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AP1: Schlüsselparameter kritischer Zonen in Erdfällen

Für dieses Arbeitspaket sind die Forschungsthemen: (1) Identifikation und Vorhersage seismischer Attribute für Subrosion aus Oberflächenmessungen, (2) Definition physikalischer Eigenschaften in situ und Test ihres geotechnischen Anwendungspoten-zials, und (3) Einführung spezifischer und sensitiver Parameter in ein langfristiges Überwachungskonzept.

Die wesentlichen Methoden des APs sind: (1) P- und S-Wellen Reflexionsseismik, 2,5-D Untersuchungen und VSP/MSP, (2) Bohrloch- und Labormessungen von physikalischen und strukturellen Parametern, und (3) tomographische und cross-hole Studien.

Abb.1. Illustration von benötigte Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zur Abbildung von Schlüsselstrukturen an der Oberfläche und in der Tiefe (verändert nach Krawczyk & Dahm, 2011).

Abb.2. Interpretation eines migrierten und tiefenkonvertierten S-Wellen-Profils, gemessen am schiefen Kirchturm in Bad Frankenhausen bearbeitet nach Wadas et al. (2016), prozessierte Sektion (links), interpretierte Sektion (Mitte), prozessierte Sektion mit Geschwindigkeitsmodell (rechts).

AP2: seismische Überwachung und Charakterisierung

Die wissenschaftlichen Schlüsselfragen für dieses Arbeitspaket sind: (1) Was sind die seismogenen Charakteristika der Senkungsgebiete in Hamburg und Thüringen? (2) Wie ist eine Identifikation von schwachen seismogenen Signalen im urbanen Umfeld möglich? (3) Wie ist das seismogene Verhalten im Vergleich zu möglichen Schwereänderungen, der Deformation und Vorhersagen aus der nummerischen Modellierung? (4) Wie kann das Wissen um das seismogene Verhalten einschließlich möglicher seismischer Vorboten genutzt werden, um existierende Entscheidungsprotokolle zu verbessern?

Fur dieses Arbeitspaket sind die wichtige Forschungsthemen: (1) Charakterisierung des urbanen Rauschfeldes zur Unterscheidung von möglichen seismogenen Signalen, die ihre Ursache in den Erdfallstrukturen besitzen, (2) Detektion und Lokalisierung von mikroseismischen Ereignissen zur Charakterisierung des seismogenen Verhaltens der Erdfallstrukturen, und (3) Vergleich des seismogenen Verhaltens der Erdfallstrukturen mit beobachtetem Deformationsverhalten und raum-zeitlicher Entwicklung aus Distinkter-Elemente-(DE)-Modellierung.

Abb.1. Illustration von benötigte Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zur Abbildung von Schlüsselstrukturen an der Oberfläche und in der Tiefe (verändert nach Krawczyk & Dahm, 2011). Der gelbe Kreis zeigt die Fokusmethoden in diesem Arbeitspaket.

Abb. 2. Detektion und Lokalisierung von mikroseismischen in Schmalkalden. Oben: einsatzzeiten, unten: Lokalisation mit Grid- search Verfahren.

AP3: Oberflächendeformation und Massenverschiebung

Dieses Arbeitspaket versucht, diese Schlüsselfragen zu erforschen: (1) Wie groß sind Deformationsraten / Schwereänderungen über Erdfällen in Hamburg und Thüringen? (2) Wie variieren Erdfall-induzierte Deformationen und Massenumlagerungen räumlich und zeitlich? Und (3) Inwiefern können diese Informationen Randbedingungen für geophysikalische Modellierungen liefern und zu einem besseren Prozessverständnis hinsichtlich der Erdfallbildung beitragen?

Ziel des Antrags ist die Entwicklung einer zeitgemäßen Kombination geodätisch-geophysikalischer Methoden zur Überwachung Erdfall-induzierter Oberflächendeformationen und Massenumlagerungen auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen. Verwendet werden GNSS, Nivellements und zeitabhängige Gravimetrie und InSAR ; die Interpretation basiert auf geophysikalischen Modellen. Bestehende Zeitreihen (InSAR, GPS, Nivellement) werden integriert, um langfristige Effekte, die vor den Projektstart zurückreichen, zu erfassen.

Abb.1. Illustration von benötigte Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zur Abbildung von Schlüsselstrukturen an der Oberfläche und in der Tiefe (verändert nach Krawczyk & Dahm, 2011). Der gelbe Kreis zeigt die Fokusmethoden in diesem Arbeitspaket.

Abb. 2. Statistische Zusammenstellung der Ermittlung Mit dem FG5X-220 Absolutgravimeter aus 2015 in Bad Frankenhausen

AP4: Interaktion Gestein-Boden-Wasser

Die Forschungsthemen für dieses Arbeitspaket sind: (1) Entwicklung einer Erkundungsstrategie, um Erdfälle mittels kombiniertem Einsatz von 3-D elektrischer und elektromagnetischer Tomografie, geringinvasiven in situ Messungen (Direct Push) und petrophysikalischer Untersuchungen zu bewerten, (2) Untersuchung der für die Speläogenese maßgeblichen Parameter, und (3) Entwicklung eines Überwachungs- und Frühwarnsystems, das -basierend auf einer optimierten Feldmesstechnik und Dateninterpretation- Änderungen relevanter geophysikalischer, geotechnischer und hydrogeologischer Parameter im Vorfeld der Erdfallbildungen anzeigt. Die Innovation von AP4 liegt in der interdisziplinären Bearbeitung der folgenden Punkte:

(1) systematische Kombination von dreidimensionalen geophysikalischen Verfahren mit hochauflösenden in situ Verfahren zur Erfassung der für die Erdfallbildung und das Setzungsverhalten relevanten geomechanischen, petrophysikalischen und sedimentologischen Einflussgrößen; (2) Entwicklung einer Überwachungsstrategie; und (3) Kombination der erhobenen Felddaten mit dem numerischen Prozessmodell (AP5) für die optimierte Auslegung des Überwachungssystems.

Abb.1. Illustration von benötigte Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zur Abbildung von Schlüsselstrukturen an der Oberfläche und in der Tiefe (verändert nach Krawczyk & Dahm, 2011). Der gelbe Kreis zeigt die Fokusmethoden in diesem Arbeitspaket.

Abb. 2. Hydraulische Sondierung und direct Push-Messungen in Münsterdorf.

AP5: Entwicklung von Hohlräumen und Kollapserdfällen

Dieses Arbeitspaket ist darauf ausgelegt, einen integrativen numerischen Modellierungsansatz zu ermöglichen, der die verschiedenen physikalischen, chemischen und zeitlichen Aspekte der Erdfallentstehungskette untersucht. Numerische Untersuchungen zur Genese von Erdfallstrukturen lassen sich in zwei Themengebiete aufteilen. Das erste Themengebiet umfasst die Verkarstung und Speläogenese des löslichen Gesteins, und die Entwicklung unterirdischer Hohlräume und „kritischer Zonen“ durch die Auflösung des löslichen Gesteins, und beschäftigt sich mit der Frühphase der Verkarstung.

Das zweite Themengebiet beleuchtet die mechanische Instabilität und die Senkung der Erdoberfläche über den ausgelaugten kritischen Zonen, die eventuell zum Kollaps und zur Erdfallbildung führen. Die Aufteilung der Themengebiete spiegelt die verschiedenen Prozesse wider (Initiale Hohlraumbildung, Vergrößerung des Hohlraums, Deckenverbruch, Einsturz), die als Prozesskette aufgefasst werden können.

In AP5 sind folgende Innovation und Anwendung enthalten:

(1) mithilfe des KARSTAQUIFER Programmpakets werden für die Fokusgebiete Prozesse simuliert, die zur Entstehung und Entwicklung von Hohlräumen mit Kollapspotenzial führen

(2) die Anwendung eines 3-D DEM-Modells für das bessere Verständnis von geophysikalischen und geodätischen Felddaten, um Beginn eines möglichen Einsturzes frühzeitig zu erkennen,

(3) die Simulation von hydraulischen Effekten durch Einfluss des Menschen, welche sowohl die Lösung des Gesteins wie auch Stabilität der Erdfälle beeinflussen, um bessere Vorhersagen zu machen.

Abb.1. Illustration von benötigte Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zur Abbildung von Schlüsselstrukturen an der Oberfläche und in der Tiefe (verändert nach Krawczyk & Dahm, 2011). Der gelbe Kreis zeigt die Fokusmethoden in diesem Arbeitspaket.

Abb. 2. 3D Entwicklung eines Lösungserdfalls. Gezeigt ist die vertikale Bodenbewegung der oberen Schicht anhand eines Einblicks in die Modellbox. Wichtige Informationen über Gesteinsbewegungen vor oder während eines Kollapsereignisses können anhand des Modells beschrieben werden. Dimensionen in Anlehnung einer Fallstudie in Frankreich (Cerville).  

AP6: Protokolle und Entscheidungsprozess

Für dieses Arbeitspaket bringen alle geologischen Dienste ihre lokale Expertise, Hintergrundinformationen, Daten und Ergebnisse der hydrologischen und geochemischen Analysen von Aquiferen an den jeweiligen spezifischen Lokationen ein. Sie werden die Verbindung zwischen Wissenschaft und Entscheidungsträgern sowie die Kommunikation mit der Bevölkerung herstellen.

Die Dienste tragen zur Unterrichtung der betroffenen Bevölkerung bei und ermöglichen ein crowd-sourcing mit Fragebögen, wenn Erdfallunruhe auftritt. Die Ergebnisse des Früherkennungssystems werden in die Entwicklung von Planungen zum Gefährdungsmanagement einfliessen und somit Richtlinien und Verantwortlichkeiten definieren.

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