Köln, Universiẗat, Diss., 2002.

In this dissertation an approach is presented for the three-dimensional electrical resistivity tomography (ERT) using unstructured discretizations. The geoelectrical forward problem is solved by the finite element method using tetrahedral meshes with linear and quadratic shape functions. Unstructured meshes are suitable for modelling domains of arbitrary geometry (e.g., complicated topography). Furthermore, the best trade-off between accuracy and numerical effort can be achieved due to the capability of problem-adapted mesh refinement. Unstructured discretizations also allow the consideration of spatial extended finite electrodes. Due to a corresponding extension of the forward operator using the complete electrode model, known from medical impedance tomography, a study about the influence of such electrodes to geoelectrical measurements is given. Based on the forward operator, the so-called triple-grid-technique is developed to solve the geoelectrical inverse problem. Due to unstructured discretization, the ERT can be applied by using a resolution dependent parametrization on arbitrarily shaped two-dimensional and three-dimensional domains. A~Gauss-Newton method is used with inexact line search to fit the data within error bounds. A global regularization scheme is applied using special smoothness constraints. Furthermore, an advanced regularization scheme for the ERT is presented based on unstructured meshes, which is able to include a-priori information into the inversion and significantly improves the resulting ERT images. Structural information such as material interfaces known from other geophysical techniques are incorporated as allowed sharp resistivity contrasts. Model weighting functions can define individually the allowed deviation of the final resistivity model from given start or reference values. As a consequent further development the region concept is presented where the parameter domain is subdivided into lithological or geological regions with individual inversion and regularization parameters. All used techniques and concepts are part of the open source C++ library GIMLi, which has been developed during this thesis as an advanced tool for the method-independent solution of the inverse problem.

Frankfurt (Main), University, Diss., 2007.

Most of the periglacial environments of the Earth are experiencing enormous changes in the context of the current climate warming. These changes have strong impacts on both the thermal regime in the subsurface and on geomorphological processes taking place. In order to assess how periglacial regions will develop in the future, it is important to know the recent subsurface structures and to understand complex interactions between different surface and subsurface characteristics. Small-scale heterogeneities play an important role in this context, as they make large-scale predictions regarding future developments very difficult. In this study, these small-scale heterogeneities in surface and subsurface characteristics were examined within the area of individual landforms but also at a regional scale within the Mackenzie Delta Region. In addition to surface-subsurface interactions, the focus was on the geomorphological landforms of pingos and retrogressive thaw slumps. Pingos are key features of polar permafrost environments, are very sensitive to changes in environmental conditions and, hence, are interesting periglacial features to study surface-subsurface interactions. In contrast to this, retrogressive thaw slumps are a result of rapid thaw of ice-rich permafrost and arise more frequently in recent decades due to climate change. To enhance knowledge about the formation and development of these landforms, detailed, three-dimensional investigations were performed at a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, at a hydrostatic pingo on the Tuktoyaktuk Peninsula and at a hydraulic pingo in the more southern Ogilvie Mountains. Quasi-three-dimensional electrical resistivity tomography (ERT), ground-penetrating radar (GPR) and frost probing surveys were conducted to obtain high-resolution three-dimensional information about the subsurface structures in the area of the landforms. Additional drone surveys and monitoring of ground surface temperatures provided information about surface characteristics and thermal regimes in different relief positions. The aim of this methodological approach was to measure various surface and subsurface properties in the area of the different landforms in order to analyse their interactions and relationships in more detail. In the area of the pingos, the aim was to better understand the internal structures of the landforms in particular and to determine their relationship to the local hydrology. At the retrogressive thaw slump the main objective was the investigation of relationships between subsurface structures like ice content variabilities or active layer thickness and the spatiotemporal slump development. At the retrogressive thaw slump site, the approach revealed strong heterogeneities in subsurface properties in the area close to the retreating headwall. Variations in ice content and partly unfrozen layers seem to affect the spatiotemporal slump development and the local hydrology. The local hydrology is additionally affected by a strong permafrost table topography, which was revealed by frost probing and GPR. Spatial and temporal variations in slump development were obtained from satellite data but also from two high-resolution digital elevation models derived from drone surveying. These data provide evidence on an acceleration of slump growth but also confirmed material accumulation in the slump floor indicating slump stabilisation. At the two pingo sites the focus was on the three-dimensional internal structures of the features and the delineation of frozen and unfrozen areas but also of potential massive ice bodies. At the hydrostatic pingo, a massive ice core could be detected but its position was not centred below the pingo. Instead, it is located below the western flank, whereas the eastern flank is underlain by ice-poor permafrost and partly unfrozen sediments. This contrasts with theory and raises some questions about pingo formation in general. At the hydraulic pingo, probably unfrozen areas could be detected below the centre of the pingo, which may enable ascend of artesian water. This fits to theory but the measurements failed to detect a clearly delineated, massive ice core at this site. The results of both pingo sites are among the first high-resolution, three-dimensional subsurface models of pingos and provide valuable insights to enhance knowledge about pingo formation. The more regional analysis of surface-subsurface relationships in the Mackenzie Delta Region was performed based on data collected at 25 reconnaissance sites along a north-south transect between the Richardson Mountains in the south and Richards Island and the Tuktoyaktuk Peninsula in the north. Six sites were located on Richards Island, whereas the other sites were located along the Dempster and the Inuvik-Tuktoyaktuk Highways. At each site, two-dimensional ERT surveys, frost probing and vegetation height measurements were performed. Year-round measurements of ground surface temperatures at nearly all sites completed the approach and allowed the investigation of site-specific ground thermal regimes. The ERT measurements revealed strong subsurface heterogeneities on various spatial scales but also some spatial patterns in subsurface resistivity, which seem to be related to recent morphology. The investigation of relationships between various surface parameters and the subsurface parameters of active layer thickness or electrical resistivity indicated a scale-dependent relationship between various parameters. On small spatial scales (< 10 m) there are only low to moderate correlations between surface and subsurface properties. On larger spatial scales several moderate and strong correlations could be detected using the site-specific mean values. This concerns especially relationships between the active layer thickness and several relief-related but also hydrological and vegetation-related parameters. Regarding the electrical resistivity of the subsurface, moderate or strong correlations are restricted to the hydro-geographical parameters of flow accumulation and topographic wetness index. The results of this study contribute to a better understanding of three-dimensional subsurface structures and heterogeneities in the area of pingos and retrogressive thaw slumps and therefore gain knowledge about the development of these landforms. The investigation of surface-subsurface interactions enhanced understanding of complex system interactions in periglacial environments, which should contribute to a better prediction of future landscape development in the Mackenzie Delta Region but also in other periglacial environments, especially in the context of ongoing global warming. / Die meisten Periglazialgebiete der Erde erfahren im Rahmen der aktuellen Klimaerwärmung weitreichende Änderungen, die einen erheblichen Einfluss sowohl auf das thermische Regime im Untergrund als auch auf die ablaufenden geomorphologischen Prozesse haben. Um abschätzen zu können, wie sich die Periglazialgebiete in Zukunft entwickeln, ist es notwendig, die aktuellen Untergrundeigenschaften zu kennen und komplexe Interaktionen zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften zu verstehen. Vor allem kleinräumige Heterogenitäten sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig, da sie großskalige Vorhersagen bezüglich der zukünftigen Entwicklung deutlich erschweren. Im Rahmen dieser Studie wurden ebendiese kleinräumigen Heterogenitäten der Oberflächen- und Untergrundeigenschaften im Bereich einzelner Landformen aber auch auf einer größeren räumlichen Skala in der Mackenzie-Delta Region untersucht. Neben den Oberflächen-Untergrund-Interaktionen waren vor allem die geomorphologischen Formen der Pingos und Taurutschungen von Interesse. Pingos gehören zu den indikativen Landformen des polaren Permafrostes, sind sehr sensitiv gegenüber Veränderungen der äußeren Einflüsse und daher auch interessant für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Untergrund und Oberfläche. Im Gegensatz dazu resultieren Taurutschungen aus dem schnellen Abtauen von eisreichem Permafrost, welche in den letzten Dekaden durch die anhaltende Klimaerwärmung gehäuft auftraten. Um die Entstehung und Entwicklung dieser Landformen besser zu verstehen, wurden detaillierte dreidimensionale Untersuchungen an einer Taurutschung in den Richardson Mountains, einem hydrostatischen Pingo auf der Tuktoyaktuk-Halbinsel und an einem hydraulischen Pingo in den weiter südlich gelegenen Ogilvie Mountains durchgeführt. Um hochaufgelöste, dreidimensionale Informationen über die Untergrundstrukturen im Bereich der Landformen zu erhalten, wurden quasi-dreidimensionale, geoelektrische Widerstandstomographie (ERT), Georadar (GPR) und Messungen der Auftauschichtmächtigkeit durchgeführt. Zusätzlich wurden Drohnenbefliegungen sowie Monitoring von Oberflächentemperaturen durchgeführt, um weitere Informationen zu Oberflächeneigenschaften, dem Relief und dem thermischen Regime in verschiedenen Reliefpositionen zu erhalten. Ziel dieses methodischen Ansatzes war es, verschiedene Oberflächen- und Untergrundeigenschaften im Bereich der verschiedenen Landformen zu messen, um deren Wechselwirkungen und Beziehungen genauer zu analysieren. Im Bereich der Pingos ging es vor allem darum, die internen Strukturen der Landformen besser zu verstehen und ihre Beziehung zur lokalen Hydrologie zu untersuchen. An der untersuchten Taurutschung konnte der Ansatz starke Heterogenitäten der Untergrundeigenschaften im Bereich angrenzend an die zurückweichende Stirnwand der Rutschung aufzeigen. Sowohl Variationen im Eisgehalt als auch teilweise ungefrorene Schichten im Untergrund scheinen die raumzeitliche Entwicklung der Rutschung sowie die lokale Hydrologie zu beeinflussen. Die Hydrologie an diesem Standort ist zudem noch durch eine starke Topographie der Permafrosttafel beeinflusst, die durch Messung der Auftauschichtmächtigkeit sowie GPR-Messungen detektiert werden konnte. Die räumlichen und zeitlichen Variabilitäten in der Entwicklung der Rutschung wurden mit Hilfe von Satellitendaten und zwei hochaufgelösten, drohnenbasierten Geländemodellen abgeleitet. Diese Daten deuten auf eine Beschleunigung des Rutschungswachstums hin, konnten aber auch eine Materialakkumulation im Bereich vor der rückschreitenden Erosionsstirn bestätigen, welche als Indiz für eine Stabilisation gesehen werden kann. An den beiden Pingos lag der Fokus auf deren dreidimensionalen internen Strukturen und der Abgrenzung von gefrorenen und ungefrorenen Bereichen sowie von potentiellen massiven Eiskörpern. Am hydrostatischen Pingo konnte ein massiver Eiskörper nachgewiesen werden, allerdings ist seine Position nicht zentral unter dem Pingo lokalisiert. Stattdessen ist er eher unter der westlichen Flanke des Pingos sowie dessen angrenzender Umgebung lokalisiert, während die östliche Flanke von eisarmem Permafrost und teilweise ungefrorenen Sedimenten unterlagert ist. Dies steht ein Stück weit in Kontrast zur bisher geltenden Theorie und wirft neue Fragen hinsichtlich der Pingo-Genese auf. Am hydraulischen Pingo konnten mutmaßlich ungefrorene Bereiche zentral unter dem Pingo detektiert werden, welche möglicherweise den Aufstieg von artesischem Grundwasser ermöglichen. Dies passt zur Theorie, wobei allerdings mit Hilfe der Messungen kein klar abgegrenzter, massiver Eiskern detektiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Studien gehören zu den ersten hochaufgelösten, dreidimensionalen Untergrundmodellen von Pingos und bieten daher wertvolle Einblicke, um das Verständnis zur Entstehung von Pingos zu verbessern. An der untersuchten Taurutschung war das Hauptziel die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Untergrundeigenschaften wie beispielsweise relativen Eisgehaltsänderungen oder der Auftauschichtmächtigkeit und der raumzeitlichen Entwicklung der Taurutschung. Die eher großskalige Analyse von Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Untergrund in der Mackenzie-Delta Region wurde auf Basis von 25 Messprofilen entlang eines Nord-Südtransektes zwischen den Richardson Mountains im Süden und Richards Island bzw. der Tuktoyaktuk Halbinsel im Norden durchgeführt. Sechs dieser Untersuchungsgebiete lagen auf Richards Island, wohingegen die restlichen Profile entlang des Dempster- und Inuvik-Tuktoyaktuk-Highways lagen. An jeder dieser Lokalitäten wurde ein zweidimensionales ERT-Profil, sowie die Mächtigkeit der Auftauschicht und die Vegetationshöhe gemessen. Ganzjährige Messungen der Oberflächentemperatur an nahezu allen Standorten ermöglichte zudem die Untersuchung lokalitätsspezifischer thermischer Regime. Die ERT-Messungen konnten auf verschiedenen räumlichen Skalen starke Heterogenitäten aber auch scheinbar reliefbedingte räumliche Muster im oberflächennahen Untergrund detektieren. Die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Oberflächenparametern mit den Untergrundparametern der Auftauschichtmächtigkeit sowie der elektrischen Widerstände zeigte einige skalenabhängige Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern. Auf kleinen räumlichen Skalen (<10 m) gibt es scheinbar nur schwache bis moderate Zusammenhänge zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften. Auf räumlich etwas größeren Skalen (~200 m) konnten unter der Verwendung von lokalen Mittelwerten hingegen einige moderate und auch starke Zusammenhänge nachgewiesen werden. Dies betrifft vor allem Zusammenhänge zwischen der Auftauschichtmächtigkeit und reliefbezogenen, hydro-geographischen, oder vegetationsbezogenen Parametern. In Bezug auf die elektrischen Widerstände des Untergrundes beschränken sich moderate und stärkere Zusammenhänge lediglich auf die hydro-geographischen Merkmale der Einzugsgebietsgröße sowie des topographischen Feuchteindizes (TWI). Die Ergebnisse dieser Studie tragen zu einem besseren Verständnis der dreidimensionalen Untergrundstrukturen und Heterogenitäten im Bereich von Pingos und Taurutschungen bei und helfen so, deren Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen. Die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften kann zudem das Verständnis bezüglich komplexer Systeminteraktionen in Periglazialgebieten verbessern. Dies soll dazu beitragen, die zukünftige Landschaftsentwicklung in der Mackenzie-Delta Region, aber auch in den anderen Periglazialgebieten der Erde besser einschätzen zu können – besonders auch im Rahmen der anhaltenden Klimaerwärmung. / Most of the periglacial environments on Earth are experiencing enormous changes during the ongoing climate warming. These changes strongly affect the thermal regime in the subsurface as well as geomorphological processes taking place. To assess how periglacial environments will develop in the future, it is important to know the recent subsurface structures and to understand their complex relationships to surface characteristics. Small-scale heterogeneities play an important role in this context, as they make large-scale predictions regarding future development very difficult. This study presents a multimethodological approach to reveal relationships between surface and subsurface properties and their respective small-scale distribution along a north-south transect throughout the Mackenzie Delta Region in Northwest Canada. In addition, high-resolution three-dimensional investigations of two pingos and a retrogressive thaw slump reveal new insights in the morphological development of these landforms.

The presented thesis deals with the multi-dimensional reconstruction of the earth's conductivity distribution based on DC resistivity data. This task represents a nonlinear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom. In this work, techniques for regularization and controlling of this problem are depicted and classified. Particularly, it is concentrated on explicit regularization types, which impose constraints onto the model. The system of equations as resulting from the application of the Gauss-Newton minimization can be solved efficiently. Furthermore, it is shown how the regularization strength can be controlled. The method of non-linear resolution analysis plays a central role in the thesis. It represents a powerful tool to estimate the quality of inversion results. Furthermore, the derived resolution measures provide the basis for the optimization of experimental design concerning information content and efficiency. Methods of error estimation, forward modeling and the calculation of the Jacobian matrix for DC resistivity data are developed. Procedures for appropriate parameterization and inversion control are pointed out by studies of synthetic models. Different inversion and regularization methods are examined in detail. A linearized study is used to compare different data sets considering their efficiency. Moreover, a triplegrid-technique for the incorporation of topography into three-dimensional inversion is presented. Finally the inversion methods are applied to field data. The depicted optimization strategies are realized in practice, which increases the economic relevance of threedimensional data acquisition. The structure of the subsurface is imaged in detail for several applications in the fields of cavity detection, archaeology and the investigation of ground falls. The resolution analysis is successfully established to appraise the obtained results.

Am Pilotstandort Ketzin (Deutschland) war die Überwachung der CO2-Injektion und der CO2-Ausbreitung im tiefen Untergrund eines Sandsteinreservoirs erstmalig Gegenstand intensiver geoelektrischer Untersuchungen. Die vorliegende Dissertation liefert geoelektrische Erkenntnisse in einem durchgeführten wissenschaftlichen Praxistest im ersten landgestützten Feldexperiment in Europa. Die Pilotanlage umfasst eine Injektionsbohrung und zwei Beobachtungsbohrungen. Die Messungen dieser Arbeit wurden im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes CO2SINK in Zusammenarbeit des Helmholtz-Zentrum Potsdams (Deutsches GeoForschungs-Zentrum, GFZ) mit der Universität Leipzig durchgeführt. Es ergaben sich folgende konkreten Fragestellungen: Kann die CO2-Speicherung in Ketzin mithilfe geoelektrischer Verfahren überwacht und abgebildet werden? Wie kann ein geoelektrisches Monitoring technisch und wissenschaftlich realisiert werden? Eine Herausforderung dieser Arbeit ist somit auch die technische Realisierung der geoelektrischen Begleitung der Installation, des Einbaus sowie der Zementation der Bohrlochelektroden. Für die wissenschaftliche Umsetzung wurden einerseits geoelektrische Messungen in einer und in mehreren der drei Bohrungen durchgeführt, andererseits kombiniert an der Erdoberfläche und in den Bohrungen. Neben Stabilitätsprüfungen der Messwerte vor dem Beginn der CO2-Injektion fanden umfangreiche geoelektrische Messungen zur zeitlichen und räumlichen Überwachung der Vorinjektionsmaßnahmen und der CO2-Speicherung statt. Die durchgeführten geoelektrischen Bohrlochmessungen bildeten die CO2-Ausbreitung um den Injektionspunkt in einer Tiefe von rund 640 m in den Grenzen ihres Auflösungsvermögens und im Hinblick auf die geologischen Gegebenheiten wie Schichtmächtigkeit und Schichtneigung ab. Die Bereiche zwischen dem CO2-Injektionspunkt und der CO2-Front ließen sich im zeitlichen Injektionsverlauf unter-schiedlich gut auflösen. Je höher die CO2-Injektionsrate war und je kontinuierlicher das CO2 injiziert wuirde, desto besser ließen sich diese Zwischenbereiche geoelektrisch abbilden. Während sich die Form, die Größe und die Lage des injizierten CO2 gut auflösen ließen, konnten dünne Ausbreitungspfade nicht detektiert werden. Das hatte zur Folge, dass nicht alle Bereiche der CO2-Fahne vollständig aufgelöst und abgebildet werden konnten. Darüber hinaus lieferten die kombinierten geoelektrischen Messungen wichtige Erkenntnisse zum allgemeinen CO2-Ausbreitungstrend in nord-westliche Richtung. Die anisotrope Ausbreitung außerhalb des Beobachtungsraumes der Bohrlochmessanordnung konnte somit dennoch nachgewiesen werden. Die in der vorgelegten Dissertation erzielten Ergebnisse sind wegweisend für nachfolgende Projekte zur Speicherung von CO2 und anderer anthropogen verursachter Abfallstoffprodukte. Es wurde ein Beitrag zum Nachweis der prinzipiellen Anwendbarkeit der Geoelektrik als Überwachungsmethode in der CO2-Speicherung geleistet und diese beurteilt.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Theoretische Grundlagen der Gleichstrom-Geoelektrik 2.1.1 Prinzip geoelektrischer Messungen 2.1.2 Der spezifische elektrische Widerstand 2.1.3 Elektrodenkonfigurationen 2.1.4 Signalverarbeitung und 3D-Inversion 2.1.5 Kurze Einführung in die petrophysikalischen Eigenschaften 2.2 Kurze Einführung in die CO2-Speicherung 2.3 Methoden zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.1 Kurze Einführung in die großskalige Tiefengeoelektrik 2.3.2 Weltweite CO2-Speicherprojekte und angewandte Methoden zur Überwachung 2.3.3 Geoelektrische Verfahren zur Überwachung der CO2-Speicherung 2.3.3.1 Modellierungen zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.2 Laborexperimente zur geoelektrischen CO2-Überwachung 2.3.3.3 CO2-Speicherstandorte mit geoelektrischer CO2-Überwachung 2.3.4 Zusammenfassung der Methodeneignung: Geoelektrik zur Überwachung der CO2-Speicherung 3 Pilotstandort Ketzin 3.1 Forschungsprojekte am CO2-Pilotstandort Ketzin 3.2 Geologie und Lokation des Untersuchungsgebietes 3.2.1 Geologie des Untersuchungsgebietes 3.2.2 Lokation und Standortwahl der drei Bohrungen 3.2.3 Bohrlochverlauf der drei Bohrungen 3.2.4 Lithologie am Pilotstandort 3.2.4.1 Stuttgart-Formation 3.2.4.2 Geologische Deckschichten 3.2.5 Zusammenfassung der Standorteignung: Ketzin als CO2- Speicherstandort 3.3 Bohrkernuntersuchungen und Monitoringmethoden 3.3.1 Gewinnung von Bohrkernen und ihre Gesteinsansprache 3.3.2 Laboruntersuchungen an Bohrkernen 3.3.3 Widerstands-Bohrlochmessungen 3.3.4 Aktives seismisches Monitoring 3.3.5 Temperaturmonitoring 3.3.6 Geochemisches Monitoring 3.3.7 Weitere Monitoringmethoden 4 Geoelektrische Messungen im Bohrloch zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 4.1 Technischer Aufbau des permanenten Vertikalelektrodensystems 4.2 Phase I: Installation, Einbau und Zementation der Bohrlochelektroden 4.2.1 Exakte Elektrodenpositionierung 4.2.2 Kontrolle der isolierten Verrohrung auf Beschädigung 4.2.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.2.2 Ergebnisse 4.2.2.3 Interpretation und Diskussion 4.2.3 Überprüfung der Verbindung zwischen installierter Elektrode und Messkabel 4.2.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.3.2 Ergebnisse 4.2.3.3 Interpretation und Diskussion 4.2.4 Überwachung der Zementation der Elektroden im Bohrlochringraum 4.2.4.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.2.4.2 Ergebnisse 4.2.4.3 Interpretation und Diskussion 4.2.5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase I 4.3 CO2-Injektion 4.3.1 Vorinjektionsmaßnahmen und CO2-Injektionsverlauf 4.3.2 Technische Umsetzung der CO2-Injektion 4.4 Phase II: Geoelektrische Messungen im Bohrloch vor dem Start der CO2-Injektion 4.4.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.1.2 Ergebnisse 4.4.1.3 Interpretation und Diskussion 4.4.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.4.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.2.2 Ergebnisse 4.4.2.3 Interpretation und Diskussion 4.4.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.4.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.4.3.2 Ergebnisse 4.4.3.3 Interpretation und Diskussion 4.4.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase II 4.5 Phase III: Geoelektrische Messungen im Bohrloch während der CO2-Injektion 4.5.1 Zeitliche Überwachung der elektrischen Ankopplung der Bohrlochelektroden in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.1.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.1.2 Ergebnisüberblick 4.5.1.3 Zeitlicher Verlauf der Ankopplungsmessungen in der Injektionsbohrung und Interpretation der Ergebnisse 4.5.1.4 Übersicht der Ankopplungsmessungen in den beiden Beobachtungsbohrungen und Interpretation der Ergebnisse 4.5.2 Zeitliche Überwachung spezieller Elektrodenanordnungen in jeweils einer Bohrung 4.5.2.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.2.2 Ergebnisse 4.5.2.3 Interpretation und Diskussion 4.5.3 Geoelektrische Bohrloch-Bohrloch-Messungen in Ktzi200, Ktzi201 und Ktzi202 4.5.3.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 4.5.3.2 Ergebnisse 4.5.3.3 Interpretation und Diskussion 4.5.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse von Phase III 4.6 Diskussion zur Eignung der Bohrlochmessanordnung 4.7 Diskussion zur Funktionsfähigkeit der Bohrlochelektroden 5 Geoelektrische Oberflächen-Bohrloch- und Oberflächen-Oberflächen-Messungen zur Überwachung der CO2-Ausbreitung 5.1 Versuchsaufbau und Datenakquisition 5.1.1 Oberflächenmessanordnung 5.1.2 Bohrlochmessanordnung 5.1.3 Zeitliche Einordnung 5.2 Auswertung der Messdaten im Frequenzbereich 5.2.1 Zeitreihen und Amplitudenspektren 5.2.2 Verteilung der scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände 5.3 Inversionsergebnisse 5.4 Interpretation und Diskussion 5.5 Diskussion zum Ergebnisvergleich zwischen geoelektrischen und anderen Überwachungsmethoden in Ketzin Zusammenfassung und Diskussion Literaturverzeichnis Anhang A.1 Tiefenangaben: verwendete Bezugssysteme in dieser Arbeit A.2 Tabellen A.3 Abbildungen Abkürzungsverzeichnis

In this dissertation an approach is presented for the three-dimensional electrical resistivity tomography (ERT) using unstructured discretizations. The geoelectrical forward problem is solved by the finite element method using tetrahedral meshes with linear and quadratic shape functions. Unstructured meshes are suitable for modelling domains of arbitrary geometry (e.g., complicated topography). Furthermore, the best trade-off between accuracy and numerical effort can be achieved due to the capability of problem-adapted mesh refinement. Unstructured discretizations also allow the consideration of spatial extended finite electrodes. Due to a corresponding extension of the forward operator using the complete electrode model, known from medical impedance tomography, a study about the influence of such electrodes to geoelectrical measurements is given. Based on the forward operator, the so-called triple-grid-technique is developed to solve the geoelectrical inverse problem. Due to unstructured discretization, the ERT can be applied by using a resolution dependent parametrization on arbitrarily shaped two-dimensional and three-dimensional domains. A~Gauss-Newton method is used with inexact line search to fit the data within error bounds. A global regularization scheme is applied using special smoothness constraints. Furthermore, an advanced regularization scheme for the ERT is presented based on unstructured meshes, which is able to include a-priori information into the inversion and significantly improves the resulting ERT images. Structural information such as material interfaces known from other geophysical techniques are incorporated as allowed sharp resistivity contrasts. Model weighting functions can define individually the allowed deviation of the final resistivity model from given start or reference values. As a consequent further development the region concept is presented where the parameter domain is subdivided into lithological or geological regions with individual inversion and regularization parameters. All used techniques and concepts are part of the open source C++ library GIMLi, which has been developed during this thesis as an advanced tool for the method-independent solution of the inverse problem.

The presented thesis deals with the multi-dimensional reconstruction of the earth's conductivity distribution based on DC resistivity data. This task represents a nonlinear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom. In this work, techniques for regularization and controlling of this problem are depicted and classified. Particularly, it is concentrated on explicit regularization types, which impose constraints onto the model. The system of equations as resulting from the application of the Gauss-Newton minimization can be solved efficiently. Furthermore, it is shown how the regularization strength can be controlled. The method of non-linear resolution analysis plays a central role in the thesis. It represents a powerful tool to estimate the quality of inversion results. Furthermore, the derived resolution measures provide the basis for the optimization of experimental design concerning information content and efficiency. Methods of error estimation, forward modeling and the calculation of the Jacobian matrix for DC resistivity data are developed. Procedures for appropriate parameterization and inversion control are pointed out by studies of synthetic models. Different inversion and regularization methods are examined in detail. A linearized study is used to compare different data sets considering their efficiency. Moreover, a triplegrid-technique for the incorporation of topography into three-dimensional inversion is presented. Finally the inversion methods are applied to field data. The depicted optimization strategies are realized in practice, which increases the economic relevance of threedimensional data acquisition. The structure of the subsurface is imaged in detail for several applications in the fields of cavity detection, archaeology and the investigation of ground falls. The resolution analysis is successfully established to appraise the obtained results.

Im Rahmen des hydrogeologischen Projektes ResiBil wurde das Zittauer Gebirge geologisch untersucht. Das Zittauer Gebirge – als Teil des Sächsisch-Böhmischen Kreidebeckens – liegt im Kreuzungsbereich der Elbezone und des Egergrabens. Hierdurch treten komplexe tektonische Verhältnisse auf, die in dieser Arbeit u. a. erforscht wurden. Es wurden vor allem seismische, geoelektrische und gravimetrische Messungen in Deutschland und Tschechien vorgenommen, um die Lausitzer Überschiebung genauer zu untersuchen. Die Publikation richtet sich an die geologisch interessierte Öffentlichkeit. Redaktionsschluss: 13.09.2020

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer pilotmaßstäblichen Boden- und Grundwassersanierung am Industriestandort „Hydrierwerk Zeitz“. Auf dem Gelände einer ehemaligen Benzolproduktionsanlage wurden großflächige Kontaminationen von Boden und Grundwasser festgestellt. Mittels moderner Erkundungstechnik konnten die Haupteintragsbereiche des dominierenden Schadstoffes Benzol erkundet und eingegrenzt werden. Verschiedene Arten von Grundwasser-, Boden- und Bodenluftbeprobungen sowie geophysikalische Verfahren erlaubten eine exakte Lokalisation des Schadstoffquellbereiches sowie der sich hieraus ausbildenden Schadstofffahne. Ziel der am Standort durchgeführten Pilotsanierungen war die Beseitigung der Schadstoffquelle, um eine weitere Nachlieferung in die Schadstofffahne zu unterbinden. Der Schadstoffquellbereich der hier behandelten Pilotsanierung war auf eine Kubatur von ca. 15 x 9 x 11 Kubikmeter begrenzt. Als Hauptkontaminant lag mit einem Anteil von 98% Benzol vor. Weiterhin wurden Toluol, Ethylbenzol sowie Xylol in geringen Mengen angetroffen. Aufgrund der hochvolatilen Eigenschaften des vorliegenden Hauptkontaminanten Benzol wurde am Standort eine thermische Sanierung der gesättigten sowie ungesättigten Zone durchgeführt, die eine Extraktion von rund 8 Tonnen Benzol erzielte. Im Zentrum der Sanierungskubatur wurde mit Hilfe von drei Injektions¬brunnen ein Dampf-Luft-Gemisch injiziert und eine Zieltemperatur im aus¬gewiesenen Sanierungsbereich von 85 ˚C erreicht. Diese Temperatur übersteigt den Siedepunkt von Benzol (80,1 ˚C) und führt zu einem vollständigen Übergang des Schadstoffes in die Gasphase. Durch sechs das Sanierungsfeld eingrenzende Extraktionsbrunnen wurde der Schadstoff dem Untergrund entzogen und an der Oberfläche durch eine thermische Nachverbrennungsanlage geleitet. Eine Problematik dieser Sanierungstechnik ist die exakte Lokalisation der sich im Untergrund ausbreitenden Front des Sanierungsmittels. Aufgrund von Inhomogenitäten in gesättigter und ungesättigter Zone kommt es zur Ausbildung von präferentiellen Fließpfaden. Diese Strukturen verhindern eine radialsymmetrische Ausbreitung des Sanierungsmittels und sorgen dafür, dass zum Teil große Bereiche der Sanierungskubatur nicht abgereinigt werden. Weiterhin findet ein sehr großer Energieverlust durch teilweises Austreten des Dampf-Luft-Gemisches in Bereiche außerhalb der Sanierungskubatur statt. Eines der Hauptziele dieser Arbeit war daher die Durchführung eines geoelektrischen Monitorings, das es erlaubte, durch Messung von elektrischen Widerstandsänderungen im Untergrund Position und Lage des Sanierungsmittels zu bestimmen und solche Bereiche zu lokalisieren, die keine Abreinigung erfuhren. Weiterhin konnten durch dieses Monitoring präferentielle Fließpfade erkundet werden, die zu Energieverlusten von über 60% im Verlauf der Sanierung führten. Als innovatives Verfahren wurde am Sanierungsstandort ein 3-dimensionales geoelektrisches Monitoring durchgeführt; ein Verfahren, das Messungen an Oberflächenelektroden mit Messungen an im Untergrund eingebrachten Bohrlochelektroden verknüpft. Mit diesem Verfahren konnten hochaufgelöste 3-dimensionale Abbildungen erstellt werden, die die Ausbreitung des injizierten Sanierungsmittels im Verlauf der Sanierung abbildeten. Um eine in dieser Auflösung vergleichbare Abbildung der Temperaturbereiche im Untergrund durch Messungen mit fest installierten Temperaturmessketten zu erlangen, wäre eine unverhältnismäßig große Menge an Sensoren notwendig gewesen. Somit war die Entwicklung eines geoelektrischen Monitoringsystems die einzige Möglichkeit, den Sanierungsverlauf so zu verfolgen, dass während des Betriebes Optimierungsmaßnahmen durchgeführt werden konnten. Abschließend konnte das Sanierungsverfahren in Kombination mit Temperaturmessungen außerhalb des Sanierungsbereiches bewertet und Erkenntnisse für Verbesserungen bei zukünftigen Anwendungen gewonnen werden. / The work presented here was carried out within a pilot scale soil- and groundwater remediation project at the former industrial area „Hydrogenation plant Zeitz”. Beneath a former benzene production facility a large scale contamination of soil and groundwater was found. Using modern exploration technologies main spill and infiltration zones for the principal contaminant benzene as well as residual or floating phases could be identified. A variety of methods for sampling of groundwater, soil and soil-air, as well as different geophysical methods allowed for the exact localisation of the contaminant source zone and the contaminant plume emerging from the source zone. The objective of the pilot remediation was the (partial) removal of the contaminant source to prevent further supply to the contaminant plume. The source area of this pilot remediation was limited to a cubature of about 15 x 9 x 11 meters. Benzene as the main contaminant was assessed with a share of 98%. Additionally low concentrations of toluene, ethylbenzene, as well as xylols were found. Since the main contaminant benzene is characterised by high volatility, a thermal remediation approach for the saturated as well as unsaturated zone was conducted at the site which allowed for the extraction of about 8 t of benzene. By the help of three wells a steam-air-mixture was injected into the central section of the remediation cubature and a target temperature of 85 ˚C was reached. This temperature exceeds the boiling point of benzene (80.1 ˚C) and leads to a complete volatilisation of the contaminant. Six extraction wells surrounding the remediation cubature removed the contaminant from the subsurface and delivered it to a catalytic combustion system. The exact localisation of the spreading steam front in the subsurface is the main problem of this remediation approach. Preferential flow paths develop due to inhomogeneities in the saturated and vadose zone of the subsurface. These structures inhibit a radial-symmetric spreading of the steam-air-mixture and, hence, prevent the remediation of large sections of the cubature. Additionally a very high loss of energy into sections outside the target area takes place. To overcome this problem, it was one of the main objectives of this work to perform a geoelectrical monitoring of the remediation approach which allowed the localisation of the steam-air-mixture by measuring electrical resistivity distributions in the sub¬surface. In addition, the development of preferential flow paths which led to energy losses of over 60% during the remediation could be explored. As an innovative concept for this remediation method a 3-dimensional geoelectrical monitoring was conducted; a procedure that combines measurements at surface electrodes with measurements at borehole electrodes installed in the subsurface. With this method a high resolution 3-dimensional imaging could be established which displays the spreading of the steam-air-front during the remediation process. To achieve such an imaging with comparable resolution with standard temperature sensors installed in the subsurface, an unreasonable number of these sensors would have been necessary. The development of the geoelectrical monitoring system was the only approach that allowed the observation of the treatment process as well as optimisation of the remediation system during active remediation. Ultimately the remediation procedure could be evaluated with additional measurements outside the remediation zone and information for the enhancement of further applications could be obtained.