Georadar

Funktionsweise und Anwendungen in der geologischen und glaziologischen Erkundung

- Unkonventionelle Ansätze -

Norbert Blindow

Geophysicist, Consultant

Airborne GPR, Glaciology Near Surface Geophysics

Former affiliations: University of Münster, Free University Berlin, Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR)

Present: Consultant to GeoEstudios (San José de Maipo, Chile) RST Radar Systems Technology (Salem)

UMAG (Punta Arenas, Chile), FAU (Erlangen), Tauber (Münster), BGR (Hannover) ...

S TR

Übersicht

Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik

- Materialparameter, Eindringtiefen

- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung

- Bohrlochmessungen

Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche

Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf

- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher

- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)

mit Helikopter-GPR

Literatur

Übersicht

Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik

- Materialparameter, Eindringtiefen

- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung

- Bohrlochmessungen

Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche

Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf

- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher

- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)

mit Helikopter-GPR

Literatur

Prinzip des GPR:

Elektromagnetische Wellen(Frequenz je nach Anwendung 3...3000 MHz) werden an Schichtgrenzen bzw. Objekten mit unterschiedlicher Dielektrizitäts-zahl und/oder Leitfähigkeit teils refraktiert, teils reflektiert bzw. gestreut. Laufzeiten und Amplituden dieser Wellen werden aufgezeichnet, dargestellt (″Radargramm″) und ausgewertet.

Georadar auch:

BodenradarGPR (ground penetrating radar) EMR (Elektromagnetisches Reflexionsverfahren)SIR (subsurface interface radar)RES (radio echo sounding)...

Antennen und Pulsanregung

Abstrahlcharakteristik an einer Grenzfläche

Das Beispiel zeigt, wie die Ankopplung eines Dipols durch Auflegen erzielt wird.Trotzdem ist die Verwendung von ab-geschirmten Antennen in Umgebungen mit reflektierenden Objekten an oder über der Oberfläche anzuraten.

Luft

Boden

Dielektrische Eigenschaften und Ausbreitungs-Parameter

Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungs-ParameterGeschwindigkeit und Absorption

Reine Wellenausbreitung ist in den Frequenzbereichen möglich, wo die Geschwindigkeit ein Plateau erreicht hat - hier gilt näherungsweise v ≈ c

0/√ε .

Darunter findet Energietransport durch Diffusion statt (EM-Verfahren).

Mit zunehmender Leitfähiggkeit und Frequenz steigt die Absorption und erreicht ebenfalls ein Plateau. Für Material, das freies Wasser enthält, tritt oberhalb von 100 MHz Debye-Relaxation auf - ein Verlusteffekt, der in der Mikrowelle genutzt wird, beim GPR aber sehr lästig ist.

Wellenlängen

z.B. für v = 0.1 m/ns aus v = λ.f

f = 10 MHz λ = 10 mf = 100 MHz λ = 1 mf = 1GHz λ = 0.1 m

Elektromagnetische Wellenausbreitung

Näherung: Wellenstrahlen der geometrischen Optik

Laufzeit t(x) der reflektierten Welle bei Schichtdicke h und Geschwindigkeit v:

t = (x² + 4h²)1/2/v (Reflexionshyperbel)

Bestimmung von v durch CMP-Messungen(CMP = common mid point):

x

h

x

R SteilwinkelreflektionWR Weitwinkelreflexion

Diffraktionen von einzelnen Objekten

Für x0=0 ist die Laufzeit

der Diffraktionshyperbel

t(x) = 2.(x²+z0²)1/2/v

mit der Lotzeit t0= 2.z

0/v.

Auflösungsvermögen

vertikal Δz ≈ λ/2horizontal Δx ≈ (2λz)1/2

bzw. räumlich dichter Messung nach Processing Δx ≈ λ/2

Abb. 6.8: links Ortung verschiedener Leitungen unter einer Asphalt-Oberfläche (GSSI Pathfinder, Mittenfrequenz 400 MHz, Range 50 ns, rechts Ergebnis der Datenbearbeitung (Migration). Kreise markieren hier die Position der Leitungen. GeoHiRes International Ltd, 2003

Reflexionsmessungen Crosshole-Messungen Bohrloch-Tomographie

Bohrlochmessungen

Abbildungen aus www.boratec.net

Vertikale Bohrung Horizontale Bohrung

Bohrlochsonde beim Zusammenbau vor einer horizontalen Bohrung in einer Strecke

Radarbohrlochsonden für Reflexionsmessungen

Kreuzrahmenantenne =

Sensor für orthogonale magnetische Feld-komponenten

Richtungssensitive Bohrlochmessung

DABOR-Sonde (Uni Wuppertal, DMT) Nachfolger des PRAKLA-Modells von 198x

TTxx

RRxx

1989

Winkelbestimmung bei der richtungssensitiven Bohrlochsonde

Amplituden- und Phasengang des Dipolsund der beiden Rahmenantennen

Richtcharakteristik (Prinzip) der Kreuzrahmenantenne

∑ ∑ ∑ ∑∑∑222222 )(4)-()-(-

2

1tan 2,1 iiiiii

ii

yxyxyxyx

Berechnung des Winkels relativ zur Sonde, Sondenwinkel relativ zu Vertikal oder Nord. => Raumwinkel

X: Amplitude Rahmen 1Y: Amplitude Rahmen 2: Relativer Empfangswinkel

: Drehwinkel der Sonde (Kompass oder Kreisel)

Messbeispiel: Signale des Dipols und der beiden Rahmen, errechneter Winkel

Übersicht

Grundlagen des Georadar / Ground Penetrating Radar (GPR)- Antennen und Abstrahlcharakteristik

- Materialparameter, Eindringtiefen

- Strahlenwege, Laufzeitkurven, Auflösung

- Bohrlochmessungen

Beispiele aus Glaziologie und Geologie - Georadar an der Oberfläche

Festgestein, Sediment, Grundwasser, Torf

- Airborne GPR mit HelikopterTemperierte Gletscher

- Georadar unter Tage (Salinar)im Schacht und in der Streckeim Bohrloch (richtungssensitiv)

mit Helikopter-GPR

Literatur

Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (1)

Groundwater and geological structures (cross-bedding of Nubian sandstone) mapped by GPR Example: 30 MHz GPR (Great Selima Sand Sheet, Egyptian/Sudanese border), water table at 10 to 60 m depth (DFG cooperative research project 69 "Arid Areas" Subproject B11 1984-1990)

1km

35m512ns

0 00

2km

Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (2):

Struktur- und Grundwassererkundung in Lockersedimentenhier: Geest mit Übergang zum Moor

Anwendungsbeispiel von Georadar an der Oberfläche (3): Strukturerkundung in gesättigten Lockersedimenten - Insel Spiekeroog (Uni Münster 1997)

Bessere Daten durch Mehrfachüberdeckung

Offset 6m

CMP 8-fach überdeckt

largest amount of ice in southern hemisphere apart from Antarctica

Northern Patagonian Icefield: 4.200km²

Nef and Colonia Glaciers

Southern Patagonian Icefield: 13.000km²

temperate glaciers with large accumulation and ablation rates 8% loss of glacier covered surface in the SPI, 1945 – 2004 (Rivera and Casassa, 2004)

Ice thickness?Internal structure?

Up to the moment only scarce knowledge!

Patagonian Icefields:

Helikopter-GPR zur Eisdicken-Messung

Glaciar Nef

Glaciar Nef

Previous own work: UMAIR / BGR-P30(See IWAGPR2009, IWAGPR2011 and GPR2012

conference proceedings, respectively)

developed as University of Münster Airborne Ice Radar (UMAIR) Center frequency 25 MHz Acquisition velocity 70 km/h, 10 traces/s <> 500 traces/km

Antenna: 2 shielded wideband dipoles, static weight 270 kg overall dimensions: 6m x 4m x 1m

Pulser: MOSFET-switch, UB = 5 kV, PRF 3500 HzReceiver: digitizer 400 MHz (t=2.5ns), on-board FPGA, 256-times stacking, 3 µV sensitivityDGPS: dual frequency L1/L2Laser altimeter: helps keeping approx. 40 m terrain clearance

Fiberoptic cables

Inside the helicopter:Control unit: Embedded PC + trigger unit,

handheld GPS for navigation, laser altimeter display for the pilot (total 20kg)

Design, development, and construction: Norbert Blindow / Münster Geophysical Institute workshops

With AS350-B3 helicopter max. altitude 5200 m!

Glaciar Nef, Patagonia

Glaciar Colonia, Patagonia

Bild: Bundesamt für Strahlenschutz

Georadar unter Tage (Salinar)

Vertical geological section from salt dome Gorleben (Bornemann 1991)

Exploration level

Shaft measurements

Perspective view of Perspective view of sections from shaft 1sections from shaft 1

Vertical sectionsVertical sections

500 m

50 MHz

dx=1 m

5 µs

Reflecting structures in salt

anhydrite Clay layers

GPR an der Firste

GPR am Stoß

right side

left side

roof

floor

All around measurement

Principle of measurements in drifts

50 MHz antenna

Querschlag QS1West

Perspektivische Ansicht: Radargramme Firste + Sohle

Hauptstrecke

500 m

50 MHz

dx=1 m

5 µs

Vorbereitung einer Bohrlochmessung

Dipol-Radargramm Dipol-Radargramm aus einer Bohrungaus einer Bohrung

Winkelberechnung aus Winkelberechnung aus Rahmen und Dipol, Rahmen und Dipol, farbcodierte Darstellungfarbcodierte Darstellung

Lageplan und Geologie in der Ebene der Bohrung

Exploration boreholes for the two shafts

Structures from a vertical borehole

Structures from measurements in drifts 1994-2000

500 m

Test of 25 MHz helicopter system on the floor in a salt dome

Radargrams from floorRadargrams from floor

Radargram from Radargram from roof in upper drift roof in upper drift

NorthNorth

Salt tableSalt table

600 m High attenuation

LANDEANFLUG!

Eine Zusammenfassung würde recht lang werden.

Ein Ausblick noch länger...

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!Fragen?

S TR

Literatur zum Vortrag

1. Neuere Übersicht als Buch:

Harry M. Jol (Editor): Ground Penetrating Radar - Theory and Applications. Elsevier Ltd. 2009

2. Teilweise in diesem Vortrag verwendet:

Norbert Blindow: Ground Penetrating Radar In Reinhard Kirsch (Editor): Groundwater Geophysics - A Tool for Hydrology. Springer 2006

Norbert Blindow, Dieter Eisenburger, Bernhard Illich, Hellfried Petzold & Thomas Richter: Ground Penetrating Radar In K. Knödel, G. Lange, H.-J. Voigt (Editors): Environmental Geology - Handbook of Field Methods and Case Studies. Springer 2007

N. Blindow, C. Salat, G. Casassa, "Airborne GPR sounding of deep temperate glaciers - examples from the Northern Patagonian Icefield", Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.670-675, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945

V. Gundelach, N. Blindow, U. Buschmann, C. Salat, ″Underground GPR measurements for spatial investigations in a salt dome″ , Proc. 14th International Conference onGround Penetrating Radar (GPR2012), pp.473-476, 4-8 June 2012, Shanghai, China. doi: 10.1109/ ICGPR.2012.6254945