Forschung
Die Forschungsschwerpunkte der Abteilung Geophysik an der Universität Bonn umfassen geophysikalische Bildgebungsverfahren, die Modellierung von gekoppelten Strömungs- und Transportprozessen in porösen und geklüfteten Medien sowie die Integration von Prozessmodellen und geophysikalischen Daten durch petrophysikalische Modelle.
Die Anwendungen in diesen Bereichen sind vielfältig und umfassen die Charakterisierung von Böden und Grundwasserleitern, die Überwachung von Strömungs-, Transport- und biogeochemischen Prozessen im Untergrund im Rahmen der Wasserwirtschaft, die Charakterisierung und Sanierung von Altlasten, Boden-Wurzel-Wechselwirkungen, die Charakterisierung von Permafrost, erweiterte geothermische Systeme, Schlammvulkane und Hang-(In)Stabilität.
Geophysikalische Feldmessungen auf Spiekeroog: Geoelektrik
Forschungsbereiche und -themen
Forschungsprojekte
Veröffentlichungen
Forschungsbereiche und -themen
Kryogeophysik
Tauwetterprozesse als Folge der anthropogenen globalen Erwärmung verändern die Kryosphäre der Erde und können zu verschiedenen Formen von Landschaftsveränderungen, Vegetationsdegradation und Hanginstabilitäten in alpinen Regionen führen.
Eine präzise und physikalische Darstellung der Permafrostdynamik ist wichtig, um Erdsystemmodelle in verschiedenen Maßstäben zu verbessern und Fragen im Zusammenhang mit den Auswirkungen des Klimawandels und Naturgefahren zu beantworten. In diesem Zusammenhang bieten nicht-invasive geophysikalische Methoden oft die einzige Möglichkeit, die räumlich-zeitliche Entwicklung des Eisgehalts im Untergrund abzubilden und die Dynamik des Schmelzwasserflusses zu überwachen. Geoelektrische Methoden sind für die Überwachung des Permafrostes besonders geeignet, da die elektrischen Eigenschaften des Mediums direkt auf den Phasenwechsel zwischen Eis und ungefrorenem Wasser reagieren. Die Abteilung Geophysik entwickelt in enger Zusammenarbeit mit Partnern an der Universität Freiburg (Prof. C. Hauck) neue Überwachungsansätze auf der Grundlage von spektral induzierten Polarisations- und elektrischen Selbstpotentialmessungen, die insbesondere am Schilthorn (Berner Alpen, Schweiz) angewendet werden, wo bereits Langzeitaufzeichnungen anderer Überwachungsdaten (z.B. Temperatur, Bodenfeuchte, elektrische Widerstandstomographie) vorliegen.
Biogeophysik
Biologische Prozesse sind in der Natur allgegenwärtig und bilden daher einen fundamentalen Bestandteil geophysikalischer Untersuchungen. Es ist insbesondere wichtig, den Einfluss dieser biologischen Komponenten bei traditionellen Forschungsaspekten wie z.B. strukturelle oder hydrogeophysikalische Erkundungen.
Noch wichtiger ist, dass eine große Anzahl biologischer Prozesse Merkmale aufweist, die mit geophysikalischen Geräten erfasst werden können, die normalerweise zur Untersuchung unbelebter Teile des Untergrunds eingesetzt werden. Daher umfasst die Biogeophysik die Charaktierisierung und Monitoring biologischer Prozesse und ihre Interaktion mit dem Untergrund.
Die Abteilung Geophysik konzentriert sich vor allem auf die Charaktierisierung von Pflanzenwurzelsystemen unter der Verwendung von elektrischen Polarisationsmessungen. Es hat sich gezeigt, dass diese Messungen nicht nur auf die Struktur, sondern auch auf die physiologische Aktivität und die internen Funktionen von Wurzelsystemen ansprechen. Dies ist bemerkenswert, da auch heute noch die meisten Wurzelforschungen durch manuelles Ausgraben der "verborgenen Hälfte" durchgeführt werden! Wir entwickeln elektrische Methoden sowohl für den Labor- als auch für den Feldmaßstab, die nicht nur die Verteilung der Wurzeln im Untergrund abbilden, sondern auch Informationen über die zeitliche Entwicklung und die Verbindungen zur internen Dynamik liefern können.
Geophysikalische Modellierung
Die physikalische und numerische Modellierung komplexer Mechanismen ermöglicht ein tieferes Verständnis von Naturphänomenen wie Erdbeben und Erdrutschen. Die Abteilung Geophysik konzentriert sich auf die physikalische Beschreibung gekoppelter hydro-elektro-thermischer und mechanischer Prozesse und entwickelt eigene numerische Werkzeuge sowie Beiträge zu innovativen Open-Source-Projekten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer kontinuumsmechanischen Beschreibung der relevanten Prozesse. Die verwendeten numerischen Methoden sind vielfältig und basieren hauptsächlich auf einer Diskretisierung mit finiten Differenzen oder finiten Elementen. Unsere Modelle werden zur Stabilitätsanalyse sowie zur Auslaufmodellierung von Hangrutschungen (z.B. www.avaflow.org), zur Reproduktion von fluid-getriggerter Seismizität auf Labor- und tektonischer Skala und zur Abschätzung des Wärmetransfers in teilgesättigten, zerklüfteten porösen Gesteinsmassen in vulkanischen, hydrothermalen oder geothermischen Systemen eingesetzt.
Geophysikalische Bildgebung und Monitoring
Geophysikalische Bildgebung und Monitoring bezieht sich auf die Anwendung von geophysikalischen Methoden zur Erfassung und Darstellung von Informationen über die Beschaffenheit und Struktur der Erde. Es ist ein wichtiges Werkzeug in verschiedenen Bereichen wie der Geologie, der Umweltwissenschaften und der Rohstoffexploration.
Bei der geophysikalischen Bildgebung werden Messungen an der Erdoberfläche oder in der Nähe durchgeführt, um Informationen über die darunter liegenden geologischen Formationen zu erhalten. Dazu werden verschiedene Techniken wie seismische, gravimetrische, magnetische und elektromagnetische Methoden eingesetzt.
Seismische Methoden nutzen Schallwellen, um Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Erde zu erhalten. Gravimetrie misst die Schwerebeschleunigung, um Informationen über die Dichteverteilung im Untergrund zu erhalten. Magnetische Methoden erfassen Variationen im Erdmagnetfeld, um Informationen über magnetische Gesteine und Strukturen zu erhalten. Elektromagnetische Methoden nutzen elektrische und magnetische Felder, um Informationen über die elektrische Leitfähigkeit des Untergrunds zu erhalten.
Das Monitoring bezieht sich auf die kontinuierliche Überwachung von geophysikalischen Parametern, um Veränderungen in der Erde im Laufe der Zeit zu erfassen. Dies kann helfen, natürliche Prozesse wie Erdbeben oder vulkanische Aktivitäten zu verstehen und potenzielle Risiken zu identifizieren. Es kann auch bei der Überwachung von menschlichen Aktivitäten wie dem Abbau von Bodenschätzen oder der Speicherung von Kohlendioxid helfen.
Geophysikalische Bildgebung und Monitoring sind wichtige Werkzeuge, um unser Verständnis der Erde zu verbessern und potenzielle Risiken zu identifizieren. Sie ermöglichen es uns, fundierte Entscheidungen zu treffen und die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt besser zu verstehen.
PhenoRob: Robotics and Phenotyping for Sustainable Crop Production
Lebensmittel, Futtermittel, Fasern und Treibstoff: Der Ackerbau spielt eine wesentliche Rolle für die Zukunft der Menschheit und unseres Planeten. Der ökologische Fußabdruck der Landwirtschaft muss verringert werden: weniger Einsatz von Chemikalien wie Herbiziden und Düngemitteln und anderen begrenzten Ressourcen wie Wasser oder Energie. Gleichzeitig stellen der Rückgang der Anbauflächen und der Klimawandel zusätzliche Probleme wie Dürre, Hitze und andere extreme Wetterereignisse dar.
Die spektrale elektrische Impedanztomographie (sEIT) wird als In-situ-Instrument für die strukturelle und funktionelle Erfassung von Wurzelsystemen im Feld eingesetzt; die Datenverarbeitung wird optimiert und mit etablierten elektrischen Boden-Wurzel-Beziehungen verknüpft, um die Durchwurzelung und die Wasseraufnahmetiefe zu überwachen. Das Projekt ist Teil von CP 3: THE SOIL-ROOT-ZONE, SP2: Structural and functional field root sensing using tomographic and endoscopic electrical impedance spectroscopy.
Projekte im Bereich Permafrostforschung
Im Kontext des Klimawandels wird Permafrostforschung relevanter als je zuvor, da durch Veränderungen in den Permafrostsystemen Methan in die Atmosphäre gelangt und zur weiteren Erderwärmung beiträgt. Unter Nutzung verschiedener Messmethoden wie z.B. elektrische Widerstandstomographie (ERT), spektral induzierte Polarisation (SIP) und Georadarmessungen kann dieser Vorgang an verschiedenen Standorten untersucht werden.
Die Abteilung Geophysik führt bereits seit einigen Jahren Feldkampagnen für Permafrostforschung durch. Hierzu gehören Untersuchungen in Kooperation mit der University Centre in Svalbard (UNIS) auf Spitzbergen, Messungen im Rahmen des abgeschlossenen Projektes SPICE (2018 - 2021) in alpinen Regionen wie der Zugspitze, sowie weitere Messkampagnen auf dem Schilthorn.
E-TEST: Einstein Telescope EMR Site & Technology
Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein fortschrittliches Gravitationswellenobservatorium, das sich derzeit in der Planungsphase befindet. Ein mögliches Zielgebiet ist die Grenzregion Euregio Maas-Rhein (EMR) zwischen den Niederlanden, Belgien und Deutschland. Ein Ziel des E-TEST-Projekts ist die (hydro)geologische Charakterisierung des Zielgebiets, um einen geeigneten Standort für den Bau der ET zu finden. Die Abteilung Geophysik des Instituts für Geowissenschaften trägt zur Einrichtung des unterirdischen Observatoriums und zur Entwicklung des (hydro)geologischen Modells für den potenziellen ET-Standort bei, indem sie hydrogeophysikalische Bildgebungs- und Überwachungsmethoden integriert, die die elektrischen Signaturen der Erde nutzen. Geoelektrische ERT- und IP-Messungen werden mit Hilfe einer bohrlochübergreifenden Elektrodenanordnung durchgeführt, die eine hohe Auflösung der Felsformationen in der Tiefe gewährleistet. Zusätzliche Labormessungen und synthetische Studien werden durchgeführt, um die Messanordnung an den spezifischen Standort des Observatoriums anzupassen und eine Grundlage für die Interpretation der Feldergebnisse zu schaffen.
Abgeschlossene Projekte
TR32 - TransRegional Collaborative Research Centre 32
FOR 1320 - Crop Sequence and Nutrient Acquisition from the Subsoil
iSoil - Interactions between soil related sciences
ModelPROBE - Model driven Soil Probing, Site Assessment and Evaluation
Forschungsinteresse
- Biogeophysik
- Kryogeophysik & Permafrost
- Hydrogeophysik
- Numerische Modellierung
Forschungsregionen
- Spitzbergen/Svalbard
- Alpen
- Spiekeroog
- Ahrtal
Forschungsmethoden
- SIP
- IP
- Geoelektrik
- Georadar
- Magnetik
Eindrücke aus der Feldarbeit
Die beiden folgenden Videos sind im Rahmen der Geländeübung im Modul "Hydrogeophysik" auf der Insel Spiekeroog entstanden. Beide Videos zeigen eine Zeitrafferaufnahme des Aufbaus einer Geoelektrik-Messung.
Geophysikalische Feldmessungen auf Spiekeroog (Video 1)
Geophysikalische Feldmessungen auf Spiekeroog (Video 2)
Michels, V.; Chou, C.; Weigand, M.; Wu, Y.; Kemna, A. (2024)
Quantitative phenotyping of crop roots with spectral electrical impedance tomography: a rhizotron study with optimized measurement design. Plant Methods 20, 118. https://doi.org/10.1186/s13007-024-01247-7
Hase, J.; Weigand M.; Kemna, A. (2024)
A probabilistic solution to geophysical inverse problems in complex variables and its application to complex resistivity imaging. Geophysical Journal International/, Volume 237, Issue 1, April 2024, Pages 456–464, https://doi.org/10.1093/gji/ggae045
Wang, H.; Zimmermann, E.; Weigand, M.; Vereecken, H.; Huisman, J. A. (2023)
Comparison of different inversion strategies for electrical impedance tomography (EIT) measurements. Geophysical Journal International, Volume 235, Issue 3, December 2023, Pages 2888–2899, https://doi.org/10.1093/gji/ggad398
Hase, J.; Gurin, G.; Titov, K.; Kemna, A. (2023)
Conversion of Induced Polarization Data and Their Uncertainty from Time Domain to Frequency Domain Using Debye Decomposition. Minerals 2023, 13, 955. https://doi.org/10.3390/min13070955
Maximilian Weigand, Egon Zimmermann, Valentin Michels, Johan Alexander Huisman, and Andreas Kemna (2022)
Design and operation of a long-term monitoring system for spectral electrical impedance tomography (sEIT)
Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 11, 413–433, 2022, https://doi.org/10.5194/gi-11-413-2022
Grifka, J.; Weigand, M.; Kemna, A.; Heinze, T. (2022)
Impact of an Uncertain Structural Constraint on Electrical Resistivity Tomography for Water Content Estimation in Landslides. Land 2022, 11, 1207. https://doi.org/10.3390/land11081207
Theresa Maierhofer, Christian Hauck, Christin Hilbich, Andreas Kemna, and Adrián Flores-Orozco (2022)
Spectral induced polarization imaging to investigate an ice-rich mountain permafrost site in Switzerland
The Cryosphere, 16, 1903–1925, 2022, https://doi.org/10.5194/tc-16-1903-2022
Thanushika Gunatilake, Thomas Heinze, Stephen A. Miller, Andreas Kemna (2021)
Hydraulically conductive fault zone responsible for monsoon triggered earthquakes in Talala, India,
Tectonophysics, Volume 820, 2021, 229117, ISSN 0040-1951, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2021.229117
Moradi, S.; Heinze, T.; Budler, J.; Gunatilake, T.; Kemna, A.; Huisman, J.A. (2021)
Combining Site Characterization, Monitoring and Hydromechanical Modeling for Assessing Slope Stability. Land 2021, 10, 423. https://doi.org/10.3390/land10040423
Solomon Ehosioke, Frédéric Nguyen, Sathyanarayan Rao, Thomas Kremer, Edmundo Placencia-Gomez, Johan Alexander Huisman, Andreas Kemna, Mathieu Javaux, Sarah Garré (2020)
Sensing the electrical properties of roots: A review, https://doi.org/10.1002/vzj2.20082
Sascha Heinemann, Bastian Siegmann, Frank Thonfeld, Javier Muro, Christoph Jedmowski, Andreas Kemna, Thorsten Kraska, Onno Muller, Johannes Schultz, Thomas Udelhoven, Norman Wilke and Uwe Rascher (2020)
Land Surface Temperature Retrieval for Agricultural Areas Using a Novel UAV Platform Equipped with a Thermal Infrared and Multispectral Sensor
Remote Sens. 2020, 12(7), 1075; https://doi.org/10.3390/rs12071075
Sathyanarayan Rao, Nolwenn Lesparre, Adrián Flores-Orozco, Florian Wagner, Andreas Kemna & Mathieu Javaux (2020)
Imaging plant responses to water deficit using electrical resistivity tomography
Plant Soil (2020) 454:261–281; https://doi.org/10.1007/s11104-020-04653-7
Maximilian Weigand, Florian M. Wagner, Jonas K. Limbrock, Christin Hilbich, Christian Hauck, and Andreas Kemna (2020)
A monitoring system for spatiotemporal electrical self-potential measurements in cryospheric environments
Geosci. Instrum. Method. Data Syst., 9, 317–336, 2020, https://doi.org/10.5194/gi-9-317-2020
F. M. Wagner, C. Mollaret, A. Kemna, C. Hauck (2019)
Quantitative imaging of water, ice and air in permafrost systems through petrophysical joint inversion of seismic refraction and electrical resistivity data
Geophysical Journal International, Volume 219, Issue 3, December 2019, Pages 1866–1875, https://doi.org/10.1093/gji/ggz402