From Fault Zones to Radon Hazard Assessment in the Northern Upper Rhine Graben

Radon is a naturally occurring radioactive gas that poses significant public health concerns as the second leading cause of lung cancer worldwide after smoking. Its migration from source rocks to buildings is influenced by geological structures and environmental factors, making the understanding of its transport mechanisms crucial for risk assessment and mitigation strategies. Despite extensive research on radon sources and indoor concentrations, the specific contribution of faults to near-surface radon variability remains inadequately investigated. This dissertation addresses this knowledge gap by investigating neotectonic faults in the Northern Upper Rhine Graben (NURG) and adjacent crystalline terrains. Through three integrated studies, this work combines multi-method geophysical imaging, radon soil gas analyses, and advanced machine learning (ML) approaches to determine whether and to what extent fault zones contribute to near-surface radon concentrations relative to other environmental factors. By examining how these fault zones potentially serve as preferential pathways for radon migration in different geological settings, this research contributes to both fundamental geoscientific understanding and applied aspects of environmental health and safety. The first study employs a comprehensive multi-scale geophysical methodology – including an industrial 3D seismic survey, 2D P- and S-wave seismic surveys, Electrical Resistivity Tomography (ERT), and Ground Penetrating Radar (GPR) – to image shallowly dipping intra-graben faults in the NURG. These faults steepen toward the surface and offset late Paleogene and Pleistocene sedimentary deposits. The results confirm ongoing fault activity, demonstrate the efficacy of integrated geophysical surveys in characterizing recent deformation, and establish a structural framework for assessing fluid migration and potential radon release. This work refines fault characterization and contributes to a comprehensive tectonic framework. The second study leverages ML techniques, specifically eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) combined with SHapley Additive exPlanations (SHAP), to evaluate the impact of environmental factors, soil properties, and fault proximity on soil-air radon levels within this neotectonically active area of the NURG. The analysis quantifies that clay content and precipitation are the primary controls on elevated radon concentrations, with fault proximity serving as a significant but secondary predictor. SHAP analysis quantified the relative contributions to radon variability: soil type (∼33%), precipitation (∼18%), and fault proximity (∼8%). This ML-based approach enhances radon prediction models and supports robust environmental risk assessments, demonstrating that while faults influence radon distribution in such environments, they are not the dominant controlling factor. The third study focuses on the crystalline basement of the Bergsträßer Odenwald, where limited outcrop visibility challenges direct fault mapping. By integrating structural field data, ERT surveys, and radon soil gas measurements, the study identifies and characterizes an active tectonic fault zone intrinsically linked to the NURG. This represents a preliminary exploration of fault-radon relationships in crystalline settings, complementing the more extensive NURG investigations. The findings confirm ongoing tectonic activity, demonstrate the effectiveness of indirect detection methods for concealed faults, and contextualize radon anomalies within a broader tectonic framework. Collectively, these studies underscore the necessity of a multidisciplinary strategy – encompassing geophysical imaging, ML-driven environmental analyses, and geological investigations – for unraveling the complexities of near-surface fault processes and their influence on radon distribution in soil air. The quantification of relative factor contributions provides an empirical foundation for understanding radon distribution in tectonically active regions, demonstrating that while faults exert a statistically significant influence on radon variability, their effect is substantially overshadowed by soil properties and precipitation. This work not only advances the fundamental understanding of neotectonic faulting in the NURG but also informs seismic hazard evaluation, environmental risk mitigation, and future resource management strategies in regions affected by active fault zones.

Radon ist ein natürlich vorkommendes radioaktives Gas, das erhebliche Bedenken für die öffentliche Gesundheit darstellt, da es weltweit die zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen ist. Seine Migration von Quellgesteinen zu Gebäuden wird durch geologische Strukturen und Umweltfaktoren beeinflusst, was das Verständnis seiner Transportmechanismen für Risikobewertung und Minderungsstrategien unerlässlich macht. Trotz umfangreicher Forschung zu Radonquellen und Innenraumkonzentrationen bleibt der spezifische Beitrag von Störungen zur oberflächennahen Radonvariabilität unzureichend untersucht.

Diese Dissertation adressiert diese Wissenslücke durch die Untersuchung neotektonischer Störungen im Nördlichen Oberrheingraben (NURG) und angrenzenden kristallinen Terrains. Durch drei integrierte Studien kombiniert diese Arbeit multimethodische geophysikalische Bildgebung, Radon-Bodengas-Analysen und fortschrittliche maschinelle Lernansätze (ML), um zu bestimmen, ob und in welchem Ausmaß Störungszonen im Vergleich zu anderen Umweltfaktoren zu oberflächennahen Radonbodenluftkonzentrationen beitragen. Durch die Untersuchung, wie diese Störungszonen potenziell als bevorzugte Wege für die Radonmigration in verschiedenen geologischen Umgebungen dienen, trägt diese Forschung sowohl zum grundlegenden geowissenschaftlichen Verständnis als auch zu angewandten Aspekten der Umweltgesundheit und -sicherheit bei.

Die erste Studie verwendet eine umfassende, multiskalige geophysikalische Methodik – einschließlich einer industriellen 3D-seismischen Untersuchung, 2D P- und S-Wellen-Seismik, Elektrischer Widerstandstomographie (ERT) und Bodenradar (GPR) – um flach einfallende Intra-Graben-Störungen im NURG abzubilden. Diese Störungen fallen zur Oberfläche hin steiler ein und versetzen spätpaläogene und pleistozäne Sedimentablagerungen. Die Ergebnisse bestätigen andauernde Störungsaktivität, demonstrieren die Wirksamkeit integrierter geophysikalischer Untersuchungen zur Charakterisierung rezenter Deformationen und schaffen einen strukturellen Rahmen für die Bewertung von Fluidmigration und potenzieller Radonfreisetzung. Diese Arbeit verfeinert die Störungscharakterisierung und trägt zu einem umfassenden tektonischen Rahmenwerk bei.

Die zweite Studie nutzt ML-Techniken, insbesondere eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) kombiniert mit SHapley Additive exPlanations (SHAP), um den Einfluss von Umweltfaktoren, Bodeneigenschaften und Störungsnähe auf die Radonbodenluftkonzentrationen innerhalb dieses neotektonisch aktiven Bereichs des NURG zu bewerten. Die Analyse zeigt, dass Tongehalt und Niederschlag die Haupteinflussfaktoren für erhöhte Radonbodenluftkonzentrationen sind, wobei die Nähe zu Störungen als signifikanter, aber sekundärer Prädiktor fungiert. Die SHAP-Analyse quantifizierte die relativen Beiträge zur Radon-Variabilität: Bodentyp (~33%), Niederschlag (~18%) und Störungsnähe (~8%). Dieser ML-basierte Ansatz verbessert Radon-Vorhersagemodelle und unterstützt fundierte Umweltrisikobewertungen, wobei gezeigt wird, dass Störungen in solchen Umgebungen zwar die Radonverteilung beeinflussen, aber nicht der dominierende Kontrollfaktor sind.

Die dritte Studie konzentriert sich auf das kristalline Grundgebirge des Bergsträßer Odenwalds, wo begrenzte Aufschluss-Sichtbarkeit die direkte Störungskartierung erschwert. Durch die Integration von strukturellen Felddaten, ERT-Untersuchungen und Radon-Bodengas-Messungen identifiziert und charakterisiert die Studie eine aktive tektonische Störungszone, die intrinsisch mit dem NURG verbunden ist. Dies stellt eine vorläufige Erforschung der Störungs-Radon-Beziehungen in kristallinen Umgebungen dar, die die umfangreicheren NURG-Untersuchungen ergänzt. Die Ergebnisse bestätigen die anhaltende tektonische Aktivität, demonstrieren die Effektivität indirekter Detektionsmethoden für verdeckte Störungen und kontextualisieren Radon-Anomalien innerhalb eines breiteren tektonischen Rahmens.

Zusammengenommen unterstreichen diese Studien die Notwendigkeit einer multidisziplinären Strategie – einschließlich geophysikalischer Bildgebung, ML-gestützter Umweltanalysen und geologischer Untersuchungen – um die Komplexitäten oberflächennaher Störungsprozesse und ihren Einfluss auf die Radon-Verteilung im oberflächennahen Bereich zu verstehen. Die Quantifizierung der relativen Faktorbeiträge liefert eine empirische Grundlage für das Verständnis der Radon-Verteilung in tektonisch aktiven Regionen und zeigt, dass Störungen zwar einen statistisch signifikanten Einfluss auf die Radon-Variabilität ausüben, ihre Wirkung jedoch durch Bodeneigenschaften und Niederschlag erheblich überlagert wird. Diese Arbeit verbessert nicht nur das grundlegende Verständnis neotektonischer Störungen im NURG, sondern informiert auch über seismische Gefahrenbewertung, Umweltrisikominderung und zukünftige Ressourcenmanagementstrategien in Regionen, die von aktiven Störungszonen geprägt sind.