4.1 Geomagnetik
Insbesondere die Messung der Totalintensität mit dem Protonenmagnetometer wurde als meßtechnisch einfache, rasch arbeitende und kostengünstige Methode mit Vorrang eingesetzt.
Körper mit starker Magnetisierung, wie Eisenschrott, Blechdosen oder stahlarmierte Beton-platten, rufen extreme magnetische Anomalien hervor, sofern sie bis zu ca. 3 m tief liegen.
Dies beruht darauf, daß das an der Erdoberfläche gemessene Magnetfeld mit zunehmender Entfernung mit der dritten Potenz abnimmt. Der Nachweis magnetischer Einlagerungen hängt außerdem von deren Magnetisierung, Form und Größe ab.
Mit geomagnetischen Messungen kann an verdeckten Hausmülldeponien und selbst an man-chen Erddeponien, die Umgrenzung bestimmt werden, da bei menschliman-chen Aktivitäten häufig kleine Eisenteile verloren gehen. Innerhalb des Deponiekörpers lassen sich Ansammlungen von Schrott und Alteisen gut lokalisieren.
Allerdings verhindert die weite Streuung kleiner Eisenteile im Hausmüll den Nachweis ein-zelner Objekte, wie z.B. dem sprichwörtlichen "Fässle", dessen magnetisches Feld in vielen kleinen Feldern untergeht.
Insgesamt konnte die Geomagnetik mit Erfolg bei den Fragestellungen nach der Ausdehnung von Deponien, bei der Lokalisierung magnetischer Einlagerungen und bei der Ortung von Einzelobjekten an den Modellstandorten Bitz, Leonberg, Mühlacker, Geislingen und Mann-heim angewendet werden. In allen Fällen gelang es die Begrenzung der Deponiekörper aus den magnetischen Ergebnissen abzuleiten, obwohl es sich um Deponien sehr unterschiedli-chen Inhaltes handelte.
4.2 Geoelektrik
Dieses Verfahren beruht auf der Bestimmung des elektrischen Widerstands von Ablagerungen und Gesteinen. Mit gleich- oder wechselstromgespeisten Meßverfahren lassen sich gut leiten-de Körper auffinleiten-den. Dies gilt auch für nichtmagnetische Metalle, wie Kupfer, Blei oleiten-der Zink.
Wie bei der Geomagnetik läßt sich die Umgrenzung einer verdeckten Deponie festlegen. Die Geoelektrik vermittelt indessen auch Informationen aus größeren Tiefen und kann gut leitende Einlagerungen, wie z.B. salzhaltige Rückstände oder Nichteisenschrott, bis zur Sohle der mei-sten Deponien aufspüren. Von vielen möglichen Meßanordnungen sollen hier nur die Kartier-anordnung und die Widerstandssondierung erwähnt werden.
Bei der Kartieranordnung wird eine Vielzahl von Elektroden und Sonden in einem engma-schigen, rechtwinkeligen Netz vermessen. Entsprechend der Größe der gesuchten Körper bzw.
der geforderten Genauigkeit, sollte die Maschenweite des Meßnetzes zwischen 1 und 5 m lie-gen. Es wird ein Strom von zwei außenliegenden Elektroden eingespeist und die entsprechen-de Spannung zwischen entsprechen-den beientsprechen-den innen liegenentsprechen-den Sonentsprechen-den abgegriffen. Der Abstand zwi-schen den Elektroden/Sondenstrecken kann der Mazwi-schenweite entsprechen oder ein Vielfa-ches betragen. Er kann so auf eine gewünschte Eindringtiefe ausgerichtet werden, die ca. 1/3 der Länge der Auslage beträgt. Vorteilhaft sind verschiedene Auslagen, da sich hieraus Ab-schätzungen der Tiefenlage ergeben.
Geoelektrische Kartierungen halfen an allen Modellstandorten, außer Herten, folgende Fra-gestellungen zu beantworten: Nach Ort und Ausdehnung verdeckter Deponien, nach Dichtig-keit der Hangend- und Basisabdichtung, nach der Lage von gutleitenden (metallischen) Ein-zelobjekten und nach den Sickerwegen salinarer Deponiewässer, sowohl innerhalb als auch außerhalb von Altlasten. bzw. nach der Größe von Schadstoffahnen.
Die geoelektrischen Widerstandssondierungen dringen durch die ständige Vergrößerung des Elektrodenabstandes bei kleinem, konstanten Sondenabstand, immer tiefer in den Unter-grund ein. Es entsteht ein Säulenprofil, ähnlich dem Ergebnis einer Bohrung. Anstelle von Bohrkernen wird hier jedoch die Mächtigkeit von Schichten anhand ihres elektrischen Wider-standes bestimmt.
Trotz seiner heterogenen Zusammensetzung weist Hausmüll niedrige Widerstände auf, die auf salzige Lösungen zurückgehen, welche sich häufig am tiefsten Punkt der Deponiesohle sam-meln. Diese Salinität der Sickerwässer erlaubt ihre Lokalisierung und Verfolgung auch dann, wenn die Basisabdichtung durchbrochen und die Schadstoffahne in das Nebengestein bzw.
das Grundwasser eingedrungen ist.
Die Aussagen der Widerstandssondierungen über Widerstand und Mächtigkeit von Ablage-rungen und Schichten konnten genutzt werden, um folgende Fragestellungen zu beantworten:
Nach den Mächtigkeiten von Überdeckung und Deponiekörper, nach der Dicke der Basisab-dichtung und nach der Mächtigkeit, bzw. den Tongehalten, der geologischen Barriere.
4.3 Induzierte Polarisation (IP)
Diese Methode beruht auf der Anlagerung von Ionen und Elektronen an Mineraloberflächen oder an Grenzflächen des Porensystems. Die dabei entstehende Aufladung und ihre Entladung sind die Meßparameter des Verfahrens. Zur IP-Messung wird der Untergrund über zwei Elek-troden aufgeladen. Die so erzeugte Spannung klingt nach Abschalten des Stroms langsam ab.
Zwischen zwei Sonden wird diese Abklingkurve registriert und aus ihr die Meßgröße ,,Aufladefähigkeit M“ abgeleitet. Man unterscheidet die metallische Polarisation an Mineralen oder Gegenständen mit metallischer Stromleitung und hohem Glanz und die Grenzflächenpo-larisation als Aufladung im Porenraum der Gesteine.
Die metallische Polarisation erzeugt an metallischen oder mit Metall überzogenen Einlage-rungen starke IP-Anomalien. Die schwächere Grenzflächenpolarisation tritt an Flächen
zwi-IP-Messungen sollten dann eingesetzt werden, wenn zwischen Deponieinhalt oder Schad-stoffkonzentrationen und dem Nebengestein keine Widerstandsunterschiede bestehen. Sie sind an den Modellstandorten Osterhofen, Leonberg und Mühlacker bei folgenden Fragestellungen eingesetzt worden: Lokalisierung und Ausdehnung von Deponien, Prüfung der Dichtigkeit von Abdichtungen, bei der Ortung von Einzelobjekten und der Verfolgung der Sickerwege salinarer Deponiewässer. Voraussetzung ist allerdings, daß das gesuchte Material aufladbar ist (z.B. galvanische Schlämme, bedrucktes Papier, glasierte Porzellan- und Tonscherben, Gieße-reisande etc.).
4.4 Eigenpotentialverfahren (EP)
Bei natürlichen elektrischen Eigenpotentialen ist zu unterscheiden zwischen Potentialen, die auf Reduktions- und Oxidationsvorgänge zurückzuführen sind: "Redox-Potentiale" und Po-tentialen, die mit der raschen Bewegung von Wässern oder Gasen im Boden zusammenhän-gen: "Fließ- bzw. Strömungspotentiale". Letztere werden durch rasches Ausströmen, z.B. von Deponiewässern oder Gasen, hervorgerufen. Die RedoxPotentiale sind viel größer (20
->100 mV) als die Fließpotentiale (1 - 10 mV).
Das Verfahren kann zur Erfassung von oxydierenden Metalleinlagerungen oder von raschen Fließvorgängen im Untergrund eingesetzt werden. Die ineinandergreifenden elektrochemi-schen und elektrokinetielektrochemi-schen Wechselwirkungen erschweren jedoch die Interpretation erheb-lich.
Dagegen ist eine EP-Messung technisch einfach. Sie besteht aus einer Spannungsmessung zwischen zwei unpolarisierbaren Sonden, wobei eine feste Sonde als Dauerreferenz dient. Die zweite Sonde wird entlang eines Profils versetzt; sie liefert Betrag und Vorzeichen der jewei-ligen Potentialdifferenz gegenüber der Referenzsonde. Die gleichzeitige Registrierung vieler Sonden in kurzen Zeitabständen (Scannermethode), führt zur Eliminierung der kurzzeitigen Störspannungen, die in Industriegebieten auftreten können.
Die oben erwähnten Einschränkungen sind zu beachten, wenn Fragestellungen nach Durchläs-sigkeiten von Abdichtungen oder nach der Lokalisierung von Einzelobjekten oder Sickerwe-gen mittels EP-MessunSickerwe-gen beantwortet werden sollen. Wichtig ist, daß Teeröle und andere Kohlenwasserstoffe, die als Schutzanstrich das Rosten und damit das Entstehen von Eigen-potentialen verhindern sollen, nicht mit EP erfaßt werden können.
Im Modellstandortprogramm sind Eigenpotentialmessungen in Bitz, Leonberg, Osterhofen und Geislingen durchgeführt worden. Trotz meßtechnischer Sorgfalt wurden Resultate erzielt, die sich nur näherungsweise interpretieren lassen. Das Verfahren scheint wegen der schwieri-gen Zuordnung der Anomalien zur Art und dem Ort der Eischwieri-genpotentialquellen (s.o.) für die Altlastenerkundung weniger anwendbar zu sein.
4.5 Elektromagnetik (EM)
Für diese Wechselstromverfahren gilt im Wesentlichen das für die Gleichstrommessungen Gesagte. Ihr Vorteil liegt in der größeren Schnelligkeit der induktiven Messungen, bei denen keine Elektroden oder Sonden eingeschlagen werden müssen. Darüber hinaus zeichnen sich steil stehende Strukturen. besser ab. Zwischen koplanaren, beweglichen Sender und Empfän-ger induziert das gesendete elektromagnetische Feld in gutleitenden Körpern sekundäre elek-trische Felder. Das resultierende Feld wird vom Empfänger aufgenommen und durch eine Kompensationsschaltung mit dem direkt übermittelten Primärfeld verglichen und kompen-siert.
Aus den Veränderungen von "Inphase- (0°-Phase-)" und, "Outphase (90°-Phase-) Daten" ge-genüber dem Primärfeld, kann man auf die Lage elektrisch besonders gut oder schlecht leiten-der "EM-Körper" im Untergrund schließen. Die Tiefe kann durch Mehrfrequenzmessungen errechnet werden. Die Inphasewerte werden von Veränderungen des Abstandes Sender - Emp-fänger beeinflußt. Bei Messungen im bergigen Gelände ist daher die Bestimmung der Hang-neigung zwischen zwei Meßpunkten erforderlich. Die Länge der Auslage richtet sich nach der Größe der zu kartierenden Strukturen sowie nach der gewünschten Eindringtiefe. Die maxi-male Erkundungstiefe liegt zwischen 40 und 80 % der Auslage, die 10 m bis 250 m lang sein kann.
Mögliche Zielobjekte sind Deponiegrenzen, steilstehende grundwasserbeeinflussende Struktu-ren wie Verwerfungen, Spalten oder Kluftzonen. Aus der Korrelation einzelner EM-Minima über Salzfahnen können die Sickerwege von Schadstoffen rekonstruiert werden. Außerdem lassen sich Einlagerungen mit besonders hohen oder niedrigen Widerständen, wie Industrie-schlämme, Gießereisande oder Krankenhausmüll gut lokalisieren.
Durch elektromagnetische Kartierungen konnten an den Modellstandorten Bitz, Leonberg, Mühlacker, Geislingen, Mannheim und Kürzell steilstehende Strukturen, wie Verwerfungen, Kluftzonen und Material- bzw. Schüttungsbegrenzungen ermittelt werden.
4.6 Bodenradar (EMR)
Das Bodenradar oder Elektromagnetisches Reflexionsverfahren (EMR) wird zur Erkundung des Erdbodens bis ca. 3 m Tiefe angewendet. Dabei wird die Reflexion von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen von 10 bis 500 MHz an horizontalen Material-grenzen genutzt, an denen sich die Dielektrizitätskonstanten ändern. Die elektrische Leitfä-higkeit des Bodens dämpft dabei die abgestrahlte Energie und begrenzt die Eindringtiefe. Bei gutleitenden Schichten kann die Eindringtiefe bis auf < 0,3 m abnehmen.
Bei den Messungen werden Sender und Empfänger über den zu untersuchenden Untergrund gezogen und ein kontinuierliches Profil aufgenommen. Der Empfänger registriert reflektierte Signale nach einer bestimmten Laufzeit, die von dem durchstrahlten Material abhängig ist.
Bodenradarmessungen sind eine schnelle und hochauflösende Untersuchungsmethode für kleine Objekte. Es können z.B. metallische und nichtmetallische Rohrleitungen, Kabel, Fun-damente und Hohlräume geortet werden. Die Methode eignet sich für Altlasten mit gering-mächtiger Überdeckung und Industriebrachen. Die meisten Radarreflexionen weisen auf klein räumige Bodenstrukturen hin. Seltener werden Schadstoffkonzentrationen erfaßt. Bei der Auswertung und Beurteilung ist deshalb besondere Sorgfalt und Vorsicht geboten.
Bodenradarmessungen sind an den Modellstandorten Osterhofen, Mühlacker, Geislingen und Kürzell eingesetzt worden. In allen Fällen wurde eine große Anzahl von Reflektoren festge-stellt. Die Zuordnung zu bestimmten Objekten, Ablagerungen oder Schadstoffahnen konnte jedoch nur empirisch begründet werden.
4.7 Seismik
Sie beruht auf unterschiedlichen elastischen Eigenschaften der Gesteine. Eine künstlich durch Hammerschlag, Fallgewicht, Vibratoren oder Sprengung erzeugte seismische Welle breitet sich im Untergrund aus und wird an elastischen Inhomogenitäten reflektiert. Nach unter-schiedlichen Laufwegen wird sie an der Erdoberfläche von Geophonen registriert. Aus der Laufzeit der Wellen wird die seismische Geschwindigkeit und die Tiefenlage der Grenzflä-chen abgeleitet. Die Seismik ist in der Lage detaillierte Kenntnisse des Schichtaufbaues zu vermitteln.
Beim Erzeugen einer seismischen Welle entstehen Wellenfronten die sich vom Anregungs-zentrum nach allen Seiten im Gestein fortpflanzen. Es handelt sich um Kompressionswellen, auch Longitudinalwellen genannt und um Scherwellen, die auch als Transversalwellen be-zeichnet werden. Die Kompressionswelle pflanzt sich mit größerer Geschwindigkeit fort, als die Scherwelle. Sie wird als Primärwelle (P-Welle) bezeichnet. Die langsameren Scherwellen (S-Wellen) ermöglichen vor allem die Erkennung von Detailstrukturen. S-Wellen entwickeln sich indessen nur schwach in Lockergesteinen und in Flüssigkeiten. Deshalb ist zu ihrer Anre-gung viel Energie und zur Registrierung ein hoher Aufwand notwendig. Oberflächenwellen breiten sich an der Erdoberfläche aus. Sie stören die flachgründigen Untersuchungen für Alt-lasten.
Die seismischen Geschwindigkeiten hängen meist vom geologischen Alter der Schichten ab.
Sie steigen an, je älter und verfestigter die Schichten sind. Dies gilt jedoch nicht in der Nähe der Erdoberfläche, da die Gesteine hier durch Druckentlastung bzw. Verwitterung aufgelok-kert sind.
Die Brechung von seismischen Wellen an Schichtgrenzen mit höheren seismischen Ge-schwindigkeiten im Liegenden wird bei der Refraktionsseismik ausgenutzt. Die refraktierten Wellen laufen an den Grenzflächen zweier Gesteinsschichten entlang und geben dabei Energie nach oben ab. Voraussetzung ist, daß die Wellen unter einem kritischen Winkel auf die Grenzfläche einfallen und die seismische Geschwindigkeit in der tiefer liegenden Schicht grö-ßer ist.
An der Erdoberfläche registrieren die Geophone sowohl die refraktierte als auch die direkte Welle, die innerhalb der obersten Schicht läuft. Da die refraktierte Welle sich mit der größeren Geschwindigkeit der unteren Schicht ausbreitet, wird diese ab einer bestimmten Entfernung
von der seismischen Quelle, vor der direkten Welle registriert. Aus dieser Entfernung können die Tiefenlage der Grenzfläche und die Werte für die seismischen Geschwindigkeiten beider Schichten abgeleitet werden.
Im Modellstandortprogramm ist die Refraktionsseismik an allen 8 Standorten durchgeführt worden. Sie wurde insbesondere bei der Kartierung der Oberfläche von Grundwasserstauern (Aquäclude), zur Verfolgung der Sickerwege von Schadstoffahnen, mit Erfolg eingesetzt. Die Abgrenzung der Deponiekörper gelang nur dann, wenn das Deponiematerial andere seismi-sche Geschwindigkeiten als das Nebengestein aufwies.
Bei der Reflexionsseismik werden die an Schichtgrenzen direkt reflektierten Wellen an der Erdoberfläche registriert. Hier ist die Zunahme der Wellengeschwindigkeit zum Liegenden nicht erforderlich. Da das Verfahren zur Erdöl- und Erdgasprospektion unerläßlich ist, wurde eine weit fortgeschrittene und differenzierte Meß- und Auswertetechnik entwickelt.
Bisher lagen die seismischen Ziele in großen Tiefen; Es gab keine Möglichkeit Aussagen aus Tiefen <100 m zu machen, da hier die Oberflächenwellen mit großen Amplituden die Signale aus der Tiefe überlagern. Seit Kurzem sind seismische Empfänger mit extrem hohen Sam-pling-Raten und hochfrequente Sender verfügbar, welche die Reflexionsseismik auch in ge-ringen Tiefen <20 m erlauben. Neu ist außerdem der Einsatz von starken, auf den Erdboden gerichteten Lautsprechern, der im "Luftschallverfahren" erfolgt.
Die Reflexionsseismik ist gegenüber der Refraktionsseismik aufwendiger und damit teuerer, sie hat indessen den Vorteil, daß Schallgeschwindigkeiten und Schichttiefen nicht nur für zwei, sondern für viele Schichten bestimmt werden können, wobei auch kleinere, flach ge-neigte Strukturen noch erfaßt werden können. Die Reflexionsseismik konnte in Leonberg, Mühlacker und Herten den Schichtaufbau und die Verwerfungsstrukturen im tieferen Unter-grund dieser Altlasten klären.
4.8 Gravimetrie
Diese geophysikalische Methode nutzt die Veränderungen des Schwerefeldes der Erde auf-grund von Dichteinhomogenitäten im Unterauf-grund aus. Zu ihrer Erfassung müssen von den registrierten, relativen Schwerewerten bekannte orts- und zeitabhängige Referenzwerte abge-zogen werden: z.B. Gezeitenwirkung, Höhe des Meßpunktes zum Bezugsniveau (Freiluftkor-rektur), Geländerelief in der Umgebung (topographische Kor(Freiluftkor-rektur), Gesteinsschicht zwischen Meß- und Bezugsniveau (Bouguer-Korrektur).
Die Schweremessungen werden mit Gravimetern ausgeführt, die im Prinzip hochempfindliche Federwaagen darstellen. Die Änderungen der Federlängen stehen in direktem Zusammenhang mit Schwereänderungen.
Voraussetzungen für sichere gravimetrische Ergebnisse ist ein genügend großer Dichteunter-schied des Deponiekörpers gegen das Nebengestein. Die erforderlichen Korrekturen können
Dies war z.B. der Fall am Modellstandort Mühlacker, wo die Schwereanomalie der Altlast sich nicht aus einem regionalen Anstieg heraushebt.
4.9 Geothermik
Sie umfaßt alle Temperaturmessungen zur Erkundung geothermischer Anomalien im Unter-grund. Diese können von der Erdoberfläche, in kurzen Rammsondierungen, in Tiefbohrungen und aus der Luft, als Infrarotmessungen der Erdoberfläche (IR), vorgenommen werden.
Die oberflächennahen Temperaturmessungen sollten möglichst in Rammsondierungen erfol-gen. Mit der Messung sollte so lang gewartet werden, bis die durch das Rammen bedingte Temperaturstörung abgeklungen ist. Weiterhin sind Einflüsse der Topographie, der Vegetati-on, von Wasserläufen etc. rechnerisch zu beachten. Über kontinuierliche Messungen an einem Basispunkt müssen die Tagesvariationen der Temperatur bestimmt und die Meßwerte entspre-chend korrigiert werden. Temperaturmessungen sollten in einem regelmäßigen Meßraster mit Meßpunktabständen von nur wenigen Metern und nur 3 - 4 Uhr nachts durchgeführt werden.
Bei der IR-Erkundung wird die Erdbodentemperatur als Strahlungstemperatur berührungslos mit Thermalscannern und, Wärmebildkameras, meist vom Flugzeug aus, aufgenommen. Diese Methode ist wegen ihrer hohen Kosten, ihrer Abhängigkeit vom Wetter und der zu geringen Wärmestromdichte über Deponien nur in Ausnahmefällen für die Altlastenerkundung geeig-net.
Selbst bei IR-Einsätzen über abgedeckten Deponien, in denen Kadaver durch mikrobielle Zer-setzung die Innentemperatur stark erhöht hatten, zeichneten sich keine IR-Anomalien ab, die größer waren als die der Sonneneinstrahlung.
Geothermische Messungen sind an den Modellstandorten Bitz, Osterhofen und Leonberg er-folgt. Ihre Aussage wurde eingeschränkt, da die Messungen tagsüber erfolgten und starke An-omalien auf den sonnenbestrahlten Flächen auftraten.
4.10 Bohrlochmessungen
In diesem Spezialgebiet der Geophysik werden geeignete geophysikalische Verfahren, nach entsprechender meßtechnischer Anpassung, in Bohrlöchern eingesetzt. Bohrlochmessungen sind an allen 8 Modellstandorten vorgenommen worden. Hierbei wurden insbesondere Klein-strukturen und Zuflüsse herausgearbeitet. Wegen des großen Umfangs können diese Meßab-läufe und ihre Ergebnisse hier jedoch nicht erörtert werden.