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TU Berlin

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Geophysikalische Untersuchungen von Beckenstrukturen und Sedimentinventar in der Inneren Mongolei, NW China

Forschungsleiter: Prof. Dr. H. Burkhardt
Mitarbeiter: Dr. Fiedler-Volmer, Sebastian Hölz, Michael Becken
Stud. Hilfskräfte: Thomas Hiller, Andreas Schenk
Ehemalige: Andreas Pfaffhuber, Marcus Kroupa
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Zeitraum: seit 4/2000
Zusammenarbeit: Freie Universität Berlin, GFZ Potsdam, University of Lhanzou (China)

Ausführliche Darstellung des Projekts unter www2.geophysik.tu-berlin.de/china/

Projektbeschreibung

Dieses Projekt ist ein Teil des DFG-Bündelprojektes "Rekonstruktiondes spätpleistozänen und holozänen Environments in der westlichen Inneren Mongolei, NW-China". Zur Klärung der tektonischen, sedimentologischen und hydrogeologischen Entwicklung eines Sedimentbeckens in der Badain Jaran Shamao werden in einem multimethodischen Ansatz elektrisch-elektromagnetische Messungen durchgeführt (Spektrale Induzierte Polarisation, Magnetotellurik, Transiente Elektromagnetik, Bodenradar, Geoelektrik). Aufbauend auf langjährigen Erfahrungen in Wüstengebieten sind optimierte multimethodische Messstrategien und Methoden zur gemeinsamen Inversion der verschiedenen Meßdaten weiter zu entwickeln. Das Vorhaben ist Teil eines interdisziplinären Bündelantrages (Paläoklimatologie, Hydrogeologie, Strukturgeologie, Fernerkundung, Bodenkunde). Hauptforschungsziel des Gesamtantrages ist die Klärung der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene spätquartäre abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischen Wüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Ziel: Das Ziel des Projektes ergibt sich aus der Frage, ob in Nordafrika nachgewiesene, spätquartäre, abrupte Klimawechsel in den zentralasiatischenWüsten einen kontemporären Verlauf zeigen. Seitdem die afrikanische Platte etwa die heutige geographische Position erreicht hat und das tibetische Plateau eine bedeutende Höhenlage entwickelte, besteht ein von letzterem ausgehender, hochtroposphärische Strahlstrom, welcher zu einem Delta über Nordafrika führt mit der Folge der weitgehenden Unterdrückung der für die übrigen Wüstengebiete charakteristischen Sommerniederschläge. Es ist daher von besonderem Interesse zu wissen, ob die am Nordrand des tibetischen Plateaus gelegenen Wüstengebiete eine korrelate Änderung des Environments erfuhren, da die Albedo über dem tibetischen Plateau und seinen Randgebieten Rückwirkungen auf die Zirkulation über den altweltlichen Wüstengürteln zur Folge haben müsste. Deren Steuerung durch Vergletscherung, Vegetationsbedeckung und topographische Position müsste sich in den fluvialen Akkumulationsräumen in den ariden Gebieten nördlich Tibets abzeichnen. Sie bieten besonders günstige Voraussetzungen, da sie wahrscheinlich seit dem Beginn des Quartärs geschlossene und langfristig endorheische Becken darstellen, in denen zeitweise ausgedehnte Endseen entstanden. Die Sedimentmächtigkeit überschreitet nach Vorstudien 230m. Es handelt sich um feinklastische Sedimente, die zum Teil rhythmisch geschichtete sind und einen Zeitraum von 800.000 Jahren überspannen. Es ist eine Feinauflösung sowohl der potamologischen, äolischen wie limnologischen Sedimentführung auf die klimatisch gesteuerten Einträge zu erwarten. Insofern erweisen sich die Sedimentationsräume als Archive für die klimatisch und gegebenenfalls tektonisch gesteuerte Variabilität und Entwicklung innerhalb des tibetischen Orogens und seines nördlichen Vorlandes. Im Gegensatz zu dem eemzeitlichen Interglazial vor ca. 120ka tritt in der darauffolgenden Zeit insbesondere im Holozän der Mensch als Geofaktor auf. Es bedarf daher der Überprüfung, ob die als Paläoklimaindikatorenherangezogenen Environment-Parameter von der anthropogenen Nutzung wesentlichbeeinflusst sind. Im betreffenden Untersuchungsgebiet gilt dies insbesondere für die Aufsiltung von Talabschnitten und Seen, die Aktivierung äolischer Dynamik, die Devastierung der riparinen Biotope entlang der Flussläufe in der Badain Jaran Shamo und der Entwaldung am Nordrand des tibetischen Orogens wie des Rückganges bzw. des Ausfallens von einigen Fischspezies und zahlreichen Säugern.
Der Bündelantrag sieht daher die Verknüpfung geologisch-paläontologisch, physischgeographisch, geophysikalisch, paläopedologisch, paläozoologisch, paläobotanisch-aktuell botanisch, historisch-sinologisch und humangeographisch arbeitender Gruppen vor. Teilziele und Fragestellungen der Geophysik: Aufgrund der Datendichte in den übrigen Wüstengebieten, insbesondere in Nordafrika und den randlichen Meeren des altweltlichen Wüstengürtels, ist die Einbindung des zentralasiatischen Kompartiments notwendig, um sich einer global gültigen Aussage über die Entwicklung des Wüstengürtels zu nähern. Die gewählte Zeitscheibe von ca. 40ka bis zur Gegenwart umfasst einen höchst dynamischen Entwicklungsabschnitt, für welchen es aus den zentralasiatischen Wüsten noch ein Informationsdefizit gibt.
Die geophysikalischen Untersuchungen beschäftigen sich mit dem strukturellen Bau und der Position des kristallinen Basements sowie einerfeinauflösenden Aufnahme der Klastite, z.B. in den grabenartigen Strukturenöstlich des Sogo Nur. Hierdurch können Fragen nach Lage des kristallinen Basements, Verlauf von Störungen wie auch die Reaktion des Untersuchungsgebietes auf die Hebung und Überschiebungstektonik des Qilian Shan behandelt werden. Mit Hilfe der feinauflösenden Geophysik können zum einen Paläoseen von Paläodrainagesystemen abgegrenzt werden, zum anderen Befunde der Quartärmorphologie regionalisiert werden. Hierzu werden die vorliegenden Befunde an oberflächennahen Bohrungen und der 230m-Bohrungzur Eichung der geophysikalischen Untersuchungen genutzt.

Geländekampagne 2000

Allgemeines: Die Feldkampagne im Sommer 2000 fand vom 21.08.2000 bis zum 27.09.2000 statt. Aus Berlin nahmen Dr. Fiedler-Volmer, Dr. H. Brasse (FU Berlin), M. Becken, S. Hölz und M. Kroupa teil. Von Seiten der Universität Lanzhou waren Dr. Q. Ma, Z.X. Wei und L.Q. Guo dabei. Komplettiert wurde die Gruppe durch drei chinesische Fahrer und eine Köchin.

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Im Rahmen des ersten Feldeinsatzes sollten insbesondere folgende Fragestellungen behandelt werden: a) Kann die quartäre Basis des Beckens elektrisch identifiziert werden und wie ist ihre Tiefenlage definiert? b) Wie ist der Beckenrand definiert und kann eine Aussage über präquartäre bzw. quartäre Deformation (Störungsbegrenzung) getroffen werden? c) Wie können die Beckensedimente elektrisch charakterisiert und identifiziert werden und können Aquifere detektiert werde Zur Klärung oben genannter Fragen wurden audiomagnetotellurische (AMT), transient elektromagnetische (TEM), gleichstromgeoelektrische (DC) und VLF-Messungen durchgeführt. Die AMT - Messungen wurden im maximalen Frequenzbereich 1 kHz - 100 s ausgewertet und erreichen damit je nach Leitfähigkeit Eindringtiefen von einigen 10-er Metern bis über 10km. Der gemessene Transient bei der TEM umfasst den Zeitbereich von 25 µs bis 250 ms, entsprechend einer Eindringtiefe von einigen Metern bis maximal 1km. Für beide Verfahren wirkt sich das gute Signal zu Noise Verhältnis im Messgebiet vorteilhaft aus. Die DC-Messungen wurden als Wennersektionen mit einer Multielektrodenanlage (50 Elektroden) zur oberflächennahen Erkundung eingesetzt (Eindringtiefe: einige dm bis einige 10er Meter). Trotz hoch arider Bedingungen konnte zumeist eine gute Ankopplung der Elektroden bei DC und AMT erzielt werden. Zu VLF-Messungen konnten insgesamt drei Sender empfangen werde, von denen einer eine zur vermuteten Streichrichtung (NS) günstige Lage hatte. Schwerpunkt der Untersuchungen war die oben aufgeführte Erkundung des Beckenrandes. Hierzu wurden alle vier genannte Verfahren eingesetzt. Die Festlegung der Profile erfolgte aufgrund der Auswertung des Satellitenbildes im östlichen Beckenrandgebiet nahe der Oase Ejina Qi. In Verlängerung der Profile nach Westen befindet sich eine Bohrung, die von der geographischen Arbeitsgruppe im Jahr 1998 abgeteuft wurde und Aufschluss über die Quartärbasis (227m ) sowie die Sedimente des Quartärs gibt. Insgesamt wurden 24 AMT-Stationen, 52 TEM Punkte, 20 DC-Geoelektrik-Sektionen, und einige Kilometer VLF-Profile vermessen, davon jeweils der Hauptteil auf dem oben benannten Profil

Audiomagnetotellurik (AMT): Aus den AMT-Messungen lassen sich folgende Ergebnisse ableiten: Die Quartärbasis kann identifiziert werden, die Daten stimmen mit den aus der Bohrung bekannten Tiefen (230m ) überein. Im Liegenden des Quartärs im Beckeninneren befinden sich über 800m mächtige präquartäre Sedimente. Die Beckenbasis wird nicht als kristallines Basement interpretiert, vielmehr lassen sich die spez. Widerstände mit denen der im östlichen Beckenrandbereich anstehenden Metasedimente korrelieren. Der im Liegenden des Quartär identifizierte gute Leiter wurde im Bereich der Bohrung im Beckenzentrum nachgewiesen (AMT 12) sowie ca. 35km östlich davon (AMT 20), verschwindet aber abrupt im weiteren Profilbereich in Richtung des Beckenrandes. Dies wird als Indiz für einen störungsbedingten Abbruch des Schichtpaketes gewertet (präquartäre Deformation). Da die ermittelten quartären Sedimentmächtigkeiten beiderseits der vermuteten Störung in etwa gleich sind, muss davon ausgegangen werden, dass im Quartär keine wesentliche Deformation in diesem Beckenrandbereich stattgefunden hat. Da der Beckenrand insgesamt offensichtlich einige Kilometer weiter westlich ist als aufgrund der Auswertung des Satellitenbildes zunächst vermutet, sind hier in Zukunft weitere Messung zur Verdichtung des Profils notwendig, um die obigen Aussagen zu konkretisieren. Desweitern ist eine Verdichtung des Profils im Beckeninneren notwendig, um eine Aussage über eine etwaige (tektonisch induzierte) Topographie der Quartärbasis zu erhalten.

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Transiente Elektromagnetik (TEM): Transient elektromagnetische Messungen wurden ebenfalls auf dem oben genannten Profil in großer Dichte durchgeführt. Eine bekannte Schwierigkeit bei der Aufzeichnung von Transienten ist die Korrektur eines DC-Offsets. Wenn diese Korrektur nicht korrekt durchgeführt wird, führt dies zu einem Bias bei späten Zeiten, der immer ein guten Leiter indiziert, der nicht existieren muss. Die kommerzielle Gerätesoftware, die uns zur Verfügung steht, löst diese Aufgabe nicht zufriedenstellend, wie sich aus dem Vergleich der Daten mit der AMT zeigt. Daher haben wir ein pre-stacking Verfahren entwickelt, dass den DC-Offset und auch eine Drift desselben über eine statistische Auswertung der Einzelstacks korrigiert. Erst dadurch sind die Daten sinnvoll auswertbar. TEM-Messungen und AMT-Messungen sollen nun im Rahmen einer Joint-Inversion interpretiert werden, da die Sensitivitäten der beiden Verfahren gegenüber guten bzw. schlechten Leitern jeweils unterschiedlich ist, und durch eine gemeinsame Interpretation die Leitfähigkeitsstruktur insgesamt besser aufgelöst werden sollte.

Gleichstromgeoelektrik (DC): Für die oberflächennahe Erkundung des Untergrundes wurde vor allem das gleichstrom-geoelektrische Verfahren eingesetzt. Zum Einsatz kam eine Multielektrodenapparatur bestehend aus dem Meßgerät "CAMPUS GEOPULSE", einem Laptop, einem Multiplexer sowie 50 Elektroden. Bei dem Messgerät handelt es sich um eine Konstant-Strom-Meßapparatur. Es können Ströme zwischen 0,5mA und 100mA manuell eingestellt werden. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 18W. Der Multiplexerdient zur Ansteuerung der 50 Elektroden. Die Aufzeichnung und Durchführungerfolgt über einen angeschlossenenen Laptop.

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Beispielhaft werden im folgenden Untergrundmodelle basierend auf Inversionsergebnissen gleichstrom-geoelektrischer Wenner-Kartierungen im Untersuchungsgebietgezeigt. Das erste Beispiel zeigt einen brackischen Aquifer (blau) in einerTeufe von etwa 10m, der von einem resistiven Schichtpaket überdecktwird. Vergleicht man das Foto, auf dem man sieht, dass die Profilliniean einem Feld vorbeiläuft (im spitzen Winkel), mit dem Ergebnis, soist zu erkennen, dass die oberflächennahe hochohmige Schicht mit abnehmendemhorizontalen Abstand zum Feld mächtiger wird. Das Untergrundmodellbasiert auf dem Inversionsergebnis durchgeführt mit dem Blockinversionsprogramm RESIXIP2DI

Geoelektrik in Aktion. Messungen in der nördlichen Badain Jaran Shamo, Nord-West China
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Das aus den gleichstrom-geoelektrischen (DC) Messungen auf dem Gesamtprofil resultierende Untergrundmodell der ersten 40m ist in Abbildung 4 dargestellt. Hierbei sind jedoch auch schon weitere Informationen eingeflossen, wie etwa Oberflächenbeobachtungen und Ergebnisse aus den anderen parallelgelaufenen geophysikalischen Messungen. Dieses Untergrundmodell reicht vom Basislager bis zu einem Punkt etwa 6km westlich, dem westlichsten Profilpunkt der DC-Messungen.

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Desweiteren wurden DC-Messungen an Orten durchgeführt, wo Bohrungen der Geomorphologen stattfanden, um die Möglichkeit der flächenhaften Interpretation der punktuellen geomorphologischen Erkundung zu untersuchen.

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In der Abbildung ist das Inversionsergebnis des entsprechenden Geoelektrikprofils, das Bohrprofil der Bohrung, sowie die Lage des Bohrpunktes und des Profils zueinander dargestellt. Die Übereinstimmung der gefundenen Salzkrustenschicht mit einem entsprechenden Leitfähigkeitskontrast in dem Ergebnis der Inversion (durchgeführt mit dem Smoothinversionsprogramm RES2DINV®).Es handelt sich hierbei um die Erkundung im Yuanze-Lake östlich der Stadt Ejina Qi. Ein weiteres Erkundungsobjekt war der Sogo Nur nördlich der Stadt. Bei dem Yuanze-Lake wie dem Sogo Nur handelt es sich um ehemalige Endseen des Flusssystems, welches wasserwirtschaftlich bedingt nicht mehr bis Ejina Qi reicht.


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Geländekampagne 2001

In den Monaten August und September 2001 wurden die Messungen des Vorjahres fortgesetzt. Teilnehmer waren hierbei Dr. Fiedler-Volmer, M. Becken, A. Pfaffhuber, S. Hölz (alle TU Berlin), Dr. Zhou, Wang Weigou, Wu Yan Jun, Yang Liu (alle Universität Lanzhou) und die Arbeitsgruppe Geographie unter der Leitung von Dr. Wünnemann. Hauptmeßgebiet war hierbei eine wadiähnliche Struktur im östlichen Basement (Satellitenbild, rechte Bildhälfte). Untersucht werden sollte, in welchem Zusammenhang diese Struktur mit dem direkt südich angrenzenden Jingshutou See steht. In dem "Wadi" wurden insbesondere mit der AMT (28 Stationen) und der TEM (ca. 90 Stationen) dichte Profile vermessen. Ergänzt wurden diese Messungen durch einige Geoelektrik-, SIP- und CSAMT-Meßpunkte, die ergänzende Informationen für die Auswertung und Interpretation geliefert haben. Das bereits im Vorjahr mit verschiedenen Methoden begonnene Profil, das vom Bohrloch D100 im Westen bis zum Rand des Basements reicht (s.a. Satellitenbild, linke Bildhälfte) wurde mit der TEM vervollständigt, so daß ein loses Profil mit Punktabständen von ca. 3km über den Oasenbereicht existiert. Eine ausführliche Darstellung der Ergebnisse für die einzelnen Methoden und die daraus gezogenen Schlußfolgerungen befinden sich im DFG-Arbeitbericht der Arbeitsgruppe Geophysik, der auf dieser Webseite eingesehen werden kann.

Geländekampagne 2004

Aufgrund von Verzögerungen beim Verlängerungsantrag und der SARS-Epidemie, konnte die Forschung im Arbeitsgebiet in den Jahren 2002 und 2003 nicht durchgeführt werden. Für das Frühjahr 2004 ist aber ein dritte Meßkampagne finanziert und geplant, die mit unseren chinesischen Partnern an der Universität in Lanzhou und der Universität in Xian durchgeführt werden soll. Hierbei steht die Untersuchung des Gurinaigrabens, der sich südlich des Yuanze Sees befindet, im Vordergrund des Interesses (s. a. Arbeitsbericht 2001).

Veröffentlichungen

Becken et al., 2001a M. Becken, S. Hölz, M. Kroupa, R. Fiedler-Volmer und H. Burkhardt: Erste Ergebnisse geophysikalischer Untersuchungen von Beckenstrukturen im nördlichen Vorland von Tibet, NW-China. DGG 2001.
Becken et al., 2001b M. Becken, S. Hölz, M. Kroupa, R. Fiedler-Volmer, A. Pfaffhuber and H. Burkhardt: Geoph. Investigation of a basin structure in the Badain Jaran Shamo using EM and electrical sounding methods. RACHAD 2001.
Hölz et al., 2001 S. Hölz, M. Becken, M. Kroupa, R. Fiedler-Volmer, A. Pfaffhuber and H. Burkhardt: Characterization of the sedimentary inventory of a basin using EM and electrical sounding methods. RACHAD 2001.
Hölz et al., 2002 S. Hölz, M. Becken, R. Fiedler-Volmer, A. Pfaffhuber und H. Burkhardt: AMT- und TEM-Untersuchungen zur Beckencharakterisierung in der Wüste Gobi, NW-China. DGG 2002.
Becken et al., 2003 M. Becken, S. Hölz, D. Polag, R. Fiedler-Volmer und H. Burkhardt: Electromagnetic investigations in the Gaxun Nur Basin, Inner Mongolia, China. Rachad 2003.

Zusatzinformationen / Extras