Estimation of hydraulic and mechanical subsurface properties through the combination of electrical and seismic geophysical methods

Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüftAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersSeismische und elektrische Verfahren werden häufig für Hangrutschungsuntersuchungen angewendet, um das Rutschungsmaterial zu charakterisieren und die zugrundeliegenden hydrogeologischen und mechanischen Prozesse zu verstehen. Diese Methoden erlauben die Bestimmung quasi-kontinuierlicher Variationen der physikalischen Untergrundeigenschaften auf nicht invasive Art und bewältigen die Einschränkungen der zu geringen räumlichen Auflösung von direkten und invasiven geotechnischen Methoden. In dieser Masterarbeit wurden daher die geophysikalischen Methoden Induzierte Polarisation (IP), Seismische Refraktionstomographie (SRT) und ein Verfahren der Oberflächenwellenseismik, das sogenannte multichannel analysis of surface waves (MASW), in einer seichten, tonreichen Hangrutschung in Österreich verwendet. Verfügbare geotechnische Informationen, so wie Ergegnisse spektraler IP Messungen im Labor wurden für die Interpretation der Ergebnisse herangezogen. Individuell prozessierte und invertierte IP Datensätze weisen auf bevorzugte Wasserfließwege und Zonen mit höherem Tongehalt hin, während die seismischen Inversionsergebnisse der Methoden SRT und MASW Informationen zum Verwitterungszustand der Untergrundmaterialien und zur Tiefe des Grundgesteins liefern. Um eine integrative und quantitative Interpretation hinsichtlich hydrogeologischer und mechanischer Parameter zu erreichen, wurde ein Datenfusionsansatz basierend auf der gemeinsamen Inversion geophysikalischer Parameter und der Kombination von gemeinsamen und unabhängigen Inversionsergebnissen entwickelt und an einem Messprofil getestet. Die entwickelte Methodik leitet die Variation der Elastizitätsmodule im Untergrund aus bestimmten Modellen für den Gesteins-, Wasser- und Luftgehalt und für seismische Geschwindigkeiten ab. Die Ergebnisse der Datenfusion zeigen gute Übereinstimmung mit den verfügbaren geotechnischen Daten (d.h. Rammsondierungen) und zeigen eine Zunahme der Wassersättigung und Materialsteifigkeit mit der Tiefe. Zusätzlich, wird die hydraulische Leitfähigkeit aus den individuell prozessierten IP Daten geschätzt, um die IP Ergebnisse quantitativ zu interpretieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die kombinierte Untersuchung der Hangrutschung, mit den geophysikalischen Methoden IP, SRT und MASW mittels Datenfusion, die Charakterisierung der Variabilität der Untergrundeigenschaften verbessert und die Information von direkten geotechnischen Methoden räumlich erweitert.Seismic and electrical methods are widely used for landslide investigations to characterize the sliding materials and understand the underlying hydrogeological and mechanical behaviour. These techniques permit to solve for quasi-continuous variations of subsurface physical properties in a non-invasive manner, mitigating the limitations of the low spatial resolution of discrete and intrusive geotechnical investigations. Hence, in this thesis, the geophysical methods induced polarization (IP), seismic refraction tomography (SRT) and multichannel analysis of surface waves (MASW) were applied to a shallow, clay-rich landslide in Austria. Available geotechnical information, as well as results of laboratory spectral IP measurements were used to aided in the interpretation of the results. Individually processed and inverted IP data sets revealed preferential water flow paths and zones of increased clay content, while the seismic inversion results, obtained with the methods SRT and MASW, provided information on the weathering of the subsurface materials and allowed to delineate the depth to the bedrock. To enable a more integrated and quantitative interpretation in terms of hydrogeological and mechanical parameters, a data-fusion approach based on a joint inversion and combination of joint and independent inversion results was designed and tested on one profile. This provided an imaging framework, that derives the elastic shear and Young's moduli from resolved subsurface variations in porosity, water saturation, air content and seismic velocities. The results of this data-fusion approach showed good agreement with available geotechnical information (i.e. dynamic probing) and revealed an increase in water saturation and material stiffness with depth. Additionally, the hydraulic conductivity was estimated based on the individually processed IP data sets, allowing for a quantitative interpretation of the electrical images. The results of this thesis show, that the combination of the landslide with the three geophysical methods, IP, SRT and MASW, in a data-fusion approach improves the characterization of the variability of subsurface properties and extends the information obtained from geotechnical methods.9