Original paper

Geostatistische Analyse von Georadar-Reflexionsmustern und Vergleich mit Korrelationsmustern hydraulischer Eigenschaften in Abraumkippen von Braunkohletagebauen

[Geostatistical analysis of GPR reflection patterns and comparison with correlation structures of hydraulic properties in lignite spoil heaps.]

Buczko, Uwe; Gerke, Horst Herbert; Hüttl, Reinhard Franz

Kurzfassung

Wegen der Ausdehnung und Mächtigkeit der ungesättigten Zone ist eine direkte Messung der räumlichen Verteilungen von bodenphysikalischen und -hydraulischen Parametern in Abraumsedimenten von Kippen des Braunkohlentagebaus nicht realisierbar. Inwieweit sich indirekte geophysikalische Messverfahren, wie z.B. Georadar, zur Ermittlung von Heterogenitäten innerhalb von Kippen-Sedimentkomplexen eignen, ist bislang jedoch unklar. Ziel dieser Arbeit ist es, Daten von Georadarmessungen in Kippenmassiven geostatistisch zu analysieren, um diese Verteilungsmuster mit Korrelationsstrukturen von bodenphysikalischen und -hydraulischen Parametern zu vergleichen. Auf einer 1977 stillgelegten Kippe wurden Georadarmessungen mit Frequenzen von 100, 200 und 500 MHz rings um eine durchgängig gekernte Pegelbohrung durchgeführt. Aus den gemessenen Georadar-Reflektivitäten wurden Variogramme berechnet und Korrelationslängen durch Anpassung an Variogrammmodelle bestimmt. Die Korrelationslängen der Georadar-Reflektivitäten wurden mit denjenigen von Textur- und hydraulischen Parametern verglichen, welche aus Messwerten der Pegelbohrung ermittelt worden waren. Bei einer Georadar-Frequenz von 100 MHz sind Muster erkennbar, die den für Abraumförderbrücken charakteristischen Schüttkegelstrukturen entsprechen könnten. Die geostatistische Analyse zeigt, dass Korrelationslängen der Georadar-Reflektivitäten generell geringer sind als diejenigen der bodenphysikalischen Parameter. Darüberhinaus sind die Korrelationslängen größer, je geringer die verwendete Frequenz ist. Ein möglicher Grund für diese Diskrepanzen sind u.a. die unterschiedlichen Skalen der einzelnen Messpunkte (welche beim Georadar darüber hinaus frequenzabhängig sind) und die unterschiedliche räumliche Auflösung des jeweiligen Messrasters (Pegelbohrung: 50 cm; Georadar: 2 cm). Bei einer geostatistischen Analyse mit künstlich herbeigeführten identischen Skalen der Messraster stimmen die Korrelationslängen von bodenphysikalischen Parametern und Georadar-Reflektivitäten für die 100 MHz Frequenz mit einer Abweichung von nur 25% überein. Für die weitere Entwicklung der Anwendbarkeit des Verfahrens wären Messungen von Georadar und bodenphysikalischen Parametern auf identischen Raumskalen und bei unterschiedlichen Feuchtezuständen erforderlich, evtl. zunächst unter kontrollierten Bedingungen an Bodensäulen im Labor, wobei auch die Tiefenberechnung und die Interpretation der Georadarmuster für die speziellen Sedimente von Abraumkippen verifiziert werden könnte.

Abstract

In brown coal (lignite) spoil heap sediments, a direct determination of the spatial distribution of soil physical and hydrological parameters is not feasible, due to the lateral extent of the spoil complexes and the great thickness of the unsaturated zone. The suitability of indirect geophysical methods, like ground penetrating radar (GPR), for the characterization of sediment heterogeneities in spoil heaps, is, however, uncertain. The objective of this study was to analyze GPR measurements conducted on spoil heap Sediments in terms of geostatistical variograms and correlation lengths and to compare these spatial correlation structures with those obtained for measured soil physical and hydrological parameters. On a spoil heap which was abandoned in 1977, GPR-measurements using frequencies of 100, 200 and 500 MHz were performed around a cored borehole. From measured GPR-reflectivities, variograms were calculated and correlation lengths obtained by fitting to variogram models. The correlation lengths of GPR reflectivities were compared with those obtained from measured texture and hydraulic data from the cored borehole. GPR measurements at a frequency of 100 MHz yield characteristic spatial patterns, which may correspond to the characteristic sediment pile structures originating from dumping with overburden conveying bridges. It was found, that correlation lengths of GPR reflectivities are in general lower than those of the measured soil physical parameters. Moreover, the correlation lengths increase with decreasing frequency. These discrepancies may be explained, among others, by different support scales and the different spatial resolution of the data grid (cored borehole: 50 cm; GPR: 2 cm). Using identical data grid scales in the geostatistical analysis yielded, for the 100 MHz frequency, similar correlation lengths (25% deviation) for both soil physical and GPR data. Concerning the future development and application, both GPR- and soil physical measurements at identical spatial scales and at different moisture states are necessary, possibly at first under controlled laboratory conditions. This would allow also a refined GPR velocity determination in spoil sediments.

Keywords

overburdendumpin situborehole sectionsground-penetrating radargeostatisticsvariogramscase studies