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Christina Salat

• Flusssysteme im mediterranen Raum reagieren besonders sensitiv auf Veränderungen von Umweltbedingungen, z.B. durch Neotektonik, Klimaänderungen und Landnutzung. Geowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen in diesem Zusammenhang das Einzugsgebiet des Rio Palancia (Spanien), um über die Erstellung einer Sediment-Massenbilanzierung die Entwicklungsgeschichte des Systems zu erforschen. Zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Sediment-Ablagerungstypen wurde das Georadarverfahren (GPR) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel fluvialer Lockersedimente das Zustandekommen von Radargrammen noch besser zu verstehen und möglichst viel Information über den Untergrund aus einem Radargramm zu extrahieren. An 30 Standorten wurden GPR-Messungen durchgeführt und mit Geoelektrik und Rammkernsondierungen kombiniert. Die Einführung einer Bearbeitungs- und Auswertesystematik gewährleistet die Vergleichbarkeit von Radardaten unterschiedlicher Standorte. Als Besonderheit werden die Radargramme jeweils auf zwei verschiedene Arten bearbeitet und dargestellt, um sowohl Strukturen herauszuarbeiten als auch die – zumindest relative – Amplitudencharakteristik zu erhalten. Erst dadurch wird eine Auswertung mithilfe der erweiterten Radarstratigraphie-Methode möglich. Diese setzt sich aus der klassischen Radarstratigraphie und der neu entwickelten Reflexionsanalyse zusammen. Dabei werden systematisch Radar-Schichtflächen, Radareinheiten und Radarfazies ermittelt und anschließend die Amplitudengröße, die Polarität und die Breite der Reflexionen betrachtet. Die Radarstratigraphie liefert objektive Erkenntnisse über Form und Verlauf von Untergrundstrukturen, während mithilfe der Reflexionsanalyse Aussagen zu relativen Änderungen von Wassergehalt, Korngrößenverteilung und elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Mithilfe der Radarstratigraphie wurde die Radarantwort verschiedener Sediment-Ablagerungstypen im Untersuchungsgebiet verglichen. Die Radargramme zeigen unterschiedliche Zusammensetzungen von Radarfazies. Eine Unterscheidung und räumliche Abgrenzung verschiedener Ablagerungstypen mit GPR ist somit durchführbar. Die Dielektrizität des Mediums bestimmt, zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit, die Geschwindigkeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle sowie die Reflexionskoeffizienten. Um das Zustandekommen von Radargrammen im Detail nachvollziehen zu können, ist es notwendig, die Dielektrizitätskoeffizienten (DK) der untersuchten Sedimente zum Zeitpunkt der Messung zu kennen und die Abhängigkeit des DK von petrophysikalischen Parametern zu verstehen. Deshalb wurden Proben aus den Rammkernsondierungen entnommen. Im Labor wurden der Real- und Imaginärteil des DK im Radarfrequenzbereich (mit Schwerpunkt auf 200 MHz) in Abhängigkeit von Wassergehalt, Trockendichte, Korngrößenverteilung und Kalkgehalt mithilfe der Plattenkondensatormethode bestimmt. Der DK ist in erster Linie vom Wassergehalt abhängig. Es konnte eine für die Sedimente im Untersuchungsgebiet charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung ermittelt werden. Die resultierende Kurve ist gegenüber entsprechenden in der Fachliteratur zu findenden Beziehungen verschoben, was vermutlich auf die hohen Kalkgehalte der Proben zurückzuführen ist. Für trockene Sedimente wurde eine Korrelation des DK mit der Trockendichte festgestellt. Bei der Bestimmung der Absorptionskoeffizienten fiel auf, dass Proben mit hohem Tonanteil selbst bei geringen Wassergehalten außerordentlich hohe Dämpfungskoeffizienten aufweisen können. Die charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung wurde für Modellierungen von Radardaten genutzt, die dann mit Messdaten verglichen wurden. Über die Modellierung einer einzelnen Radarspur konnte die spezielle Charakteristik der entsprechenden gemessenen Spur erklärt werden, die durch den Einfluss einer dünnen Schicht zustande kommt, deren Mächtigkeit an der Grenze der theoretischen Auflösung für die verwendete Radarfrequenz liegt. Auf Basis der Erkenntnisse aus der erweiterten Radarstratigraphie an einem Radargramm auf fluvialen Lockersedimenten war es zudem möglich, ein komplettes Radargramm zu simulieren. Es gibt das gemessene Radargramm vereinfacht, aber in guter Übereinstimmung wieder. Die Georadarmethode erwies sich als sehr gut geeignet für die Untersuchung, Identifizierung und Quantifizierung fluvialer Sedimente im Palancia-Einzugsgebiet. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte erweiterte Radarstratigraphie-Methode stellt ein systematisches und weitgehend objektives Verfahren zur Auswertung von Radargrammen dar, das sich auch auf andere Untersuchungsgebiete übertragen lassen sollte. Durch Laboruntersuchungen wurde der Einfluss petrophysikalischer Parameter auf den DK bestimmt. Über die Modellierungen konnten die Ergebnisse großskaliger Geländemessungen mit denen kleinskaliger Labormessungen verknüpft werden. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Radargrammen bei.
• Dryland river systems are particularly sensitive to environmental changes, which makes them interesting for research on influences of neotectonics, climate changes, or anthropogenic land use on the river system development. In this context, geomorphologists and geophysicists from the Frankfurt University are investigating the Rio Palancia watershed (Spain). The greater aim is to establish a sediment budget. Ground-penetrating radar (GPR) was used for identifying and quantifying different budget components. Objectives of this thesis are to better understand GPR data and to extract as much information as possible from a radar profile. 30 locations have been investigated with GPR, in combination with geoelectrical measurements and corings. A special processing and data-analysis system is introduced to provide comparability of GPR profiles from different sites. A peculiarity is the implementation of two different ways of data processing and display. One is to preserve the – at least relative – amplitude characteristics, the other is to enhance subsurface structures. After that the advanced radarstratigraphic method can be applied. This method consists of the classical radarstratigraphic method and the newly developed reflection analysis. Radar surfaces, radar packages, and radar facies in a GPR profile are identified by marking systematic reflection terminations. Magnitude, width, and polarity of the amplitudes are then examined. Radarstratigraphy provides an objective insight into shape and progression of subsurface structures, whereas reflection analysis allows conclusions about relative changes in water content, grain size composition, and electrical conductivity. The radarstratigraphic method was used for comparing radar responses of different sediment budget components. The GPR profiles show varying compositions of radar facies. Thus a classification and localisation of different budget components with GPR is possible in the research area. Dielectric permittivity is the crucial parameter in GPR measurements. In combination with electrical conductivity, it determines velocity and attenuation of electromagnetic waves as well as reflection coefficients. Thus, knowledge of the dependence of the dielectric permittivity of soils on physical properties such as water content, density, and grain-size distribution is essential to understand radar images. Therefore, samples were taken from corings on GPR profiles, and laboratory measurements were performed to establish quantitative relations among these parameters. The real and imaginary parts of the dielectric permittivity were determined in the radar frequency range (with a focus on 200 MHz) with the parallel-plate method in combination with an impedance analyzer. The results show the wellknown increase in dielectric permittivity with increasing water content, as presented in the literature; however, the new values are systematically higher. This deviation may be caused by the high carbonate content of the samples. A basic relationship between dielectric permittivity and water content was established that is characteristic for soils in the research area. In addition to the dominating influence of water on permittivity, a correlation with dry density was found as well, which is linear for dry samples. Finally, the attenuation coefficients were calculated. High attenuation for samples with high clay fraction were found, even at low water contents. The characteristic permittivity / water content relationship was used to model radar responses. Those were compared with measured radar data. A 1D model of the permittivity distribution was constructed from borehole data (water content and layer thickness) coincident with a GPR profile and from the laboratory data. The simulation of the radar trace allowed the explanation of the observed radar response, which is characterized by a thin layer with a thickness in the range of the theoretical resolution length of radarwaves at the used frequency. The modeling of a whole radar profile, including the knowledge gained from the advanced radarstratigraphy of a measured radar profile, which was done in this thesis, is unique. The modeled and the measured profile match very well. The GPR method has proven to be very suitable for the investigation, identification and quantification of fluvial sediments in the Rio Palancia watershed. The newly developed advanced radarstratigraphic method is a systematic and objective tool for radar data analysis and may be used for GPR data in other studies. The influence of physical properties on permittivity was determined by laboratory measurements. Large-scale field measurements could be connected to small-scale laboratory measurements by modeling radar data. The knowledge gained in this thesis adds to a better understanding of radar profiles.