Montage eines Porendruckwassersensors im Bereich der Vollrohrstrecke

Recover. Refill. Record.

Forschungsmessstellenbau am Lehrstuhl für Hydrogeologie - Teil 2 & LIAG-Sektion Bohrlochgeophysik erneut im Hainich
Montage eines Porendruckwassersensors im Bereich der Vollrohrstrecke
Foto: Heiko Minkmar
  • Life

Meldung vom: | Verfasser/in: Dr. Robert Lehmann

Bohrkampagne 2023 – fortgesetzt.

Prof. Kai Uwe Totsche und Dr. Michaela Aehnelt inspizieren einen Bohrkern im Liner

Foto: Robert Lehmann

Im zweiten Teil unserer Nachrichten zu aktuellen Explorations- und Bauarbeiten im Hainich Critical Zone Exploratory informieren wir über weitere der vielfältigen Aktivitäten unseres Feldteam um Prof. Kai Uwe Totsche, u.a. zu Bohrkerngewinn und Probenahmen ("Recover(y)"), Ausbauarbeiten der Grundwassermessstellen ("Refill"), und Installation von Sensoren für das Langzeitmonitoring ("Record").

Siehe Teil 1 

LIAG-Bohrlochgeophysik-Messteam erneut im Hainich 

Sonic-Sonde des LIAG auf dem Weg ins Bohrloch

Foto: Robert Lehmann

So machen Forschung und Wissenschaft großen Spaß

Thomas Grelle

Erneut durften wir Thomas Grelle und Carlos Lehne im Hainich willkommen heißen – für bohrlochgeophysikalische Messungen im Rahmen der sehr geschätzten Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Angewandte GeophysikExterner Link (LIAG) aus Hannover. 

Das Messteam der Sektion Gesteinsphysik & BohrlochgeophysikExterner Link, erkundete mit bohrlochgeophysikalischen Tools wie z.B. Spectral-Gamma-Ray, Akustischem Imager (Borehole Televiewer), IP-Sonde (induzierte Polarisation) und NMR-Sonde (Nuklear-Magnetische-Resonanz) die Schichtenfolgen der Warburg-, Meißner- und Trochitenkalk-Formation. Im Kernbohrloch der zweiten Messstelle, hangaufwärts, zeigten sich die Gesteine z.T. stark verwittert und über weite Bereiche wassergesättigt.

Gutes Messwetter, exzellente Zusammenarbeit mit dem Bohr-/Brunnenbauunternehmen und v.a. der intensive und fruchtbare Austausch zu Messresultaten und hydrogeologischen Befunden – am Bohrplatz und per Webkonferenz – machten auch unseren Kollegen aus Hannover laut Thomas Grelle: "großen Spaß". 

Siehe Galerie

Messstellenbau am Lehrstuhl für Hydrogeologie - Teil 2

  • Teil 1
    Klüftiger und poröser Kalkstein der Trochitenkalk-Fm. im Oberen Muschelkalk ist ein guter Grundwasserleiter
    Klüftiger und poröser Kalkstein der Trochitenkalk-Fm. im Oberen Muschelkalk ist ein guter Grundwasserleiter
    Foto: Robert Lehmann

    Grundwasser-)Messstellenbau am Lehrstuhl für Hydrogeologie zeichnet sich durch folgende Kriterien aus:

    Repräsentative Lage und Kompartimente:
    Messstellen erstrecken sich über das  Grundwasserneubildungs- und Entlastungsgebiet und umfassen sowohl die phreatische Zone (permanent gesättigter Grundwasserraum), als auch die Aerationszone. Forschungsmessstellen(-bündel) weisen separate Filterstrecken (Multilevel-Beobachter) auf, zum Monitoring der Grundwasserqualität in verschiedenen Ökosystemkompartimenten und von multidirektionalen FließbewegungenExterner Link.

    Exploration und Gesteinsprobenahme:
    Der Errichtung einer Forschungsmessstelle geht zumeist eine durchgehende Gewinnung von Bohrkernproben voraus. Diese dienen uns für die Untersuchung der unterirdischen Ökosystemkompartimente bezüglich u. a. Hohlraum-/Porenraumarchitektur, reaktiver mineralischer Oberflächen und endolithischer mikrobieller GemeinschaftenExterner Link.

Filterrohr

Foto: Robert Lehmann

Filterstrecken, die nicht filtern

Prof. Kai Uwe Totsche

Unsere Forschungsmessstellen(bauwerke) zeichnen sich aus durch: 

Minimierung von Artefakten für Langzeitmonitoring:
An Bohrungen und Messstellenbau stellen  wir hohe Qualitätsanforderungen. So müssen Bohrwerkzeuge und Ausbaumaterialien fremdstoffrei, d.h. gründlich gereinigt (u.a. rostfrei) sein. Als Bohrspülung kommt zumeist Grundwasser aus unseren Messstellen vor Ort zum Einsatz. Die sogenannte Filterstrecke, der perforierte Teil des Brunnenrohres im Bereich des Zielgrundwasserleiters soll im Gegensatz zu herkömmlichen Brunnen oder Messstellen nicht filtern. Hierfür nutzen wir als sogenanntes Filtermaterial grobkörnige Glaskugeln, die geringe Oberflächen und als Ringraumhinterfüllung hohe Durchlässigkeiten bieten – d.h. explizit nicht filtern –, damit das gesamte mobile Inventar (siehe auch Lehmann et al. 2021Externer Link) im Grundwasser, einschließlich Grundwasserfauna beobachtet werden kann.

Grundwasserdatensammler, Datensicherung

Foto: Heiko Minkmar

In situ-Monitoring:

Zum Monitoring der Druckverhältnisse, Untergrundtemperaturen und der physikochemischen Beschaffenheit kommen Pegeldatenlogger und z.T. Multiparametersonden in der Filterstrecke zum Einsatz. Untergrundtemperatur sowie Sauerstoffgehalt, der mittels optischer Sensoren gemessen wird, sind wichtige UmweltracerExterner Link, u. a. zur Untersuchung der hydrogeologischen Konnektivität der Untergrundkompartimente. Im Vollrohrbereich der Messstellen kommen mehrere Porenwasserdrucksensoren zur Beobachtung multidirektionaler FließbewegungenExterner Link zum Einsatz. Siehe Galerie.

Kernbohrung & Probenahme

Der letzte Liner bei Endteufe 59 Meter

Foto: Robert Lehmann

Vorprofil passt auf ~1 Meter!

Dr. Michaela Aehnelt

Ende August wurde die Endteufe unserer zweiten Kernbohrung, am Südrand von Kammerforst, mit 59 Metern erreicht. Entsprechend unserer Bohrkernansprache durch Dr. Michaela Aehnelt vor Ort, wurde die zunächst aus Nachbarbohrungen projizierte Basis der Trochitenkalkformation mit nur ca. 1 m Abweichung vom Vorprofil angetroffen. Hier, am Mittelhang des Hainichrückens bzw. im Grundwasserneubildungsgebiet, erlaubt die neue Messstelle Beoachtungen im Hauptgrundwasserleiter (Trochitenkalkformation) mittels späterer Probenahmen sowie der Druckverhältnisse in den Kalkstein-Mergel-Wechselfolgen des Oberen Muschelkalks mittels Porenwasserdrucksensoren und Pegeldatenloggern.

Die Kernbohrungen beim Messstellenbau dienen der Ermittlung der Schichtenfolge, samt Verwitterungserscheinungen sowie der Probenahme von Gesteinsmaterial für u. a. mineralogische und molekularbiologische Untersuchungen der unteridischen Lebensräume.

  • Drehbohrmotor am Seilkernbohrgerät bei bestem Bohrwetter
    Drehbohrmotor am Seilkernbohrgerät bei bestem Bohrwetter
    Foto: Robert Lehmann
  • Stratacut-Bohrkrone für Kernbohrung in den Wechsellagerungen des Oberen Muschelkalks
    Stratacut-Bohrkrone für Kernbohrung in den Wechsellagerungen des Oberen Muschelkalks
    Foto: Robert Lehmann
  • Im Scheinwerferlicht des Bohrturms wittert jemand fette Beute
    Im Scheinwerferlicht des Bohrturms wittert jemand fette Beute
    Foto: Robert Lehmann
  • Entnahme einer Bohrspülungsprobe
    Entnahme einer Bohrspülungsprobe
    Foto: Heiko Minkmar
  • Innenkernrohr zurück übertage
    Innenkernrohr zurück übertage
    Foto: Robert Lehmann
  • Verschließen der Bohrkernprobe im Liner
    Verschließen der Bohrkernprobe im Liner
    Foto: Robert Lehmann
  • Schicht im Schacht: Prof. Totsche verkündet Endteufe nach Kerninspektion
    Schicht im Schacht: Prof. Totsche verkündet Endteufe nach Kerninspektion
    Foto: Robert Lehmann
  • Abtransport der kostbaren Fracht
    Abtransport der kostbaren Fracht
    Foto: Robert Lehmann
  • Toni Hofmann öffnet Linerprobe in unserer Feldbasis in Kammerforst
    Toni Hofmann öffnet Linerprobe in unserer Feldbasis in Kammerforst
    Foto: Robert Lehmann
  • Dr. Michaela Aehnelt bei der Kernaufnahme am zeitweilig errichteten Arbeitsplatz
    Dr. Michaela Aehnelt bei der Kernaufnahme am zeitweilig errichteten Arbeitsplatz
    Foto: Robert Lehmann
  • Stark alterierte Kalksteinbank der Meißner-Fm.
    Stark alterierte Kalksteinbank der Meißner-Fm.
    Foto: Robert Lehmann
  • Die hydrogeologische Kernaufnahme umfasst vielfältige Parameter, u.a. Gesteinstyp, Porenklasse, Klufteigenschaften, sedimentäre Strukturen, Verwitterungsphänomene, Munsell-Farben, etc.
    Die hydrogeologische Kernaufnahme umfasst vielfältige Parameter, u.a. Gesteinstyp, Porenklasse, Klufteigenschaften, sedimentäre Strukturen, Verwitterungsphänomene, Munsell-Farben, etc.
    Foto: Robert Lehmann
  • Mergelige Basis der Trochitenkalkformation
    Mergelige Basis der Trochitenkalkformation
    Foto: Robert Lehmann
  • Jede Probe erhält ein Schildchen mit Nummer, Tiefe und Kurzbeschreibung
    Jede Probe erhält ein Schildchen mit Nummer, Tiefe und Kurzbeschreibung
    Foto: Robert Lehmann
  • Toni Hofmann konserviert Proben umgehend auf Trockeneis
    Toni Hofmann konserviert Proben umgehend auf Trockeneis
    Foto: Robert Lehmann
  • Transport und Lagerung bei -80°C konserviert sowohl mikrobiologisches Erbgut für molekularbiologische Analysen als auch den Mineralbestand
    Transport und Lagerung bei -80°C konserviert sowohl mikrobiologisches Erbgut für molekularbiologische Analysen als auch den Mineralbestand
    Foto: Robert Lehmann

LIAG-Bohrlochgeophysikmessteam im Einsatz

Die Bohrlochmessungen der LIAG-Sektion Gesteinsphysik & BohrlochgeophysikExterner Linkergänzen erneut wertvolle Daten zur Aufklärung der hydrogeologischen Funktionen der Gesteine, insbesondere aufgrund der quasi-kontinuierlichen Aufzeichnung für Tiefenkorrektur von Bohrkerndaten sowie aufgrund verschiedener Eindringtiefen im Vergleich zu Befunden aus der Bohrkernansprache.

  • Das Messteam der LIAG-Sektion Bohrlochgeophysik am Bohrplatz in Kammerforst
    Das Messteam der LIAG-Sektion Bohrlochgeophysik am Bohrplatz in Kammerforst
    Foto: Robert Lehmann
  • Carlos Lehne beim Anbringen der großen Umlenkrolle
    Carlos Lehne beim Anbringen der großen Umlenkrolle
    Foto: Robert Lehmann
  • Mit der Spectral-Gamma-Ray-Sonde geht es los ...
    Mit der Spectral-Gamma-Ray-Sonde geht es los ...
    Foto: Robert Lehmann
  • ... gefolgt vom akustischen Borehole-Televiewer
    ... gefolgt vom akustischen Borehole-Televiewer
    Foto: Robert Lehmann
  • Thomas Grelle beim "Fernsehen" mit dem akustischen BHTV
    Thomas Grelle beim "Fernsehen" mit dem akustischen BHTV
    Foto: Robert Lehmann
  • Sonde für induzierte Polarisation
    Sonde für induzierte Polarisation
    Foto: Robert Lehmann
  • Alles hat seinen sicheren Platz im Messfahrzeug der LIAG-Sektion für Bohrlochgeophysik
    Alles hat seinen sicheren Platz im Messfahrzeug der LIAG-Sektion für Bohrlochgeophysik
    Foto: Robert Lehmann
  • Heiko Minkmar unterstützt beim Einbau der langen Sonic-Sonde
    Heiko Minkmar unterstützt beim Einbau der langen Sonic-Sonde
    Foto: Robert Lehmann
  • Austausch zu Messungen in Bohrlöchern und Grundwassermessstellen
    Austausch zu Messungen in Bohrlöchern und Grundwassermessstellen
    Foto: Robert Lehmann
  • Nuklear-Magnetische-Resonanz (NMR)-Sonde bereit zur Messung
    Nuklear-Magnetische-Resonanz (NMR)-Sonde bereit zur Messung
    Foto: Robert Lehmann
  • Im Messwagen der LIAG-Sektion Gesteinsphysik & Bohrlochgeophysik erfolgt Messung, Online-Darstellung und Speicherung der geophysikalischen Bohrloch-"Logs"
    Im Messwagen der LIAG-Sektion Gesteinsphysik & Bohrlochgeophysik erfolgt Messung, Online-Darstellung und Speicherung der geophysikalischen Bohrloch-"Logs"
    Foto: Robert Lehmann
  • Geschafft! Herzlichen Dank an Thomas Grelle und Carlos Lehne und das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik aus Hannover
    Geschafft! Herzlichen Dank an Thomas Grelle und Carlos Lehne und das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik aus Hannover
    Foto: Robert Lehmann
Paginierung Seite 1

Messstellenbau

Ende August wurde die erste Messtelle fertiggestellt. Der Bau beider Forschungsmessstellen komplettiert das Messnetz, dass wir im Rahmen unseres von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFGExterner Link) geförderten Sonderforschungsbereichs AquaDiva betreiben.

Nach der Kernbohrung erfolgte zunächst die Aufweitung des Bohrlochs mittels Rollmeißel zwecks sicherer Unterbringung und teufengerechten Hinterfüllung des Messrohrs und der Sensoren mit Glaskugelfiltermaterial im Bereich der Filterstrecke und Ton-Zement-Suspension im Bereich des Vollrohres.

  • Filterrohr "am Haken"
    Filterrohr "am Haken"
    Foto: Robert Lehmann
  • Filterrohr aus PVC-U mit Zentriervorrichtung und Endkappe
    Filterrohr aus PVC-U mit Zentriervorrichtung und Endkappe
    Foto: Robert Lehmann
  • Zusammenschrauben der 4 m-Stücke mit druckwasserfester Verbindung
    Zusammenschrauben der 4 m-Stücke mit druckwasserfester Verbindung
    Foto: Robert Lehmann
  • Anbringen des Schüttrohres zur Ringraumverfüllung
    Anbringen des Schüttrohres zur Ringraumverfüllung
    Foto: Robert Lehmann
  • Porenwasserdrucksensor (Schwingsaitendruckaufnehmer)
    Porenwasserdrucksensor (Schwingsaitendruckaufnehmer)
    Foto: Robert Lehmann
  • Handhabung von fünf Kabeln der Porenwasserdrucksensoren – mehrere Hände sind klar von Vorteil (der Photograph hat auch geholfen ;-)
    Handhabung von fünf Kabeln der Porenwasserdrucksensoren – mehrere Hände sind klar von Vorteil (der Photograph hat auch geholfen ;-)
    Foto: Robert Lehmann
  • Porendruckwassersensor auf dem Weg zum Einsatzort
    Porendruckwassersensor auf dem Weg zum Einsatzort
    Foto: Robert Lehmann
  • Als Ringraumhinterfüllung im Bereich der besonders durchlässig dimensionierten Filterstrecke kommen grobe Glaskugeln für Brunnebau zum Einsatz
    Als Ringraumhinterfüllung im Bereich der besonders durchlässig dimensionierten Filterstrecke kommen grobe Glaskugeln für Brunnebau zum Einsatz
    Foto: Katharina Lehmann
  • Die Glaskugeln bieten u. a. nur geringe Oberflächen und einheitliche stoffliche Zusammensetzung
    Die Glaskugeln bieten u. a. nur geringe Oberflächen und einheitliche stoffliche Zusammensetzung
    Foto: Robert Lehmann
  • Glaskugeln mit kleineren Durchmessern separieren die Filterstrecke von der mit Zementsuspension hinterfüllten Vollrohrstrecke
    Glaskugeln mit kleineren Durchmessern separieren die Filterstrecke von der mit Zementsuspension hinterfüllten Vollrohrstrecke
    Foto: Robert Lehmann
  • Einspülen der Glaskugeln über das Schüttrohr in den Ringraum
    Einspülen der Glaskugeln über das Schüttrohr in den Ringraum
    Foto: Robert Lehmann
  • Dr. Katharina Lehmann sichert eine Archivprobe der Ausbaumaterialien
    Dr. Katharina Lehmann sichert eine Archivprobe der Ausbaumaterialien
    Foto: Robert Lehmann
  • Funktionskontrolle der Porenwasserdrucksensoren vor Verpressen der Vollrohrstrecke
    Funktionskontrolle der Porenwasserdrucksensoren vor Verpressen der Vollrohrstrecke
    Foto: Heiko Minkmar
  • Errichten des Abschlussbauwerks
    Errichten des Abschlussbauwerks
    Foto: Robert Lehmann
  • Fertige Messstelle mit Datenlogger und Brunnenhaube
    Fertige Messstelle mit Datenlogger und Brunnenhaube
    Foto: Robert Lehmann
  • Fertiggestellte Forschungsmessstelle zwischen Kammerforst und Flarchheim
    Fertiggestellte Forschungsmessstelle zwischen Kammerforst und Flarchheim
    Foto: Robert Lehmann
Robert Lehmann, Dr.
Wiss.Mitarbeiter
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Lehrstuhl Hydrogeologie
Robert Lehmann
Foto: FSU/Hydrogeologie
Raum H 107
Wöllnitzer Straße 7
07749 Jena Google Maps – LageplanExterner Link

Kontakt:

Kai Uwe Totsche, Prof. Dr.
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Lehrstuhl Hydrogeologie
Prof. Dr. Kai Uwe Totsche
Foto: FSU/Hydrogeologie
Raum H 104
Burgweg 11
07749 Jena Google Maps – LageplanExterner Link