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Dokumentenidentifikation DE19838085C2 27.07.2000
Titel Verfahren und Bohrlochsonde zur Untersuchung von Böden
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Vereecken, Harry, Dr., 52428 Jülich, DE;
Höltkemeier, Jürgen, 52382 Niederzier, DE;
Hashagen, Uwe, 52066 Aachen, DE
Vertreter Jostarndt, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 52076 Aachen
DE-Anmeldedatum 21.08.1998
DE-Aktenzeichen 19838085
Offenlegungstag 23.03.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2000
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01V 3/12   G01V 9/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, wobei in einem Meßbereich einer Bohrlochsonde die Konzentration mindestens eines Stoffes gemessen wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Bohrlochsonde zur Untersuchung einer Konzentration eines Stoffes in einem Boden, mit wenigstens einem Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in einen Meßbereich.

Bei dem Stoff kann es sich sowohl um einen bereits in dem Boden vorhandenen Stoff als auch um einen gezielt eingebrachten Markiererstoff (Tracer) handeln.

Ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, bei dem an wenigstens einer Stelle in den Boden wenigstens ein Markiererstoff eingebracht wird, ist aus einem Aufsatz von M. Schöttler: "Entwicklung eines Einbohrloch-Verfahrens zur Messung horizontaler Grundwasserströmungen" bekannt. In diesem Artikel ist ferner eine Bohrlochsonde zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben. Bei der Bohrlochsonde handelt es sich um eine Meßzelle, die zwei Lichtquellen, ein Linsensystem und eine spezielle Videokamera enthält. Ein Markiererstoff aus einem fluoreszierenden Material wird mittig auf einem mehrere Millimeter großen, fokussierten Beobachtungsbereich suspendierend freigesetzt. Dieser Bereich liegt in der frei durchströmbaren, axialen Mitte des Meßabschnittes. Von den Lichtquellen emittiertes und von dem Markiererstoff wellenlängenverschoben remittiertes Licht wird von der Videokamera als leuchtender Bildpunkt registriert. Hierdurch entsteht ein kontrastreicher Bildpunkt auf einer videotechnisch erfaßten Bildfläche.

Bei dieser bekannten Bohrlochsonde erfordert die Erfassung der Fließrichtung des Markiererstoffs eine Auswertung der gesamten Daten der Bildfläche.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 44 14 622 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Fremdstoffen in körnigen Medien bekannt. Hierbei erfolgt eine Messung der spektralen Absorbtion im infraroten Bereich oder der spektralen Fluoreszenz. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen dazu, Fremdstoffe in körnigen Medien ohne Probenentnahme und Proben-Extraktion qualitativ und quantitativ zu bestimmen sowie Matrixeinschlüsse der Bodenstruktur und die Bodenfeuchtigkeit quantitativ zu erfassen. Durch Messung der Spektralverteilung des von dem körnigen Medium zurückgestrahlten Lichts, der gleichzeitigen bildlichen Messung der Struktur des körnigen Mediums, der Ermittlung der mittleren Korngröße sowie der effektiven Wasserschichtdicke des körnigen Mediums wird sowohl die Konzentration von Wasser als auch die Konzentration der Fremdstoffe im körnigen Medium berechnet. In einem Messkopf sind eine Beleuchtung, eine Kamera für die bildliche Aufzeichnung der Bodenstruktur und ein Lichtwellenleiter für die Aufnahme von Infrarotstrahlung angeordnet. Dies gestattet eine Bestimmung der Fremdstoffe unmittelbar im körnigen Medium. Der Messkopf zur Bestimmung der Fremdstoffe im Boden weist eine Glühlampe, ein Sichtfenster, ein Photodetektorarray und ein Kameraobjektiv auf, mit denen ein Bild der Bodenstruktur aufgenommen und über ein Kabel zu einer Auswerte- und Steuereinheit übertragen wird. Der von dem Boden reflektierte Infrarotlichtanteil wird durch ein Ende eines Lichtwellenleiters aufgenommen und einem Spektrographen, der sich in der Auswerte- und Steuereinheit befindet, zugeführt. Zur Messung der spektralen Fluoreszenz der Schadstoffe im körnigen Medium enthält der Messkopf einen zusätzlichen Lichtwellenleiter. Durch den zusätzlichen Lichtwellenleiter werden Laserimpulse auf den zu untersuchenden Boden gerichtet. Das Fluoreszenzlicht von der Probe wird über den Lichtwellenleiter einem Spektrographen zugeführt. Für quantitative Bewertungen der fluoreszierenden Fremdstoffe wird die Korngrösse im Boden berücksichtigt. Der Lichtwellenleiter ist dabei so in einem Messkopfgehäuse angebracht, dass er sich starr innerhalb des Messkopfgehäuses befindet und einem zu untersuchenden, ausserhalb des Messkopfes befindlichen Medium zugewandt ist.

Die Deutschen Offenlegungsschrift DE 44 14 622 A1 beschreibt ferner, dass das Verfahren und die Vorrichtung sich zur Untersuchung von Verunreinigungen von Böden eignen. Durch das dort dargestellte Verfahren und die Vorrichtung zur Bestimmung von Fremdstoffen werden die Fremdstoffe in dem zu untersuchenden Medium ohne Probenentnahme und Proben- Extraktion qualitativ und quantitativ bestimmt. Ebenso wird die Bodenstruktur und die Feuchtigkeit des Bodens ermittelt.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 02 879 A1 ist ein Verfahren zur in-situ-Bestimmung der Gasleitfähigkeit an Sondierungsbohrlöchern bekannt. Hierbei wird mittels eines Packer-Systems in den zu untersuchenden Boden Luft entweder injiziert oder aus diesem abgesaugt. Durch Bestimmung von Druck und Durchfluss wird die effektive Permeabilität des zu untersuchenden Bodens berechnet.

Aus dem Artikel von BUBLITTZ, J. und SCHADE, W.: Laserspektroskopie in der Umweltanalytik, GIT Fachz. Lab, 1995, Bd. 2, S. 117-123, ist ein mobiles Messsystem zum Spurennachweis von Schadstoffbelastungen in Gewässern und in Böden bekannt. Das Messsystem besteht aus einem Laser, zwei Lichtleitern mit integriertem Detektorkopf, einem Interferenzfilter und einem Photomultiplier. Die Messaparatur dient zur Diagnostik von Umweltbelastungen im Grundwasser oder zur Untersuchung von belastetem Bodenmaterial. In dem Artikel ist gleichfalls ein Einsatz für eine routinemässige Überwachung von Industrieanlagen und Mülldeponien genannt. In dem Artikel ist ferner beschrieben, dass sich durch eine geeignete Wahl von Laserwellenlängen zusätzlich einzelne Stoffgruppen gezielt nachweisen lassen. Durch Einsatz eines Raman-Shifters können mehrere Laserlinien im ultravioletten Spektralbereich gleichzeitig erzeugt werden, so dass ein selektiver Nachweis von einzelnen Aromaten in Wasser- und Bodenproben erreicht wird. Durch einen Einsatz komplexbildender Farbstoffe, die bevorzugt Metallionen anlagern und dadurch ihre spektralen Eigenschaften charakteristisch ändern, kann dieses bekannte System auf den Nachweis von Schwermetallverunreinigungen erweitert werden.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 27 02 332 A1 ist ein Verfahren zur chemischen und mineralogischen Analyse des Erdbodens bekannt. Zur Durchführung des Verfahrens dient eine in ein Bohrloch absenkbare Kapsel, die einen Laser enthält, dessen Strahlung durch ein Fenster auf die Bohrlochwand gerichtet ist. In dem Strahlenweg der von der Bohrlochwand reflektierten Laserstrahlung ist ein Strahlungsdetektor angeordnet. Durch Einsatz eines Lasers mit einer veränderbaren Emissionsfrequenz wird das spektrale Reflexionsvermögen des untersuchten Gesteins ermittelt. Da sich bei Lasern mit veränderbarer Emissionsfrequenz die Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Frequenz der emittierten Strahlung ändern kann, ist im Strahlenweg der Laserstrahlung ein Strahlteiler angeordnet, der einen Messstrahl und einen Referenzstrahl erzeugt und es durch Bildung eines Amplitudenverhältnisses zwischen Messstrahlsignal und Referenzstrahlsignal ermöglicht, Schwankungen der Strahlungsintensität auszugleichen.

Bei einer weiteren bekannten Bohrlochsonde der GSF München wird die Bewegung eines radioaktiven Markiererstoffs detektiert. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass geeignete, kurzlebige Isotope in einem Nuklearreaktor hergestellt werden. Diese Herstellung ist verhältnismäßig aufwendig. Außerdem sind die Markiererstoffe aufgrund ihrer Kurzlebigkeit nur sehr eingeschränkt lagerfähig. Es ist außerdem schwierig, die für ihren Einsatz erforderliche Betriebsgenehmigung zu erhalten.

Ferner wurde von der University of California eine Bohrlochsonde entwickelt, bei der ein entnommenes Probenvolumen an eine Geländeoberfläche gepumpt wird. Hierbei handelt es sich dementsprechend um keine In-Situ-Messung.

Von der Technischen Universität Freiberg wurde eine Bohrlochsonde entwickelt, die mit Wärmepulsen arbeitet. Hierbei können lediglich hohe Grundwassergeschwindigkeiten ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren auf möglichst einfache und zweckmäßige Weise durchzuführen und eine Fließrichtung des Stoffes zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren so durchgeführt wird, daß elektromagnetische Strahlung an verschiedenen Stellen in den Meßbereich eingekoppelt und/oder an verschiedenen Stellen aus dem Meßbereich ausgekoppelt wird.

Es ist besonders zweckmäßig, dieses Verfahren so durchzuführen, daß die elektromagnetische Strahlung Lichtstrahlen enthält.

Vorteilhafterweise läßt sich das Verfahren so durchführen, daß die Lichtleitfaser bewegt wird, was beispielsweise durch einen Motor geschehen kann.

Es ist gleichfalls zweckmäßig, daß die elektromagnetische Strahlung abgelenkt wird.

Dieses Verfahren wird in vorteilhafter Weise so durchgeführt, daß die elektromagnetische Strahlung gemäß einer vorgegebenen Bahn abgelenkt wird.

Hierbei ist es besonders zweckmäßig, daß die vorgegebene Bahn im wesentlichen einen Kreis entspricht.

Eine weitere, gleichfalls bevorzugte Durchführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die elektromagnetische Strahlung mit einem sich bewegenden, insbesondere rotierenden Ablenkmittel, beispielsweise einem Prisma, einer Linse oder einem Spiegel abgelenkt wird.

Eine besonders wirksame Detektion läßt sich dadurch erreichen, daß die Lichtstrahlen Emissionswellenlängen zwischen 200 nm und 950 nm aufweisen.

Es ist ferner besonders zweckmäßig, das Verfahren so durchzuführen, daß der Stoff durch die Lichtstrahlen angeregt wird. Bei dieser Anregung handelt es sich vorzugsweise um eine Lumineszenz-Anregung. Hierbei erfolgt nach einer Energieabsorption durch Atome, Moleküle oder kondensierte Materie eine Emission von elektromagnetischer Strahlung. Während prinzipiell eine Anregung zu einer Phosphoreszenz in Betracht kommt, ist eine Anregung zu einer Fluoreszenz besonders zweckmäßig, weil hierdurch In-Situ-Messungen mit einer hohen zeitlichen Auflösung ermöglicht werden.

Die Erfindung sieht ferner vor, eine gattungsgemäße Bohrlochsonde so zu gestalten, daß das Einkoppeln und/oder das Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung an verschiedenen Stellen des Meßbereichs erfolgen kann.

Es ist besonders zweckmäßig, daß das Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung eine Lichtleitfaser aufweist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Bohrlochsonde kann das Einkoppeln und/oder das Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung an verschiedenen Stellen des Meßbereichs dadurch erfolgen, daß die Lichtleitfaser bewegbar gelagert ist. Bei dar bewegbaren Lagerung handelt es sich insbesondere um eine rotierbare Lagerung.

Die bewegliche Lagerung der Lichtleitfaser erfolgt vorzugsweise dadurch, daß die Bohrlochsonde einen Motor enthält, der zum Antrieb der Lichtleitfaser dient.

Eine weitere, gleichfalls vorteilhafte Ausführungsform der Bohrlochsonde zeichnet sich dadurch aus, daß sie wenigstens ein Ablenkmittel für die elektromagnetische Strahlung enthält.

Besonders geringe Abmessungen der Bohrlochsonde lassen sich dadurch erreichen, daß die Lichtleitfaser sowohl als Mittel zum Einkoppeln als auch zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung dient.

Zur Erfassung von Fließgeschwindigkeiten von nichtfluoreszierenden Stoffen ist es zweckmäßig, daß die Bohrlochsonde eine in ihrem unteren Bereich angeordnete Zuführungseinrichtung für einen Markiererstoff enthält.

Es ist besonders zweckmäßig, daß die Lichtstrahlen durch einen Laser erzeugt werden. Hierbei ist es sowohl möglich, daß sich der Laser auf einer Geländeoberfläche, als auch im Bohrloch befindet. Auf diese Weise kann ein verhältnismäßig voluminöser Laser eingesetzt werden, der jedoch ein vorteilhaftes Emissionsverhalten, beispielsweise eine Abdeckung von UV-Bereichen und des sichtbaren Bereichs, aufweist.

Der Laser kann ein gepulster oder ein kontinuierlicher Laser sein. Eine typische Pulsdauer eines gepulsten Lasers beträgt etwa 0,5 ns.

Es ist durchaus möglich, einen eher kompakten Laser einzusetzen. Bei einem derartigen kompakten Halbleiterlaser handelt es sich beispielsweise um spezielle pn-Dioden, bei denen der pn-Übergang eine Pumpe für den Laser darstellt. Als aktives (verstärkendes) Material dient ein Halbleiter mit direkter Bandlücke. Der aktive Bereich der Laserdiode ist eine dünne Schicht in unmittelbarer Umgebung der Raumladungszone des pn-Übergangs. Die Laserdiode emittiert kohärente Strahlung mit Linienbreiten in der Größenordnung 0,1 nm und mit einer scharen Bündelung.

Eine weitere geeignete Lichtquelle für einen Einbau in die Bohrlochsonde ist eine Lumineszenzdiode (Light Emitting Diode - LED). Die Lumineszenzdiode enthält ein Halbleitermaterial mit einem p-dotierten und einem n-dotierten Bereich. In diesen Bereichen vorhandene Überschußladungsträger diffundieren in den jeweils anders dotierten Bereich und rekombinieren dort mit dessen Ladungsträgern. Hierdurch entsteht eine inkohärente elektromagnetische Strahlung mit einer typischen Linienbreite in der Größenordnung von mehreren 10 nm. Die Bandbreite hängt hierbei von der Wahl des Halbleitermaterials und seiner Dotierungen ab.

Für eine möglichst gute Separation zwischen emittiertem Licht und von dem Stoff remittierten Licht ist es zweckmäßig, daß es sich bei dem Licht um monochromatisches Licht handelt. Eine besonders geringe Bandbreite von vorzugsweise weniger als 10 nm, insbesondere etwa 0,1 nm ist mit dem Vorteil verbunden, daß die spektrale Verteilung möglichst genau ermittelt werden kann. Eine Verschiebung der Wellenlänge zwischen emittiertem und remittiertem Licht beträgt üblicherweise ungefähr 20 nm bis ca. 100 nm. Ferner ist es zweckmäßig, eine Lichtquelle einzusetzen, welche ein zeitlich variables Emissionsverhalten aufweist. Bei einem derartig zeitlich variablen Emissionsverhalten kann es sich beispielsweise um eine Modulation der Intensität oder der Wellenlänge der emittierten Strahlung handeln. Durch den Einsatz einer CCD-Kamera ist es möglich, ein Abklingverhalten der Anregung zu ermitteln.

Ein Einsatz einer Lichtquelle mit einer zeitlich veränderlichen Emissionswellenlänge ermöglicht es, verschiedene indem Boden enthaltene Stoffe zu einer Emission anzuregen und sie voneinander zu separieren, das heißt ihre Konzentration und ihr Strömungsverhalten unabhängig voneinander zu ermitteln.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist eine In-Situ- Bestimmung der Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, insbesondere eines Grundwasserstroms.

Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf dieses besonders vorteilhafte Anwendungsgebiet beschränkt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Bohrlochsonde ist es möglich, ein Tiefenprofil einer Konzentration und/oder eine Fließgeschwindigkeit eines Stoffes zu ermitteln.

Hierdurch ist es möglich, Rohstoffe zu detektieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner so robust, daß es sich auch für eine Langzeituntersuchung oder für eine gezielte Überwachung von Konzentrationen und/oder Fließgeschwindigkeiten eignet. So ist es beispielsweise möglich, eine oder mehrere erfindungsgemäße Bohrlochsonden in der Nähe oder in einen ausgewählten Bereich einer Mülldeponie einzubringen und so festzustellen, ob es zu einer Diffusion von Schadstoffen in das Grundwasser kommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Bohrlochsonde eignen sich jedoch auch für andere Einsatzgebiete, in denen in einem begrenzten Bereich Konzentrationen, Konzentrationsänderungen oder Fließgeschwindigkeiten erfaßt werden.

Bei der eingesetzten Spektralanalyse wird die Intensität des gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Wellenlänge ermittelt. Besonders zweckmäßig ist es, zusätzlich eine Kalibrierungsmessung an einem System mit bekannten Parametern durchzuführen, um so nicht nur qualitative Veränderungen, sondern über die Intensität des Signals auch quantitative Werte zu ermitteln.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt in einer nicht maßstabsgerechten, in horizontaler Richtung gestreckten Darstellung, eine in einem Bohrloch 10 befindliche Bohrlochsonde 20, die zwei Packer 30 und 40 enthält, welche einen Meßbereich 50 nach oben beziehungsweise nach unten abdichten.

Der obere Packer 30 weist Durchlässe für eine Lichtleiter, insbesondere eine Lichtleitfaser 80 auf, wobei es sich vorzugsweise um ein Glasfaserkabel handelt. Ferner ist in dem Packer 30 ein Motor 90 angeordnet, der über ein Getriebe 100 die Lichtleitfaser 80 antreibt. Die Lichtleitfaser 80 ist über eine Kopplung 70 optisch mit einer weiteren Lichtleitfaser verbunden. Der Motor 90 und das Getriebe 100 bilden ein besonders vorteilhaftes Antriebsmittel um die Lichtleitfaser 80 entlang eines Meßkreises zu bewegen. Eine nicht dargestellte Steuerelektronik regelt den Motor 90 so, daß der Meßkreis mit einer definierten Umlauffrequenz abgefahren werden kann. In dem unteren Packei 40 ist eine Zuführeinrichtung für einen Markiererstoff angeordnet. Die Zuführeinrichtung besteht aus einem Motor 110, einem Dosiervolumen 120 und einer mit einem Ventil 130 versehenen Zuführungsleitung 125.

Oberhalb einer Geländeoberkante 150 befindet sich eine Meßeinheit 140 mit einem Laser und einem zur Auswertung von erhaltenen Spektralinformationen dienenden Spektrometer.

Bei dem Laser handelt es sich in dem hier dargestellten Fall um einen Farbstofflaser (Dye-Laser) mit einer Emissionswellenlänge zwischen 360 und 990 nm, der durch einen Stickstofflaser mit einer Emissionswellenlänge von 337,1 nm angeregt wird. Zwischen dem Lichtleiter 80 und dem Farbstofflaser ist ein Frequenzvervielfacher (SHG) angeordnet. Bei der SHG-Einheit handelt es sich um eine Einheit mit einem BBO-Kristall, einem Reflektor und zwei Linsen, wobei die SHG-Einheit eine Frequenzverdopplung des Signals des Farbstofflasers bewirkt und eine Ausgangswellenlänge von vorzugsweise 225 nm bis 360 nm aufweist. Anstelle des dargestellten Aufbaus des Lasers 140 kann der Laser auch auf andere Weise gestaltet sein. Weil der Laser verhältnismäßig voluminös ist, ist er mit einem zur Auswertung dienenden Spektrometer in einen gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Zu einem Anschluß sowohl des Spektrometers als auch des Lasers ist die Lichtleitfaser 80 in Y-Form gestaltet.

Durch den gewählten Aufbau des Lasersystems ist es möglich, die Anregungswellenlänge zwischen 200 nm und 950 nm zu variieren.

Ein Bypass 170 durchdringt die Bohrlochsonde in vertikaler Richtung.

Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung kann das Meßverfahren nach Einbringung der Bohrlochsonde 20 in das beispielsweise 5 cm (2 Zoll) breite Bohrloch wie folgt durchgeführt werden:

Die Bohrlochsonde 20 wird in einer vorgegebenen Aquiferteufe in einem Filterabschnitt des Bohrlochs 10 fixiert. Durch die Packer 30 und 40 wird der dazwischen liegende Bereich des Bohrbrunnens derart isoliert, daß sich ein Meßbereich 50 bildet, der derart isoliert ist, daß er lediglich horizontal durchströmt werden kann.

Über den Bypass 174 durchziehen in dem Bohrloch 10 induzierte Vertikalströmungen die Bohrlochsonde 20, ohne die zu messende horizontale Strömung zu beeinflussen.

Durch den sich drehenden Lichtleiter 80 wird der Meßkreis abgefahren. Sobald der Markiererstoff einen Punkt dieses Meßkreises erreicht hat, wird von ihm ein Signal remittiert, das durch den Lichtleiter 80 zu der Meßeinrichtung 140 gelangt und dort als ein substanzspezifisches spektrales Signal erfaßt wird. Aus der Position des Signals auf dem Meßkreis und aus dem zeitlichen Verlauf dieses Signals wird die Strömungsrichtung sowie die Grundwassergeschwindigkeit ermittelt.

Zur genauen geographischen Ausrichtung der Bohrlochsonde in bezug auf eine Referenzrichtung enthält die Bohrlochsonde 20 einen Kompaß 160. Der Kompaß weist den Vorteil auf, daß er auch in großen geologischen Tiefen funktioniert. Bei einem Einsatz der Bohrlochsonde nahe der Geländeoberkante 150 ist es jedoch Zweckmäßig, den Kompaß 160 durch einen GPS-Sensor zu ersetzen.

Die eigentliche Messung beginnt mit einer Freisetzung des Markiererstoffs, beispielsweise Uranin, über die Zuführungsleitung 125 und das Ventil 130 aus dem Dosiervolumen 120 in den Meßbereich 50. Das Dosiersystem ist so gestaltet, daß eine Injektion des Markiererstoffs mittig in der Bohrlochsonde zentriert erfolgen kann. Bei Uranin handelt es sich um einen Farbstoff, der - anders als es bei seinem Namen zu erwarten wäre - nicht radioaktiv ist, sondern ein Derivat einer Carbonsäure darstellt. Verschiedene Zustände des Uranins treten in Abhängigkeit von dem pH-Wert einer Lösung auf, in der das Uranin sich befindet. Uranin zeichnet sich dadurch aus, daß es bereits in sehr kleinen Konzentrationen von vorzugsweise ab 0,002 µg/l nachgewiesen werden kann. Die Quantenausbeute und damit die Stärke der Fluoreszenz ist außergewöhnlich hoch. Neben der niedrigen Nachweisgrenze weist Uranin den weiteren Vorteil auf, daß die Kalibrierkurven über 5 Konzentrationsbereiche linear verlaufen. Erst bei sehr hohen Konzentrationen über 10.000 µg/l nimmt die Fluoreszenzintensität wegen Eigenabsorbtion und wegen einer zurückgehenden Dissoziation ab.

Infolge der das Bohrloch 10 durchziehenden Grundwasserströme wird die Konzentration des Markiererstoffs in dem Meßbereich 50 durch Austrag in die Formation, das heißt in umliegende Bodenbereiche, verringert.

Über die Lichtleitfaser 80 wird von dem in der Meßeinheit 140 angeordneten Laser emittiertes Laserlicht in den Meßbereich 50 geleitet. Von dem Markiererstoff remittierte Lichtstrahlen werden über die gleiche Lichtleitfaser 80 wie die emittierten Laserstrahlen zu einer Detektionseinrichtung mit nachgeschalteter Auswerteeinheit geleitet.

Das dargestellte Beispiel bezieht sich auf ein Einbohrloch- Verfahren zur Messung von horizontalen Grundwasserströmungen. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf diesen besonders zweckmäßigen Fall beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, auch die Konzentration von bereits in einem Boden befindlichen fluoreszierenden Stoffen zu ermitteln oder Mehrbohrloch-Messungen durchzuführen.

Ferner ist es möglich, die dargestellte Bohrlochsonde durch die Hinzufügung von weiteren Funktionselementen, insbesondere von Sensoren, zu erweitern. Besonders zweckmäßig ist es, die Sonde um Sensoren für pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Temperatur der Konzentration von chemischen Stoffen, insbesondere Konzentration von Sauerstoff, zu ergänzen. Auf diese Weise wird die Bohrlochsonde zu einer Multiparametersonde erweitert.

Die dargestellte Sonde ist sowohl für den Einsatz in oberen Bereichen des Bodens als auch in größeren Tiefen bestimmt.

Der Begriff Boden ist in einer allgemeinen Form gemeint. Er umfaßt nicht nur Böden im geologische Sinne, sondern alle Teile der Erde, in die eine Bohrlochsonde eingebracht werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner ein Depot zur Aufnahme von potentiell umweltgefährdenden Stoffen. Erfindungsgemäß ist das Depot so gestaltet, daß innerhalb des Depots und/oder in der Umgebung des Depots wenigstens eine erfindungsgemäße Bohrlochsonde angeordnet ist.

Der Begriff Depot ist hier in einer weiten Bedeutung zu verstehen und bezeichnet eine beliebige Ansammlung von Schadstoffen, beispielsweise eine Mülldeponie. Der Begriff Depot ist jedoch nicht auf Mülldeponien beschränkt, sondern bezieht sich zum Beispiel auch auf andere Bereiche, in denen potentiell umweltgefährdende Stoffe gelagert oder angereichert sind, beispielsweise auch auf Verkehrstrassen. Bezugszeichenliste 10 Bohrloch

20 Bohrlochsonde

30 Packer

40 Packer

50 Meßbereich

80 Lichtleitfaser

90 Motor

100 Getriebe

110 Motor

120 Dosiervolumen

125 Zuführungsleitung

130 Ventil

140 Meßeinheit

150 Geländeoberkante

160 Kompaß

170 Bypass


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Untersuchung eines Bodens, wobei in einem Meßbereich (50) einer Bohrlochsonde eine Konzentration mindestens eines Stoffes gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung an verschiedenen Stellen in den Meßbereich (50) eingekoppelt und/oder an verschiedenen Stellen aus dem Meßbereich (50) ausgekoppelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung über eine Lichtleitfaser (80) in den Meßbereich (50) eingekoppelt und/oder aus dem Meßbereich (50) ausgekoppelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (80) bewegt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (80) durch einen Motor (90) bewegt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung abgelenkt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung gemäß einer vorgegebenen Bahn abgelenkt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Bahn im wesentlichen einem Kreis entspricht.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung mit einem rotierenden Ablenkmittel abgelenkt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung Lichtstrahlen enthält.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen Emissionswellenlängen zwischen 200 nm und 950 nm aufweisen.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff durch die Lichtstrahlen angeregt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen durch einen Laser erzeugt werden.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff als ein Markiererstoff in den Boden eingebracht wird.
  14. 14. Bohrlochsonde zur Untersuchung einer Konzentration eines Stoffes in einem Boden mit wenigstens einem Mittel zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von elektromagnetischer Strahlung in einem Meßbereich (50), dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppeln und/oder das Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung an verschiedenen Stellen des Meßbereichs (50) erfolgen kann.
  15. 15. Bohrlochsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel eine Lichtleitfaser (80) aufweist.
  16. 16. Bohrlochsonde nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (80) bewegbar gelagert ist.
  17. 17. Bohrlochsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Motor (90) enthält, der zum Antrieb der Lichtleitfaser (80) dient.
  18. 18. Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein Ablenkmittel für die elektromagnetische Strahlung enthält.
  19. 19. Bohrlochsonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkmittel rotierbar gelagert ist.
  20. 20. Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (80) sowohl als Mittel zum Einkoppeln als auch zum Auskoppeln der elektromagnetischen Strahlung dient.
  21. 21. Verwendung einer Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 20 zur Überwachung von Schadstoffen.
  22. 22. Verwendung einer Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 20 zur Detektion von Rohstoffen.
  23. 23. Depot zur Aufnahme von potentiell umweltgefährdenden Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Depots und/oder in der Umgebung des Depots wenigstens eine Bohrlochsonde nach einem der Ansprüche 14 bis 20 angeordnet ist.






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