Freifall CPT Instrumente

Die am MARUM Bremen entwickelte Lanze ist ein leichtes, benutzerfreundliches Freifall CPT (FFCPTU) Instrument für die Nutzung in Flachmeeren (bis 200 m bzw. 500 m Wassertiefe). Sie besteht aus einem Standard-15 cm2 Piezometer und einem Druckkörper, der den Mikroprozessor, Speicherchip, Batterien und eine Beschleunigungssensor enthält. Dehnmessstreifen im Inneren des Piezometers messen den Spitzenwiderstand und die Mantelreibung im Subtraktionsverfahren. Der Porendrucksensor (Position u2) deckt den Bereich bis 2 MPa ab. Ein Neigungssensor zeichnet den Eindringwinkel in +/-30° relativ zur Vertikalen auf, während Temperatur zur Korrektur der Sensoren ebenfalls aufgenommen wird. Vier Beschleunigungssensoren (1.7g, 5g, 18g, 100g) zeichnen die Abbremsung der Lanze im Sediment auf, aus deren Daten sich Eindringgeschwindigkeit und –tiefe ableiten lassen. Das Aluminiumgehäuse kann Drücken bis 2 MPa standhalten und beherbergt die Spannungsversorgung und den Datenlogger. Die Aufzeichnungsfrequenz des Datenloggers ist variabel, beträgt im Regelfall aber 1 kHz. Die Binärdaten werden auf einer Micro Flash Card zwischengespeichert und nach den Tests auf einen PC heruntergeladen. Batteriepacks für bis zu 12 h Dauermessbetrieb stehen zur Verfügung.
Unsere FFCPTU-Instrumente können im Jojo-Betrieb wiederholt ins Sediment eingebracht werden von Schiffen, Kränen sowie von kleinen Mobilwinden. Langzeittests von Verankerungen oder mit Bojen sind ebenfalls möglich. Die Länge des Instruments ist variable, da kabelführende Gewindestangen modular aufsetzbar sind. Dadurch ergeben sich Längen von 1.5 m (kurzer Modus) bis max. 8.5 m (langer Modus). Das entspricht einem Gesamtgewicht der FFCPT von ca. 45 kg (1.5 m) bis max. 140 kg (8.5 m). Sofern hohe Eindringtiefen erwünscht sind, können bis zu 4 Edelstahlgewichte auf die FFCPT gesetzt werden (je 15kg Zusatzgewicht, d.h. max. ca. 200 kg im langen Modus). Die modulare Bauweise erlaubt uns, die Tests auf das jeweilige geologische Szenario. Die wissenschaftliche Fragestellung und die zu benutzende Plattform auszurichten. Im kurzen Modus kann die Lanze von einer Person bedient werden, während es selbst bei einer Länge von 6.5 m möglich ist, das Gerät zu zweit von recht kleinen Booten auszusetzen. Hierbei wird eine ebenfalls batteriebetriebene Autowinde eingesetzt. Die bequemste Handhabung ist jedoch über Kräne oder A-Galgen mit Tiefseedraht.
Aufgrund der vollständig autonomen Auslegung der FFCPTU ist es möglich, das Instrument auch über Nacht und für Perioden bis zu 12 h für Porendruck-Abklingtests auszusetzen. Hierbei wird die Lanze mit einer Boje gekennzeichnet und später geborgen. Von einer verankerten Plattform hat sich zusätzlich bewährt, Stufentests durchzuführen, und die FFCPT Schrit für Schritt in grössere Tiefen abzulassen. In jedem Tiefenhorizont kann somit das Gerät einen definierten Zeitraum verbleiben und das Porendruckabklingen gemessen werden. Bisher wurde die Flachwasserlanze von Brücken, Pontons, kleinen und grossen Schiffen sowie auf verankerten Plattformen in lakustrinen (Neuchateler See, Vierwaldstätter See, Hemelinger See, verschiedene Seen in Neuseeland), Ästuaren (Weser, Ems), sowie in Nordsee, Ostsee (e.g., RV Planet), dem Mittelmeer (e.g. RV Meteor) oder dem Pazifik nahe Neuseelands eingesetzt.

Die 380-580 cm lange Tiefwasser Freifall CPTU-Lanze ist ebenfalls mit einem 15 cm2 CPT Piezometer ausgestattet, bei dem hochauflösende Dehnmessstreifen den Spitzenwiderstand qc (25 MPa Messbereich) und die Mantelreibung fs (0.25 MPa Messbereich) messen. Neben den kommerziellen Spitzen (Geomil) werden selbstentwickelte Piezometer eingesetzt, die auf Mantelreibung verzichten, alle anderen Parameter aber präziser und verlässlicher messen. Das Instrument hat zwei Porendruck-Messpunkte, die am Konus (Position u1) und 80 cm oberhalb des Konus (Position u3, gemäss der CPT Nomenklatur) angebracht sind. Beide Lokationen sind via Edelstahlleitungen mit hochauflösenden (10 Pa) Differenzdrucksensoren (Validyne DP215, ±120 kPa Spektrum) ausgestattet, die gegen einen Referenzdrucksensor (40 MPa absolut) am Meeresboden messen. Um zu vermeiden, das Gas in den Edelstahlleitungen gefangen wird, ist jeder Drucksensorzugang über Magnetventile entlüftbar. Dies geschieht zum einen beim Absenken des Geräts in der Wassersäule, zum anderen im Fall von extrem hohen Porenüberdrücken bei der Messung. Temperatursensoren und ein biaxialer Beschleunigungssensor gehören ebenfalls zu den Sensoren, die vom Avisaro Microcontroller (1 kHz Speicherfrequenz) abgefragt werden.
Die Tiefwasser-FFCPTU kann entweder autark im Batteriemodus betrieben werden, wobei dann eine Speicherkarte die Daten aufzeichnet, oder mittels einer Seabird Electronics (SBE36) Telemetrie am Schiffsdraht betrieben werden, die dann Microcontroller, Sensorik und Ventile mit Strom versorgt. Daten vom Meeresboden werden in Echtzeit an Deck gebracht und mittels einer PC-Schnittstelle mit dem Programm LabView kontrolliert. Der autonome Messmodus dient vor allem für Langzeittests des Porendruck-Abklingverhaltens, wo das Instrument bis zu mehreren Stunden vom Schiff entkoppelt wird. Das Rohdatenprotokoll profiliert Zeit, Beschleunigung, Absolutdruck (=hydrostatischer Druck am Meeresboden), Spitzenwiderstand, Mantelreibung, Differenz-Porendruck (u1, u3) sowie Temperatur und Neigung. Unter Einbeziehung der vertikalen Komponente des Beschleunigungssensors können Eindringgeschwindigkeit (1. Integration) und eindringtiefe (2. Integration) abgeleitet werden.
Die Tiefwasserlanze wurde bisher erfolgreich in Ästuaren (Weser) und im Ozean (Ostsee, Mittelmeer, Chile, Japan) von verschiedenen Plattformen eingesetzt.