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Jan Igel

• Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to affect geophysical measurements. However, these variations are not considered in most cases. The challenging task is to quantify the influence of soil heterogeneities on geophysical data. This question is analysed for DC resistivity and GPR measurements which are frequently used for near-surface explorations. To determine the pattern of electric soil properties in situ with the required high spatial resolution, geophysical measuring techniques are methodically enhanced. High-resolution dipole-dipole resistivity measurements are used to determine the electric conductivity distribution of the topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry has to be considered and an analytic expression for geometric factors is derived instead of assuming point electrodes. Two methods are used to determine soil permittivity with GPR:(i) the coefficient of reflection at the interface air-soil is measured with an air-launched horn antenna, (ii) the velocity of the groundwave is measured with a new setup using two receiver antennas enhancing the lateral resolution from in the best case 0.5 m for standard techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the optimised measuring techniques, the electric properties of sandy soils are determined in the field. Conductivity and permittivity show high spatial variability with correlation lengths of a few decimetres. Geostatistical simulation techniques are used to generate synthetic random media featuring the same statistical properties as in the field. FD calculations are carried out with this media to provide realistic synthetic data of resistivity and GPR measurements. Conductivity variations as determined in the field generate significant variations of simulated Schlumberger sounding curves resulting in uncertainties of the inverted models. Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and resulting permittivity variations cause strong GPR diffractions as demonstated by FD calculations. This influences the detectability of small objects such as e.g. landmines or of large reflectors as e.g. the groundwater table. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor effect on GPR measurements than variations of permittivity. In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to simulate geophysical measurements under field conditions including soil heterogeneity which can be used to quantify the uncertainty of field measurements by geologic noise.
• Geophysikalische Messungen werden häufig durch die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der physikalischen Eigenschaften von Böden beeinflusst. Diese Variabilität wird jedoch in den meisten Fällen nicht berücksichtigt. Es drängt sich die Frage auf, in welchem Ausmaß geophysikalische Messungen von Bodenheterogenitäten beeinflusst werden. Dieser Frage wird speziell für den Fall von Geoelektrik- und Georadar-Messungen nachgegangen, die häufig für oberflächennahe Untersuchungen des Untergrunds verwendet werden. Um in situ die räumliche Verteilung der elektrischen Bodeneigenschaften mit der erforderlichen hohen räumlichen Auflösung zu bestimmen, werden die geophysikalischen Messtechniken methodisch verbessert. Hochauflösende Dipol-Dipol-Geoelektrikmessungen werden zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung im Oberboden verwendet. Aufgrund der kleinen Elektrodenabstände muss die tatsächliche Elektrodengeometrie berücksichtigt werden. Anstatt Punktelektroden anzunehmen wird ein analytischer Ausdruck für den Geometriefaktor hergeleitet. Es werden zwei Methoden zur Bestimmung des Dielektrizitätskoeffizienten des Bodens mit dem Georadar (GPR) verwendet: (i) mit einer Hornantenne wird der Reflexionskoeffizient an der Grenzschicht Luft-Boden gemessen, (ii) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Bodenwelle wird mit einer neuartigen Aufstellung mit zwei Empfangsantennen bestimmt. Die laterale Auflösung wird dabei von bestenfalls 0,5 m für die Standardaufstellung auf ungefähr 0,1 m mit der neuen Aufstellung verbessert. Mit den optimierten Messtechniken werden die elektrischen Eigenschaften von Sandböden im Gelände bestimmt. Die elektrische Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskoeffizient zeigen beide eine hohe räumliche Variabilität mit Korrelationslängen von wenigen Dezimetern. Mittels geostatistischer Simulationstechniken werden zufallsverteilte synthetische Medien mit den selben Eigenschaften wie im Feld generiert. Diese Medien werden für FD-Simulationen herangezogen, um realistische synthetische Geoelektrik- und Georadar-Daten zu erhalten. Heterogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit, wie sie im Feld bestimmt wurden, rufen signifikante Variationen in simulierten Schlumberger Sondierungskurven hervor, was zu einer Unsicherheit in den invertierten Modellen führt. Selbst in Sandböden, die unter bodenkundlichen Gesichtspunkten homogenen sind, führen die Feuchteverteilung und die damit einhergehenden Variationen des Dielektrizitätskoeffizienten zu starken Diffraktionen im Radargramm, wie mit Hilfe von FD-Simulationen gezeigt wird. Das beeinflusst die Detektierbarkeit von kleinen Objekten, wie beispielsweise Landminen oder auch größeren Reflektoren, wie beispielsweise dem Grundwasserspiegel. Es zeigt sich weiterhin, dass die für Böden typischen Variationen der elektrischen Leitfähigkeit einen geringeren Einfluss auf GPR-Messungen haben als die Variationen des Dielektrizitätskoeffizienten. Zusammenfassend läßt sich konstatieren, dass mit geostatistischen Analysemethoden und Simulationstechniken ein Instrumentarium zur Verfügung steht, das es ermöglicht, realistische Simulationen von geophysikalischen Messungen unter Feldbedingungen zu erzeugen, die auch die Bodenheterogenität beinhalten. Diese Simulationen können dazu verwendet werden, die Unsicherheit von Feldmessungen, die durch „geologischen Noise“ hervorgerufen werden, zu quantifizieren.