Geoelektrische Indikatoren an Massenbewegungen

Massenbewegungen stellen eine der größten Bedrohungen für Menschenleben, Siedlungen und Infrastruktur in der heutigen Zeit dar. Wie vom EU-Projekt SafeLand aufgezeigt wurde hat Europa in Vergleich zu anderen Kontinenten die zweitgrößte Anzahl an Todesfällen und den höchsten Schaden aufgrund von Massenbewegungen im zwanzigsten Jahrhundert hinnehmen müssen. Der beste Weg, solche hohen Verluste an Menschenleben und Besitz einzuschränken oder zu verhindern ist eine effektive Landnutzungsplanung und Gefahrenzonierung. Allerdings ist die Durchführung einer solch idealen Vorgangsweise aufgrund von historischen oder politischen Gründen oft nicht möglich. So wurden viele Bauten und Infrastruktur in gefährdeten Gebieten oft schon Jahrzehnte vor der Erstellung von Gefahrenzonenplänen angelegt. Eine Absiedelung der betroffenen Bewohner ist oft nicht möglich. Folglich ist es das Ziel der verantwortlichen Gebietskörperschaften, den betroffenen Personen ein sicheres Leben im gefährdeten Gebiet zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist die Installation von verlässlichen Vorwarnsystemen notwendig. Die heute üblichen Vorwarnsysteme verwenden als beobachteten Parameter meist den Porenwasserdruck und die auftretenden Bewegungsraten. Die Forschungen der letzten Jahre haben allerdings gezeigt, dass es andere Messwerte gibt, die vielleicht sogar vor Auftreten einer Bewegung eine Änderung im Untergrund aufzeigen können. Dies ist genau der Punkt, wo das vorliegende Projekt ansetzt. Sein Hauptziel ist es, zu evaluieren, ob geoelektrische Parameter als mögliche Indikatoren für eine bevorstehende Auslösung von Hangbewegungen in gefährdeten Gebieten herangezogen werden können. Dabei verfolgt das Projekt einen zweifachen Ansatz: Zum einen soll sowohl die Technologie der geoelektrischen Datenaufnahme als auch die Algorithmen zur Inversion geoelektrischer Daten signifikant verbessert werden. Die angestrebten Neuerungen basieren einerseits auf der jahrelangen Erfahrung der Geologischen Bundesanstalt im Bereich des geoelektrischen Monitorings, die zur Entwicklung des GEOMON 4D Gerätes geführt hat und andererseits auf den bahnbrechenden Arbeiten des südkoreanischen Experten Jung-Ho Kim im Bereich der 4D Dateninversion. Ohne Entwicklung dieser neuen Routinen ist eine sinnvolle Interpretation von geoelektrischen Monitoringdaten stark eingeschränkt. Im Rahmen des vorliegenden Projektes soll ein Mehrwert durch die Verschmelzung beider Kompetenzen erreicht werden. Zum anderen sollen an verschiedensten Massenbewegungen in Europa Monitoringsysteme installiert werden, die erstmals über längere Zeiträume komplexe Datensätze, bestehend aus geoelektrischen sowie hydrologischen und bewegungsanzeigenden Werten mit hoher zeitlicher Wiederholungsrate, generieren. Aufgrund der zwischen den Parametern aufgestellten Korrelationen wird schlussendlich eine Evaluierung der geoelektrischen Methode auf ihre praktische Anwendbarkeit als zusätzlicher Parameter im Rahmen von Vorwarnsystemen angestrebt.

Die Fachabteilung Geophysik der Geologischen Bundesanstalt war in den Jahren 2011 bis 2014 mit der Durchführung des Forschungsprojektes TEMPEL betraut. Ziel des Projektes war es herauszufinden inwiefern sich geoelektrische Monitoring Daten als Informationsquelle für das Verständnis von Aktivierungsprozessen von Hangrutschungen eignen. Das Hauptaugenmerk des Projektes bestand somit darin, die geoelektrische Messmethode im Monitoring Betrieb auf bekannten Hangrutschungen anzuwenden und die daraus gewonnen Daten in Kombination mit komplementären Messmethoden (Bewegungsmessungen, Grundwasserspiegel, Bodenfeuchte, etc.) für ein besseres Verständnis des allgemeinen Rutschkörperzustandes, vor allem aber dessen Änderung während auftretender Aktivierungsphasen, zu nützen. Um dieses Vorhaben umzusetzen, waren neben einigen technischen Weiterentwicklungen rund um das geoelektrische Monitoring System (Geoelektrik Gerät (Geomon4D), Stromversorgung, etc.) auch wesentliche Fortschritte bei der Datenauswertung (Qualitätskontrolle, Filterung, Inversion) notwendig. Das Projektvorhaben wurde von diversen internationalen Kooperationspartnern vor allem im Bereich Infrastruktur, Logistik und Datenaustausch unterstützt. Hervorzuheben ist die Kooperation mit dem Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), dessen Mitarbeiter Dr. Jung-Ho Kim, im Rahmen dreier längerer Forschungsaufenthalte in Wien, eine für die Fragestellung optimierte, innovative Inversionssoftware entwickelt hat. Durch diese neu entwickelte Auswertemethode wurde die Möglichkeit geschaffen, detaillierte Analysen der zeitlichen Änderungen des elektrischen Widerstandes des Untergrundes über lange Zeiträume durchzuführen. Die benötigten Messdaten wurden im Laufe des Projektes an 10 verschiedenen Lokationen in Österreich, Italien und Frankreich generiert, wobei die ZeitspannedeserfolgtenMonitoringsaufgrundverschiedenerUrsachen (Sanierungsmaßnahmen, schlechte Datenqualität, etc.) sehr unterschiedlich war. Zu betonen ist, dass an manchen Monitoring Stationen nur wenige Phasen erhöhter Bewegungsaktivität beobachtet wurden, wodurch die Verifizierung der Geoelektrik als geeignete Monitoring Methode deutlich erschwert wurde. Gleichzeitig wurde dadurch aber die Wichtigkeit bzw. Notwendigkeit von langen Messreihen offenbart. Aus diesem Grund wird der Betrieb von nicht weniger als 5 Monitoring Stationen in Folgeprojekten weitergeführt, um die Messreihen zu verlängern und somit die Signifikanz der darauf basierenden Interpretationen zu stärken. Dennoch konnten auf der generierten Datenbasis wichtige Schlüsse über die Aussagekraft der geoelektrischen Monitoring Daten in Bezug auf den Zustand von aktiven Hangrutschungen getroffen werden. Es hat sich gezeigt, dass der alles kontrollierende Faktor für die Hangbewegung in praktisch allen Fällen der Wassereintrag in den Untergrund ist. Allerdings spielen hierbei Kriterien wie die lokale Untergrundbeschaffenheit, der Ausgangszustand (bereits vorhandene Wassersättigung), die Intensität des Wassereintrages und der saisonale Zyklus eine entscheidende Rolle. Die Interpretation der geoelektrischen Monitoring Daten hat gezeigt, dass klare saisonale Unterschiede in der Rutschaktivität bestehen, die vor allem auf die vorhandene Wassersättigung zurückzuführen sind. Mittels der neuen Auswertesoftware konnte erstmals ganz klar nachgewiesen werden, dass es bei ähnlichem Wassereintrag zu ganz unterschiedlichen Charakteristiken bei der Infiltration in den Untergrund kommen kann, welche die Wahrscheinlichkeit einer auftretenden Verschiebung maßgeblich beeinflussen. Schlussendlich zeigt sich in dieser Erkenntnis der große Nutzen der Geoelektrik im Monitoring Betrieb, indem dynamische Prozesse in einem größeren Untergrundbereich abgebildet werden können, die eine wesentliche Zusatzinformation zu den klassischen, auf einzelne Messpunkte beschränkte Monitoring Methoden (Inklinometer, Porenwasserdruck, etc.) liefern.