Anwendung der Transientenelektromagnetik zur Grundwassersuche in NamibiaGERLINDE SCHAUMANN 1

Transientenelektromagnetik, BodenmeBsystem, Grundwasserexploration, BGR, Technische Zusammenarbeit, Ausbildung,Namibia, Siidafrika

Kurzfassung1m Rahmen des German-Namibian Groundwater Exploration Project wurdo 1994 von der Bundesanstalt fur Coowissenschafteu und Rnh-stoffe (BGR) die Transientenelektromagnetik (TEM) als elektromagnetische Methode zur Erkundung von Grundwasservorkommen dumDepartment of Water Affairs (DWA) in Windhoek vorgestellt. Ziel des Programms war die Ausbildung von Fachkrafton in dor praktischenAnwendung der Methodik und der Interpretation der Messdaten. Dazu wurdcn mehrere Feldcinsiitze durchgcfuhrt.Als einfach zu handhabendes elektromagnetisches Bodenmebsystom mit geringem Aufwand im Cel.indc und nicdrigen Kosten in dorDurchfi.ihrung der Messungen stellt die TEM cine Erganzung del' bislang im Department of Water Affairs vorhandenen Mcbsystcmo dar.Das DWA ist damit in der Lage, Messungen durchzufuhren, die Aussagen i.iber die Leitfiihigkeitsverteilung des Untorgrundcs bis in Tiefenvon einigen hundert Metern liefern.Die TEM wurde in Namibia in verschiedenen Projektgebieten eingesetzt, die sich in ihren geologischen Bedingungen unterschcidon. Vor-gestellt worden sol! hier del' Einsatz in der Namibwuste, wo in den feinsandigen Sed imenten ehemaliger Fluhlaufe unter den Sanddi.inensi.il3esCrundwasser vermutet und bei fruhcren Bohrungen nachgewiesen wurde.

[Application of the Transient Electromagnetic Method for Groundwater Exploration in Namibia]AbstractThe Transient Electromagnetic (TEM) Method was introduced to the Department of wator Affairs in Windhoek in 1994 within the frame-work of the German-Namibian Groundwater Exploration Project. The Namibian counterparts were trained in the application of the methodand the interpretation of the data. The practical employment in the field was demonstrated.The TEM ground survey system is easy to handle and is inexpensive to run. This system extends the range of methods available to the DWAfor determining the conductivity distribution in the ground down to a depth of several hundred metres.TEM was employed in selected areas within the project areas to demonstrate its application to different kinds of geology. This paper dealswith its application in the Namib Desert, where fresh groundwater occurences were suspected to occur in fine sand filling buried riverchannels beneath the sand dunes of the Namib, since fresh groundwater had previously been found in drillholes in this area.

Grundwasserproblematik in Namibia

Wasser ist in Namibia eine sehr knappe Ressource. DieVersorgung der wachsenden Bevolkerung, Wirtschaft undViehzucht mit Wasser hat entscheidenden EinfluI3 auf diezukunftige Entwicklung des Landes. Aufgrund klimati-scher Bedingungen steht Oborfldchenwasser nicht uberal lganzjiihrig zur Verfilgung. In vielen Regionen sind wegenfehlender oder nicht ausreichender Grundwasserneubil-dung in der Regenzeit die Grundwasservorkommenbegrenzt. Das fur die Wasserwirtschaftsplanung des Lan-des zustandige Department of Water Affairs hat deshalbgrolies Interesse an der Suche nach neuen Grundwasser-vorkommen, u.a. auch in der Namibwuste im Westen desLandes. Dabei wird Namibia yon der Bundesanstalt furGeowissenschaften und Rohstoffe (BGR) im Rahmen derTechnischen Zusammenarbeit unterstiltzt.Die Versorgung des Wirtschaftsraums Swakopmund / Wal-vis Bay mit Wasser erfolgt bislang aus den Lockergesteins-aquiferen in den TrockenfluBbetten des Unteren Kuisebund des Omaruru Delta nordlich yon Swakopmund. Ausdiesen Aquiferen wird mehr Grundwasser entnommenals sich neu biidet. Die Wasserversorgung ist daher nichtauf Dauer gesichert. Man versucht deshalb, zusatzlicheGrundwasserressourcen unter den Sanddunen der Namib-wuste sudostlich yon Walvis Bay nachzuweisen und Zll

erschlieI3en (hOTHNER, 1995). Dieses Gebiet ist eines derProjektgebiete des German-Namibian Groundwater Explo-ration Project. Zur Lokalisierung aller genannten Areale s.Abb.1.

1 Bundosanstalt fur Geowissenschaften und RohstoffeStilleweg 2, D-30655 Hannover

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Projektgebiet Kuiseb Dune Area

Das Kuiseb-FluI3tal bildet die Grenze zwischen der Stein-namib im Norden und der Sandnamib im Suden, Auf demSatellitenbild in Abb. 2 ist diese scharfe Grenze deutlichzu erkennen. Der Kuiseb ist ein TrockenfluB unci fuhrt nurwenige Tage wiihrend der Regenzeit Wasser, das allerdingsnur selten die Kuste erreicht. Das Diinengebiet sudlich desKuisebflusses wird als Kuiseb Dune Area bezeichnet.

, Der sudafrikanische Council for Scientific and Industria IResearch (CSIR) fuhrte in den sechziger Jahren refraktions-seismische Messungen in den Dunentalern der Snndnamibdurch. Es wurde festgestellt, daf zwei breite Grundgebirgs-taler vorn Kuisebtal sudlich Rooibank getrennt in RichtungAtlantikkuste bei Sandwich Harbour verlaufen. Man nahman, daf diese ins Kristallin eingeschnittenen Taler mitfeinkornigem Tsondab-Sandstein tertiiiren Alters gefulltsind und rnoglicherweise Grundwasser fuhren. Durch Boh-rungen wies man sillies Grundwasser nach, dessen Vorratein der Croheriordnung von 1,5.109 m ' postuliert wurden(VANZlJL& HUYSSEN,1967).

Geophysikalische Grundwassererkundung

Urn eine genauere Vorstellung uber die Grundwasserver-haltnisso in der Kuiseb Dune Area (Abb. 1) zu erhalten,wurde yon der BGR dieses Gebiet 1992 aeroelektromagne-tisch (AEM) vermessen. Die Interpretation del' Hubschrau-ber-Messungen ergab, daf zahlreiche, von den Sanddunonder Namib verschuttete, alte Kuiseb-Flulilaufe (paleochan-nels) in Richtung Westkiiste verlaufen (SENGPIEI.& SIEMON,1995). Im Osten sind sie in das Kristallin oingesr.hnitten.

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SCHt\UMANN - Anwendung der Transientenelektromagnetik zur Grundwassersuche in Namibia

Abb. 1: Karte von Namibia mitder TEM-Prol'illinie (H-Linie).In der eingesetzten Uberslchts-karte sind aile Projektgebiete (1bis 5) des German-NamibianGroundwater Exploration Pro-ject dargestellt.

Fig. 1: Map of Namibia showingthe TEM survey line H. Theinset shows the locations of theGerman-Namibian GroundwaterExploration Project areas 1 to 5.

Projektgebiete:

t Kuiseb Dune Area2 Omaruru River Delta (OMDEL)3 Eastern Owambo4 Grootfontein Karst Area5 Omaruru Alluvial Plains (OMAP)

23°

24°

• RossingA

25°

20km'----'----"

Irn mittleren Teil, sudl ich yon Rooibank und Swartbank(Abb. 1), verlaufen sie im Tsondab-Sandstein. Das hydro-geologische Modell geht davon aus, daf nicht der Tson-dab-Sandstein, sondern die fainkornigen, teils halbverfe-stigten Sedimente del' alten Flulilaufe Hauptgrundwasser-leiter sind.

Grundlagen der Transientenelektromagnetik

Die Transientenelektromagnetik liefert Informationen uberdie Leitfahigkeitsverteilung im Untergrund. Dabei errnog-licht sie Erkundungstiefen bis zu einigen hundert Metern,abhangig yon den elektrischen Eigenschaften des Unter-grundes, Ein gro13er Vorteil ist die Einsatzmoglichkeit inGebieten rnit schlecht leitfahiger Deckschicht, in diesemFall trockener Sand in Wustengebieten.

Die Anderung des magnetischen Prirnarfe ldes einer auf del'Erdoberflache ausgelegten Spule durch Abschalten einesdarin flie13enden Gleichstromes erzeugt Wirbelstrorne inden leitfahigen Schichten des Untergrundes.

Dieses Stromsystem produziert ein sekundares magneti-sches Feld. Die induzierten Strome diffundieren nachunten und nach au13en und nehmen aufgrund ohrnscherVerluste mit der Zeit ab. Eine gering Ieitfahige Schicht imUntergrund dampft dabei die Ausbreitungsgeschwindig-keit des induzierten Strom systems weniger als eine gutlei-tende Schicht. Entsprechend den ohrnschen Verlustenandert sich das sekundare Magnetfeld mit der Zeit. Diese

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IjJWindhoek;. KALAHARI

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o 200km'----'----'

16°

~ Tsondab

NAMIBIA

15°

Anderungen induzieren eine Spannung in einer auf del'Erdoberflache ausgelegten Empfangsspule. Da die Starkeund Verteilung der Strornintensitat vorn Widerstand desUntergrundes nbhangen und somit fur die Anderungen dessekuridaren Magnetfeldes verantwortlich sind, gibt dieseSparmung Informationen Libel' den Widerstand des Un ter-grundes. Ihre zeitliche Abnahme wird als Abklingspan-nung oder Transient bezeichnet. Die Aufzeichnung erfolgtin logarithmisch aquidistanten Zeitschritten [Zeitkana len]nach Abschalten des die Sendespule durchflie13endenGleichslromes und somit ohne liberlagertes Prirnarfeld.

Die Messung einer Abklingkurve an einem Ort entsprichtdaher einer Sondierung uber einen grolieren Tiefenbereich(GREINWALD & SCiIAUMANN, 1997).

Als Sendevorrichtung wird eine grof3e Kabelschleife (Sen-despule) genau definierter Flache. meist quadratisch, aufder Erdoberflache ausgelegt. Bei der hier liberwiegendbenutzten koinzidenten MeBkonfiguration sind Sende-und Empfangsspule gleich groli. Zum Einsatz karn aucheine feste Empfangsspule in del' Mille einer quadratischenSendespule (Inloop-Anordnung).

Fast aile Messungen irn Kuiseb-Dunengebiet wurden mitdem SIROTEM3-Gerat der australischen Firma Geolnstru-ments in seiner Standardausflihrung und mit einer Kan-tenlange del' Spule yon 100 m durchgefuhrt. Die Abkling-kurve kann in maximal 53 Zeitkanalen registriert werden.Der erste Wert der Abklingkurve wird 50 us nach Beginndes Abschaltvorganges abgelesen, der letzte mogliche Zeit-kanalliegt bei 1,8 s.

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Fig. 2: Landsat photo of the Namib Desert showing the distinctboundary between the Stone Namib in the north and the SandNamib in the south, as well as the elongated NNW-SSE trendingdune ridges and valleys.

SCHALJMANN- Anwendung der Transientenelektromagnetik zur Grundwassersuche in Namibia

Abb. 2: Landsat-Satellitenaufnahme del' Narnibwiiste. Deutlich zusehen sind die scharfe Grenze zwischen der Steinnamib im Nor-den und del' Sand namib im Siiden sowie die langgestrecktenDunenkamrne und -taler in NNW-SSE-Richtung.

Spannung [nVoltl(A-m2)] Rhoa [n -rn]106'-r---------------------L104

105

10'

Station 1Inloop

10

:-10'

10

10"+_~~~~~,,-~~~~~,,___-~--.~~TTT"j10~6 10~5 10~4 10~3

Zeit [s]

Abb. 3: Gemessene Abklingkurve (blau) und scheinbare Daten-Widerstandskurve (rot) an der Station 1 auf der H-Linie.Fig. 3: Decay curve (blue) and Apparent Resistivity curve (red)obtained at Station 1 on line H.

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Ergebnis der TEM-MessungenFur die TEM-Messungen wurde erwartet, daf sich diegrundwasserfUhrenden Bereiche der Sedimente durchrelativ hohe Leitfahigkeit vom kristallinen Untergrund unddem Dunensand unterscheiden, da diese beiden geringereLeitfiihigkeiten d.h. hohere Widerstandswerte besitzen.Van groBem Interesse ist die Tiefe der Kristallinoberflacheund somit die Basis des Aquifers. Tiefere Senken im Kri-stallin werden als rnogliche paleochannels interpretiert.Weiterhin mochte man zwischen unterschiedlichen Sali-nitiiten des Grundwassers in den Sedimenten unterschei-den.Die TEM-Messungen wurden entlang zweier Profile durch-gefUhrt. Da die Ergebnisse beider Profile im Prinzip ahn-lich sind, sol! hier nur das Ergebnis der Messungen vorge-stellt werden, die entlang eines Tales inmitten des Durien-gebietes ausgefUhrt wurden. Das TEM-MeBprofil erstrecktesich uber 12 km in NNW-SSE-Richtung entlang der H-Linie, benannt nach fruheren sudafrikanischen Messungenin diesem Gebiet (Abb. 1). Gemessen wurden Abklingkur-ven an 25 Stationen mit einem Me13punktabstand van etwa500 m. Abb. 3 zeigt beispielhaft eine Abklingkurve der Sta-tion 1und die zugehorige scheinbare Widerstandskurve.

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SCIIAUMANN- Anwendung der Transientenelektromagnetik zur Grundwassersuche in Namibia

Tiefe I m Io

20

- I-

-

-

-

'I 'I

40

60

80

10010 100 1000

Widerstand [ Q m I10000

Abb. 4: Inversionsergebnis fur die Station 1 fur einen Dreischicht-fall.

Fig. 4: Result of one-dimensional inversion for a three-layer caseat Station 1.

Die gewonnenen Daten wurden mittels eindimensionalerInversion interpretiert. Benutzt wurde das ProgrammTEMIX-S der Firma Interpex (USA), ergiinzt durch eigeneAuswerteprogramme. Aufgrund der scheinbaren Wider-standskurven aus den TEM-Sondierungen wurde ein Drei-schichtfall als Startmodell gewiihlt. Weiterhin standen dieErgebnisse aus der 1992 von der BGR durchgefuhrten elek-tromagnetischen Hubschrauberbefliegung zur Verfligung.Eine bereits abgeschlossene Testbohrung in dem aeroelek-tromagnetisch vermessenen Diinental mit der Bezeichn ung

TP16 !ieferte weitere Anhaltspunkte fur die Erstellung desfur die Inversion benotigten Startmodells. Abb. 4 zeigt dasErgebnis der eindimensionalen Inversionsrechnung furStation l.

Der zur Interpretation gewiihlte Dreischichtfall (vgl. Abb.4) lii13t sich geologisch wie folgt begrlinden: die ersteSchicht wird durch schlecht leitfiihigen, d.h. hochohmigentrockenen Dunensand mit Widerstandswerten zwischen350 und 6000 Ohrn-rn gebildet, danach folgen als zweiteSchicht die fluviatilen Sedimente mit niedrigeren Wider-standswerten und darunter das wieder hochohmige Kri-stallin mit Widerstandswerten zwischen 400 und 14000Ohm-rn. Die grundwasserflihrenden Bereiche zeichnensich demnach - wie erwartet (s. 0.) - durch hohe Leitfahig-keit mit Widerstandswerten im Bereich von 8 bis 75Ohm-rn von der trockenen Sandbedeckung und dem kri-stallinen Untergrund ab.

Abb. 5 zeigt als Widerstands- Tiefen-Sektion die Inversi-onsergebnisse der 25 Einzelmessungen entlang des Profils.Fur den liberwiegenden Teil der Messpunkte konnte derpostu!ierte Dreischichtfall als Interpretationsergebnisbestiitigt werden. Der Aquifer wird der zweiten Schicht imInterpretationsmodell zugeordnet. Fur alle Stationenkonnte die Miichtigkeit des Aquifers und damit die Ober-kante des Kristallin bestimmt werden, die aus den AEM-Messungen wegen deren geringeren Eindringtiefe in derCroberiordnung von 100 m nicht iiberall bekannt war.

An einigen Stationen wurde zur Erkliirung der scheinbarenWiderstandskurven ein Vier- oder Fiinf-Schichtfallbenotigt. Die vierte Schicht ist unbekannter Natur, einemogliche Erkliirung wiiren Doleritgiinge, wie sie au13erhalbder Sandnamib bekannt sind (COETSEE, 1990). Die fi.infteSchicht wird aufgrund ihrer Widerstandswerte wiederdem Kristallin zugeordnet.

Eingezeichnet sind in Abb. 5 ebenfalls die Ergebnisse derBohrungen TP16 und TP17 (LENZ et aI., 1995). Sie bestati-gen in guter Niiherung die TEM-Interpretationsergebnisse

NNW SSEWiderstandssektion der TEM Sondierungen entlang der H-Linie

T Sondierungen 15 16 17 18 19~ 20 21 22 23/"24__ --=:2;:,5.!..,......_-1-0__ 1'.!1_1:.;2:..-1-3-1,...-4 ---'-'--'-"1

3 81 2

4

zz

5

EQ)..c'0I

200

100

Abb. 5: Ergebnisse der ein-dimensionalen Inversions-rechnung fur aile Stationenentlang des Profils, dar-gestellt als Widerstands-Tiefen-Sektion.

Fig. 5: Results of one-dimensional inversion forall stations along survey lineH, represented as a resistivi-ty-depth section.

o

-100

IjI II II II

350-6000Q m D Trockener DOnensand

8-75Q m Aquifer

30-80Q m D unbekannte Petrographie

150-350Q m • unbekannte Petroqraphie

400-14000Q m Kristallin

2000-200~----~----~~--~----~-d~~~--~----~~--~===-~~--~~~--~--~

o 10000 120004000 6000 8000Abstand der Sondierungen van Station 7 bis 19 [mJ

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Abb. 6: TEM-Messaufbau imDiinenta!.

SCI-IAUMANN- Anwendung der Transientenelektromagnetik zur Grundwassersuchc in Namibia

der in etwa 200 m Entfernung gelegenen Messpunkte 4bzw. 25. Direkt an den Bohrungen konnten keine TEM-Sondierungen durchgefiihrt werden, weil die vorhandenenmetallischen Cerate die Mel3ergebnisse verfalscht hatten.Abb. 6 zeigt den Aufbau einer TEM-MeBstation in demDunental.

An den Stellen, wo die aeroelektromagnetischen Messun-gen Hinweise auf alte Flubtaler lieferten, wurden von derTEM Vertiefungen im Kristallin gefunden (z.B. Stationen5,11 und 12, Abb. 5).

Da die TEM nur die Forrnationswiderstande und Machtig-keiten del' wasserfiihrenden Schichten bestimmen kann,sind hydrogeologische Zusatzinformationen notig, urn an-hand der Widerstandswerte zwischen siiliern und bracki-gem Grundwasser zu unterscheiden oder urn die Werteeiner Gesteinsschicht zuzuordnen. Die TestbohrungenTP16 und TP17 lieferten elektrische Leitfiihigkeitswerteder Grund wasser von 4300 pS/cm bzw. 5100 lIS/cm. Diesweist auf brackiges Grundwasser hin. Die Ergiebigkeit derBrunnen erwies sich bei Pumpversuchen kleiner als t m-/h(LENZ et aI., 1995).

Die TEM-Sondierungen entlang der H-Linie ergaben furdie meisten Stationen Widerstandswerte zwischen 20 und60 Ohrn-rn fur den Aquifer. Mit Hilfe der Leitfahigkeits-werte der Grundwasserproben aus den beiden Testbohrun-gen lal3t sich eine Beziehung zwischen den Widerstands-werten aus den TEM-Messungen und der Wasserqualitatableiten. Aufgrund dieses Zusammenhangs kann man ausden TEM-Messungen abschatzen, daf in den fluviatilenSedimenten im Bereich der H-Linie brackiges Grundwas-ser zu erwarten ist.

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Literatur

Fig. 6: Carrying out TEM mea-surements in a dune valley.

COETSEE,V. D. A., MEYER, R. & NIEMANN,A. (1990): Time-DomainElectromagnetic Sounding (TDEM) Survey in the RooibankAquifer Area South of Walvis Bay. - Report EMA-C 9062; Pre-toria (CSIR) [unpubl.].

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SENGPIEL,K.-P. & SIEMON,B. (1995): The BGR Geophysical Helicop-ter Survey in the Kuiseb Dune Area (Central Namib Desert),1992, Interpretation of Geophysical Data. - Vol. B-III, Arch.No. 113810; Hannover (BGR).

VAN ZIJL, j. S. V. & HUYSSE , RM.j. (1967): A seismic refractionsurvey of the Kuiseb River delta area. - Report No. KON/A/62/2: 12 pp.; Pretoria (CSIR) lunpubl.].

Eingang des Manuskripts: 3. 7. 1996

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