduktven Kopplung vom Dpolabstand, de he 3 m, 9 m und 5 m betug. Im nedefequenten Beech seht man wetgehend konstante Phasen. De nduktve Kopplung setzt ab etwa 6 Hz en und übelaget de Spekten. Das be enem Dpolabstand von 9 m aufgenommene Spektum legt m nedefequenten Beech stets untehalb de

66 Feldmessungen 6 andeen beden Spekten. Es schent he ene Schcht gengee Phase aufzuwesen, de zwschen zwe Schchten mt gößeen Phasen engebettet st. Obehalb von etwa 45 Hz wesen de Kuven de beden gößeen Dpolabstände ote und güne Kuven zunächst ene stake Zunahme de Phase auf, de dann be höheen Fequenzen wede etwas zuückgeht. Im Spektum des gengsten Dpolabstands st dese Knck wenge stak ausgebldet, abe dennoch zu ekennen. De gestchelten Kuven wesen wede auf de Smulatonen de entspechenden Phasenspekten hn. De Velauf de gemessenen Spekten wd gut epoduzet, mt Ausnahme des Kncks m Phasenvelauf zwschen 45 Hz und khz. Stomelektoden: 7 und 8 n 2 n 6 n n 2 smulet n 6 smulet n smulet negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 5: Kauthausen: gemessene und smulete Spekten be veschedenen Dpolabständen. 4.5 Tefensektonen Zel von SIP-Messungen st de Sondeung des Untegunds, um Aussagen übe Gestensegenschaften und Untegundbeschaffenhet zu teffen. Aus desem Gund weden de gemessenen Daten nvetet und de Egebnsse fü jede Fequenz n Tefensektonen dagestellt. Dan weden de Beeche homogene Wdestands- und Phasenvetelung m Untegund ene bestmmten Tefe und enem bestmmten Beech entlang des Pofls zuodnet.

67 Feldmessungen 62 In desem Kaptel weden de m ahmen dese Abet ehobenen Felddaten nvetet und n Tefensektonen dagestellt. Im nächsten Schtt wd de Vesuch untenommen de nduktven Kopplungseffekte aus den Felddaten heauszuechnen, dese kogeten Daten zu nveteen und kogete Tefensektonen zu estellen. Dazu müssen von allen Felddaten de smuleten nduktven Kopplungseffekte abgezogen weden. Das gescheht aufgund de zum Tel seh goßen Datensätze mttels enes Matlab-Pogamms, das zu desem Zweck gescheben wude. Als Ausgabe ehält man enen kogeten Datensatz, de nvetet weden kann. Fü de Inveson wd das Pogamm ES2DINV [Geotomo Softwae, 24] genutzt, das fü jede Fequenz ene Tefensekton ausgbt. Dese kogeten Tefensektonen weden mt den unkogeten veglchen, wobe besondes de duch Kopplung beenflussten Sektonen be hohen Fequenzen von Inteesse snd. De kogeten und unkogeten Tefensektonen be nedgeen Fequenzen sollten sch ncht untescheden, da n den Daten kene sgnfkanten nduktven Kopplungseffekte aufteten. In Abbldung 5 snd solche Tefensektonen be nedgen Fequenzen fü das Messgebet Inden dagestellt, anhand dee de Untegundstuktu zu Smulaton mt dem Pogamm IP3C abgelesen weden kann. Man ekennt de veschedene Wdestandsbeeche. Es gbt ene obee gut letende Schcht von etwa 2,5 m Dcke, deen Wdestand fü de Smulaton mt 2 Ωm angenommen wude. Daunte schleßt sch ene etwa 4 m mächtge Schcht höhee Wdestände an. Fü de Smulaton wude fü desen Beech en homogene Wdestand von 2 Ωm angenommen. Untehalb dese Schcht befndet sch en Beech höhee Letfähgketen. De Wdestand wude mt 5 Ωm gemttelt. Mt desen Infomatonen wude unte Beückschtgung de Messgeomete de Smulaton mt dem Pogamm IP3C duchgefüht. In de Tefensekton de Phase ekennt man ene wetgehend homogene Vetelung mt ene Tendenz zu wachsenden negatven Phasenweten be göße wedenden Tefen, we auch schon aus den n Abbldung 49 dagestellten Phasenspekten gedeutet wude.

68 Feldmessungen 63 Pofl [m] Tefe [m] Wdestand [ Ωm] Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 5: Inden: unkogete Tefensektonen fü Wdestand oben und Phase unten be Hz. Abbldung 52 zegt de Koektu de n Abbldung 49 dagestellten Phasenspekten. Im nedefequenten Beech st de Koektu uneheblch, est ab etwa 4 Hz dämpft se den Ansteg de negatven Phase. Man ekennt mme noch de geneell wachsende Tendenz, jedoch legt se jetzt m ahmen de Stegung, de de Kuven m nedefequenten Beech aufwesen.

69 Feldmessungen 64 Stomelektoden: 7 und 8 n 2 n 6 n negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 52: Inden: kogete Phasenspekten vgl. Abbldung 49. De n Kauthausen aufgenommenen Daten wuden zu n Abbldung 53 dagestellten Tefensekton nvetet. Es legt offenba en Deschchtfall mt ene schlecht letenden mttleen Schcht vo, de von zwe besse letenden engeschlossen wd. De Wdestand de etwa m dcken obeen Schcht wude mt 25 Ωm abgelesen, de de unteen mt 9 Ωm. De schlecht letende mttlee Schcht hat ene Dcke von etwa 3,5 m und enen mttleen Wdestand von etwa 2 Ωm. Unte Beückschtgung de Messgeomete n Kauthausen wude de Kopplung mt desen Untegundnfomatonen smulet.

70 Feldmessungen 65 Pofl [m] Tefe [m] Wdestand [ Ω m] Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 53: Kauthausen: unkogete Tefensektonen fü Wdestand oben und Phase unten be Hz. In Abbldung 54 snd de Spekten aus Abbldung 5 koget dagestellt. De Koektu st ab etwa 8 Hz sgnfkant. De negatve Phase stegt hn zu hohen Fequenzen ncht meh so stak an. De Knck be etwa 45 Hz st mme noch n allen de Kuven ekennba. E geht offenba auf schlechte Datenqualtät be dese Fequenz zuück.

71 Feldmessungen 66 Stomelektoden: 7 und 8 n 2 n 6 n negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 54: Kauthausen: kogete Phasenspekten vgl. Abbldung 5. Hnschtlch de Fülle von Daten wude sch he auf de Päsentaton zwee Bespele beschänkt. Tatsächlch wuden de Smulatonen zu Koektu alle aufgenommenen Spekten vewendet. Dese kogeten Daten wuden dann nvetet und fühten zu de n Abbldung 55 dagestellten kogeten Tefensekton be khz n Inden. Zum Veglech st n Abbldung 56 de unkogete Tefensekton be khz dagestellt. Dan snd vele Beeche ehöhte Phasen zu sehen, de besondes m hnteen Tel de Auslage zum Tel seh stak zunehmen. Betachtet man de kogete Tefensekton, so zegt sch en seh vel homogenee Untegund. De Phasenwete snd deutlch genge und legen wetgehend untehalb von -6 mad. Zu ene Phasenehöhung kommt es ab ene Auslagenwete von etwa 24 m n ene Tefe von etwa 2,5 m. De Veglech mt de Tefensekton be Hz Abbldung 5 zegt, dass de Ansteg n dese egon auch m nedefequenten Beech zu ekennen st, wenn auch wenge stak ausgepägt. Enen weteen Beech hohe Phasenwete ekennt man am Anfang de Auslage zwschen 2,5 m und 5 m. Dot seht man n de Tefensekton de kleneen Fequenz kene ehöhten Wete. Allgemen st be de Deutung de Tefensektonen daauf zu achten, dass de Datendchte m Beech de ände de Auslage geng st. Oft echen n dem Beech wenge fehlehafte Datenpunkte um n de Inveteung als Anomalen dagestellt zu weden. Es st dahe atsam de kogeten Tefensektonen nu m Zusammenhang mt den dazugehögen

72 Feldmessungen 67 unkogeten Tefensektonen, als auch mt Tefensektonen m nedefequenten Beech zu betachten. De Wdestandstefensektonen zegen kene sgnfkanten Fehle aufgund nduktve Kopplung. Se snd übe das gesamte vewendete Fequenzband hnweg nahezu konstant. Pofl [m] Tefe [m] Wdestand [ Ωm] Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 55: Inden: kogete Tefensektonen fü Wdestand oben und Phase unten be khz.

73 Feldmessungen 68 Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 56: Inden: unkogete Tefensekton de Phase be khz. Fü de n Kauthausen gemessenen Daten wude ebenso vefahen. De kogete Tefensekton fü khz st n Abbldung 57 dagestellt. Abbldung 58 zegt m Veglech dazu de unkogete Tefensekton, n de ene Velzahl von Beechen stak ehöhte Phasenwete zu ekennen st. In de kogeten Tefensekton stellt sch de Untegund wenge heteogen da. Es gbt Beeche lechte Phasenehöhungen be 6 m und m entlang des Pofls, sowe enen Beech goße Phasenwete zwschen 6 m und 2 m, de sch n ene Tefe zwschen m und 5 m befndet. Zusätzlch zegt sch auch he en klene Beech hohe Phase am Anfang des Pofls. Dabe handelt es sch um den Beech genge Datendchte, was nahe legt, dese Anomale zu gnoeen. Inteessant be de Betachtung de Tefensekton st de goße Anomale, de zwschen 6 m und 2 m entlang des Pofls angezegt wd. Dot eecht de Phase Wete bs zu -3 mad, wähend se n de Umgebung unte -6 mad legen. In dem glechen Beech n de Tefensekton des spezfschen Wdestands ekennt man ene schlecht letende Stuktu mt Weten bs etwa 3 Ωm. De Veglech de beden Tefensektonen lässt also daauf schleßen, dass sch an dese Stelle en Atefakt befndet.

74 Feldmessungen 69 Pofl [m] Tefe [m] Wdestand [ Ωm] Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 57: Kauthausen: kogete Tefensektonen fü Wdestand oben und Phase unten be khz.

75 Feldmessungen 7 Pofl [m] Tefe [m] negatve Phase [mad] Abbldung 58: Kauthausen: unkogete Tefensekton de Phase be khz. In Abbldung 59 snd de Phasenspekten dagestellt, de n veschedenen Tefen be gleche lateale Poflkoodnate aufgenommen wuden Abbldung 6. Dabe handelt es sch um de nveteten Daten, de aus den Tefensektonen de Phase be allen vewendeten Fequenzen gewonnen wuden. Dese Spekten geben Aufschluss übe das spektale Vehalten des Gestens an den jewelgen Punkten m Untegund und können ene weteen geologschen Intepetaton denen. z -,28 m z -2,55 m z -4,6 m x 4,3 m negatve Phase [mad]. Fequenz [Hz] Abbldung 59: Phasenspekten fü de veschedene Tefen z am Punkt x 4,3 m entlang de Auslage.