Methode - Georadar

Geophysikalische Messmethoden erkunden den Untergrund zerstörungsfrei durch Messung physikalischer Größen von der Oberfläche aus. Die Erkundung mit der Methode des Georadars beruht auf der Reflexion elektromagnetischer Wellen an Störkörpern und Grenzflächen im Untergrund. Von einer Sende­antenne an der Oberfläche werden Radarwellen ausgesendet, die an Störkörpern oder Schichtgrenzen reflektiert und mit einer Empfangsantenne wieder aufgenommen werden (Bild 1 oben). Dabei werden Laufzeit und Amplitude der zurückkommenden Signale gemessen. Zu einem Objekt oder einer Struktur im Untergrund kann man über die Laufzeit der reflektierten Signale die Tiefenlage der Objektoberkante bestimmen.
Es können Frequenzen zwischen 10 MHz und 1000 MHz verwendet werden, wobei bei größeren Frequenzen eine höhere Auflösung, jedoch durch verstärkte Absorption im Boden eine niedrigere Eindringtiefe gegeben ist. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen erlaubt eine größere Eindringtiefe, die Auflösungsgenauigkeit von Strukturen hingegen reduziert sich.

Die Darstellung der Messdaten erfolgt in sogenannten Radargrammen (Bild 1 Mitte), in denen die reflektierten Signale in Abhängigkeit von der Laufzeit (in Nanosekunden, ns) bzw. der Tiefe (m) auf einem Profilschnitt dargestellt werden. Die Amplitudenstärke wird in einer Graustufen- oder Farbzuordnung wiedergegeben.

Das Reflexionsvermögen eines Störkörpers oder einer Grenzfläche ist abhängig vom Kontrast in der elektrischen Polarisierbarkeit des Materiales zu seiner Umgebung. Die Maßzahl dafür ist die relative Dielektrizitätszahl er. Wasser besitzt die höchste Dielektrizität von er=81, Luft die niedrigste mit er=1. Gesteine haben Dielektrizitäten von er=3-30, abhängig vom Wassergehalt.

Mauern, Steinfundamente, Rohrleitungen oder auch Hohlräume im Untergrund bewirken in der Regel verstärkte Reflexionsamplituden im Vergleich zum umgebenden Bodenmaterial. Stärker durchfeuchtete oder salinare Bodenbereiche verursachen ebenfalls verstärkte Reflexionsamplituden.

Um eine flächendeckende Erkundung mit Georadar durchzuführen, werden parallele Profile gemessen (Bild 3 unten links). Die Radargramme werden anschließend lageorientiert zu einem dreidimensionalen Datensatz zusammengeführt. Dieser Datenblock wird zur Interpretation in horizontalen Scheiben aufgeschnitten und analysiert (sog. Zeitscheiben bzw. Tiefenschnitte; Bild 1 unten rechts). Innerhalb dieser Zeitscheiben wird der Betrag der Reflexionsamplituden aufsummiert. Auf diese Weise kommt man zu einer flächenhaften Darstellung der zuvor linienhaften Radar­daten für verschiedene Tiefenlagen.

 


Bild 1: Prinzip der Messung mit dem Georadar. Oben: Prinzip der Messung. Mitte: Radargramm mit Anomalien. Unten: Flächenhafte Messung mit Beispiel eines Tiefenschnitts, der archäologische Strukturen zeigt.  Blau = erhöhte Reflexionen
Bild 2 zeigt das Beispiel eines lokalisierten Hohlraums, links die Montage von zwei orthogonalen Einzelprofilen und rechts den flächigen Tiefenschnitt /Zeitscheibe (Planaufsicht).


Bild 2: Lokalisierung eines Hohlraums (Gruft) im Münster Zwiefalten mit Georadar. Links: Profildarstellung mit zwei senkrecht zueinander verlaufenden Profilen. Rechts: Flächendarstellung der Reflexionsamplitude für einen Tiefenschnitt (1-2 m Tiefe).