Electrical imaging for cave detection: numerical and field studies

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden in zwei Gebieten Messungen mittels der bildgebenden geophysikalischen Methoden Geoelektrik (Electrical Resistivity Tomography, ERT) und Georadar (Ground Penetrating Radar, GPR) durchgeführt, um oberflächennahe Hohlräume zu detektieren. Die Untersuchungsgebiete liegen südwestlich von Lunz am See in den Nördlichen Kalkvoralpen und umfassen zwei Höhlen, den Forststraßeneinbruch und die Stiegengraben-Wasserhöhle. Die auf eine Länge von 1 km vermessene Stiegengraben-Wasserhöhle wurde in den 1970er Jahren beim Bau einer Forststraße mit großen Blöcken und später mit großen Mengen an feinkörnigem Material zugeschüttet. Hier besteht die Befürchtung, dass der Wasserdruck durch das Verstopfen der episodisch aktiven Quellhöhle das unverfestigte Material mobilisiert, was zu einer Mure führen und die Häuser im Tal darunter gefährden könnte. Ziel der geophysikalischen Untersuchung war hier, die exakte Lage des ehemaligen Höhleneingangs zu identifizieren. Mit Hilfe der geophysikalischen Messungen konnte der verschüttete Eingang oberhalb der Stiegengraben-Wasserhöhle lokalisiert werden. Dabei konnte der Eingangsbereich sowohl auf den GPR als auch auf den ERT Bildern indentifiziert werden. Außerdem zeigten die ERT Bilder, dass sich wohl bereits größere Mengen Sediment und/oder Wasser in der Eingangshalle der Stiegengraben-Wasserhöhle gesammelt haben. Der Forststraßeneinbruch wurde im Dezember 2016 aufgrund eines in einer Forststraße eingebrochenen Lochs erstmals erwähnt. Ziel dieser geophysikalischen Untersuchung war es zu überprüfen, ob die bekannten Hohlräume des Forststraßeneinbruchs mit Hilfe geophysikalischer Methoden nachweisbar sind. Zusätzlich sollte dabei auch nach möglichen weiteren, oberflächennahen Hohlräumen gesucht werden, um eventuelle weitere, durch Einsturz bedrohte Bereiche auf der Forststraße feststellen zu können. Im Gegensatz zur Stiegengraben-Wasserhöhle konnten die tieferen und engräumigeren Hohlräume des Forststraßeneinbruchs mit Hilfe der GPR Messungen bis auf eine Ausnahme nicht erkannt werden. Die ERT-Bilder zeigen allerdings auch hier deutliche Kontraste in den physikalischen Eigenschaften des Untergrunds. Durch Modellierung der bekannten Höhlenteile konnte gezeigt werden, dass diese sehr gut mit den Anomalien der ERT Bilder übereinstimmen. Bei zwei Bereichen wurden allerdings sehr hohe Kontraste festgestellt, obwohl sich dort kein bekannter Raum des Forststraßeneinbruchs befindet. Damit könnte man hier eventuell von der Existenz weiterer, noch unbekannter Hohlräume ausgehen.

Within the scope of this diploma thesis, the imaging geophysical methods Electrical Resistivity Tomography (ERT) and Ground Penetrating Radar (GPR) were carried out to detect nearsurface cavities in two areas. The areas under investigation are located south-west of Lunz am See in the Northern Calcareous Alps and include two caves, the Stiegengraben-Wasserhöhle and the Forststraßeneinbruch. The Stiegengraben-Wasserhöhle has a length of 1 km and was buried with gravel in the 1970s during the construction of a forest road. Here, it is feared that the water pressure will mobilize the unconsolidated material by clogging the episodically active source cave, resulting in a debris-flow and endangering the houses in the valley below. The goal of the geophysical survey was to identify the exact location of the former cave entrance. Both geophysical methods (GPR and ERT) were able to locate the entrance of the Stiegengraben-Wasserhöhle. In addition, the ERT pictures show that probably already larger amounts of sediment and/or water hace accumulated in the entrance hall of the Stiegengraben-Wasserhöhle. The Forststraßeneinbruch was first mentioned in December 2016 due to a hole in a forest road. The purpose of this geophysical survey was to verify that the known cavities of the Forststraßeneinbruch are detectable by geophysical methods. It was also possible to search for additional cavities close to the surface, areas which are threatened by a collapse on the forest road as well. With one exception, the ERT images show clear contrasts in the physical properties of the subsoil, where known cavities are present. By modelling the known cave parts it was shown that these correspond very well with the anomalies of the ERT images. In two areas, however, very high contrasts were found, although no corresponding chamber of the Forststraßeneinbruch is known yet. This might give a hint to the existence of additional, yet unknown cavities.