Verbundprojekt SIMULTAN (Sinkhole instability: integrated multi-scale monitoring and analysis; Subrosion und Erdfall-Instabilität: integrierte multi-skalige Überwachung und Analyse) - Schlussbericht zum BMBF-Verbundvorhaben - Förderkennzeichen FKZ 03G0843 (A bis J)

Abstract

Das Verbundprojekt SIMULTAN erforscht die Früherkennung für Instabilität, Unruhe und Kollaps von Erdfällen. Der neuartige Forschungsansatz kombiniert strukturelle, geophysikalische, petrophysikalische und hydrologische Kartierungsmethoden, die von Sensorentwicklung und mulit-skaliger Überwachung flankiert werden, und umfasst eine Informationsplattform. Kollapsprozesse an Erdfällen finden generell in den obersten wenigen 100 Metern der Erdkruste statt. Individuelle Prozesskomponenten können einfach sein und verstanden werden. Aber es wechselwirken auch Prä-Kollapsprozesse und Vorläufer auf unterschiedlichen raum-zeitlichen Skalen und mit kleinen Variationen miteinander. Dies erfordert innovative, multi-skalige Beobachtungen, Analysen und integrierte Früherkennungskonzepte, besonders für urbane Bereiche, die bisher noch nicht vollständig entwickelt verfügbar sind und auch noch nicht als automatische operationelle Systeme arbeiten. Zur Identifizierung und Quantifizierung von Subrosionsbereichen zeigten sich bohrlochseismische Verfahren mit kombinierten P- und S-Wellen als zielführend. Als besonderer Indikator, der sich auch für Langzeitmonitoring eignet, hat sich dabei das ungewöhnliche Konversionsverhalten der Wellen in Subrosionszonen gezeigt. Neue Prozessingverfahren zur Detektion kleiner seismischer Ereignisse und für emergente Einsätze unterstützen den Ansatz von angepassten Arraymessungen. Geodätisch-gravimetrische Überwachungsnetze sind auch unter urbanen Bedingungen geeignet, durch Subrosion verursachte Oberflächendeformationen und Massenverlagerungen räumlich-zeitlich zu erfassen und zu überwachen. Nivellements liefern bezüglich der Oberflächendeformation höchste Genauigkeiten; zugleich sind sie vergleichsweise kostengünstig zu realisieren. Die Integration von GNSS hat in Verbindung mit dem Nivellement die räumliche Auflösung im Untersuchungsgebiet zusätzlich gestützt und hat das Potenzial, diese großräumig zu kontrollieren. Gravimetrische Messungen sind mit einem sehr hohen Aufwand verbunden. Die Kombination oberflächengeophysikalischer Verfahren mit einer vertikal hochaufgelösten direct push-basierten Erkundung im Raum mit einem maßgeschneiderten hydrogeologischen Monitoring bietet eine zuverlässige Grundlage für numerische Prozessmodellierungen und ermöglichen es, erdfallrelevante Prozesse abzubilden und zu erfassen. Karstaquifer- und geomechanische Modellierungen konnten die Prozesse in den Fokusgebieten erfolgreich abbilden, sobald diese mit realistischen Werten unterlegt wurden. Es zeigt sich somit insgesamt, dass sowohl flächenhafte Messungen und zeitlich wiederholte Kampagnen sehr vorteilhaft sind, da sie es erlauben, Fehler zu verringern und beanspruchte Bereiche einzugrenzen. Erst dieses integrierte Vorgehen ermöglicht es, potenzielle Wegsamkeiten im Untergrund hochauflösender als bisher abzubilden und zu bewerten. Als solches stellt es ein Instrumentarium zur Charakterisierung und angepassten Überwachung von Untergrundbereichen im Allgemeinen zur Verfügung. Diese Ergebnisse und Szenarien stehen der Öffentlichkeit auf einer Informationsplattform zur Verfügung (http://simultan.gfz-potsdam.de).