Inhalt: Motivation. Geophysikalische Messverfahren. Aufbau und Struktur der Erde. Dynamik des Erdkörpers. rpers. Fazit

Transkript

1 Der Blick in unsere Erde: Messverfahren in der Geophysik von Thomas Jahr Geodynamisches Observatorium Moxa der Friedrich-Schiller-Universität Jena

2 Inhalt: Motivation Geophysikalische Messverfahren Aufbau und Struktur der Erde Dynamik des Erdkörpers rpers Fazit

3 Motivation Warum wollen wir den Aufbau der Erde möglichst m gut erforschen und die im Erdinnern stattfindenden Prozesse besser verstehen? Aufbau und Struktur der Erde: - Grundlagenforschung - Geologische Strukturen - Lagerstätten tten - Baugrund - Archäologie - Altlasten / Umwelt

4 Motivation Warum wollen wir den Aufbau der Erde möglichst m gut erforschen und die im Erdinnern stattfindenden Prozesse besser verstehen? Dynamik des Erdkörpers: rpers: - Grundlagenforschung - Plattentektonik - Tiefseegräben - Erdbeben / Tsunamis - Vulkane - Hydrogeophysik

5 Motivation Warum wollen wir den Aufbau der Erde möglichst m gut erforschen und die im Erdinnern stattfindenden Prozesse besser verstehen? Aufbau und Struktur der Erde: - Grundlagenforschung - Geologische Strukturen - Lagerstätten tten - Baugrund - Archäologie - Altlasten / Umwelt Dynamik des Erdkörpers: rpers: - Grundlagenforschung - Plattentektonik - Tiefseegräben - Erdbeben / Tsunamis - Vulkane - Hydrogeophysik

6 Geophysikalische Messverfahren Angewandte Geophysik: Struktur-Erkundung - Seismik - Geoelektrik - Magnetik - Gravimetrie - Bohrungen 3D-Struktur Modellierungen Geodynamik: Observatorien - Seismologie - Schwerefeldvariationen - Präzisionsgravimetrie - Hydro-Beobachtungen - Umweltparameter (Meteorologie, Auf- lasten ) - Neigungsmessungen 3D-Prozess Modellierungen

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8 Seismik Seismometer - Geophone STS-2 Seismometer des Deutschen Regionalen Seismischen Netzes (GRSN) Fotos: BGR, Internet Skizze: Peter Bormann, IASPEI-Skript, GFZ-Potsdam

9 Seismik Seismische Spur Erdbeben in Kamtschatka (Dezember 1997) Entfernung: 2060 km Magnitude: 7.7 Tiefe: 13 km Seismometer Signal in Volt Station Monschau Nord-Süd Seismometer Primär Sekundär longi- transtudinal versal Love Rayleigh Raumwellen Oberflächenwellen Zeit in Sekunden seit um 12:36 Uhr Uni-Aachen, Internet

10 Seismik Seismologie - Seismogramm die gelbe Linie zeigt die direkte Welle : sie läuft mit v 1 von der Quelle zum Geophon und ergibt im Seismogramm eine Gerade. die rote Linie zeigt die reflektierte Welle : sie ergibt eine Hyperbel, die Reflektionshyperbel die grüne Linie zeigt die Mintrop-Welle : sie läuft an der oberen Schichtgrenze und ermöglicht die Bestimmung von v 2. die blaue Linie zeigt die Mintrop-Welle für die untere Schicht: aus ihr wird v 3 berechnet. Den drei Geschwindigkeiten lassen sich Materialien (Böden/Gesteine) zuordnen, so dass man ein geologisches Bild des Untergrundes erhält. von Peter Bormann, IASPEI-Skript, GFZ-Potsdam

11 Seismik Beispiele zur Reflexionsseismik von Rüdiger Schulz, 2005 nach Emmermann und Lauterjung, 1997

12 Refraktionsseismik Seismologie Ray-tracing von Peter Bormann, IASPEI-Skript, GFZ-Potsdam

13 Seismologie 1. Ausbreitung von seismischen Wellen für r ein Erdbeben bei Novy Kostel in Tschechien 2. Strahlenverläufe von seismischen Wellen im gesamten Erdkörper rper Quelle: Dr. Wendt, Collm

14 Seismologie globales Messnetz - Tomographie

15 Seismologie Tomographie - Plattentektonik von Harro Schmeling, Vorlesungsskript, Uni-Frankfurt/M

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17 Angewandte Gravimetrie Wie kann man über die Beobachtung von Variationen im Schwerefeld (Anomalien) in die Tiefe blicken und geologische Strukturen interpetieren?

18 Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Anomalie g = g gem + δg NIV - δg BPL + δg TOP - γ 0 Erdoberfläche δg NIV δg BPL Bezugsniveau, z.b. NN γ 0 ρ 1 ρ 2 ρ 1 ρ 2

19 mgal [ 1 Gal = 1 cm/s² ] Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Anomalie g Profil ρ 1 ρ 2 ρ 1 < ρ 2

20 Angewandte Gravimetrie: Messung im Gelände

21 Angewandte Gravimetrie: vermessene Profile Messpunktverteilung rot: 2004; blau: 2006 LR10 LR9 LR8 LR7 LR6 LR5 LR4 LR3 154 LR2 LR1 L1 153 KR5 S1 L2 KR4 S2 L3 152 KR3 S3 L4 217 S4 T16T T14T13 KR2 S5 L5 T13 T12 S6 151 T11 KR1 S7Z1 216 L6 T10 S T9 L7 T8 S9 T7 K1 T6 S10 Z2 T5 306 L T4 S11 K2 214Z L9 T3 S12 K3 T2 S13 Z4 L10 K4 148 T1 S L11 K5 Z5 S15 L12L13 TBP S16 K Z S K Z L14 S18 L15L K8 Z8 43 S S K9 Z9 L L18L19 S K Z10 S K11 L S Z11 S L21L22 S K Z12 S K L23 S S L24L K14 S L25 S30 K15 S K S33 S S K S37S36 S K K K K K K v K v3 v v5 v4 K N 131 v6 2810n 414 TBP 197 v8 v v10 v v v v v14 V14V13aV13 K27 V V16 K28 V18 V V K K

22 Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte Hochwert mgal Rechtswert

23 Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte Hochwert Hochwert Rechtswert Regionalfeld mgal mgal Rechtswert

24 Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte mgal Lokale Bouguer-Karte 0 Hochwert Hochwert Rechtswert Regionalfeld mgal Hochwert Rechtswert mgal Rechtswert

25 Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte im Luftbild

26 Angewandte Gravimetrie: 2-dimensionale 2 Modellierung Th. Jahr, Vorlesungsskript, Uni-Jena

27 Angewandte Gravimetrie: 2-dimensionale 2 Modellierung

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29 Geodynamik: Präzisionsgravimetrie Beobachtung von Schweredifferenzen am Mayon Vulkan auf den Philippinen (1992 bis 1995)

30 Geodynamik: Präzisionsgravimetrie

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33 Geodynamik: Präzisionsgravimetrie

34 Präzisionsgravimetrie: Geländearbeit

35 Präzisionsgravimetrie: Beobachtete Schwereänderungen

36 Präzisionsgravimetrie: Modellvorstellung

37 Präzisionsgravimetrie: 3D-Modellierung (FEM)

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39 Dynamik des Erdkörpers: rpers: Neigungsmessungen Beim Spannungsaufbau vor Erdbeben spielen Fluide (Gase und Flüssigkeiten) in der Erdkruste eine wesentliche Rolle. Wie kann man über die Beobachtung von großräumigen Deformationen, die durch eine Tiefeninjektion hervorgerufen werden, die fluidgesteuerten Prozesse in der Erdkruste grundlegend erforschen?

40 Großskaliges Injektionsexperiment an der KTB Erdoberfläche Injektion im Bohrloch Injektion in 4 km Tiefe (Vorbohrung) ca. 200 l / Minute ca. ein Jahr kontinuierlich

41 Injektion an der KTB: ASKANIA Bohrloch-Neigungsmesser

42 Injektion an der KTB: Messnetz der Bohrloch-Neigungsmesser Entfernung zur KTB: Berg 1.59 km Eiglasdorf 2.39 km Stockau 3.23 km Mittelberg 1.87 km Püllersreuth 2.60 km Installationstiefen: 25.5 m 45.0 m

43 Injektion an der KTB: Installation eines Neigungsmessers

44 Injektion an der KTB Druck der Vorbohrung in MPa Injektion mit zusätzlicher Pumpe registrierter Druck idealisierte Druckkurve injeziertes Volumen in m³ (*1000) Dec-03 Mar-04 Jun-04 Sep-04 Dec-04 Mar-05 Jun-05 Sep-05 Dec-05 m 200 Dec-03 Mar-04 Jun-04 Sep-04 Dec-04 Mar-05 Jun-05 Sep-05 Dec-05

45 Injektion an der KTB: Beobachtete Neigungszeitreihen EW - Komponente (in msec x 10) NS - Komponente (in msec x 10) Berg Eiglasdorf Stockau Mittelberg Püllersreuth Nov-03 Jan-04 Mar-04May-04 Jul-04 Sep-04Nov-04 Jan-05 Mar-05May-05 Jul-05 Sep-05Nov-05 Jan-06 Mar-06May-06 Jul-06 Sep-06

46 Injektion an der KTB: Hodogramme (Pendelspitze über Grund) 40 Berg Eiglasdorf Nord-Süd in 10 1 msec Nord-Süd in 10 1 msec Mittelberg Anfang der Zeitreihe, November 2003 Beginn der Injektion, Juni 2004 KTB-HB artesisch, Oktober 2004 Ende der Injektion, Mai 2005 Ende der Zeitreihe September 2006 Lücken vorhandene Werte

47 Injektion an der KTB: Hodogramme (Pendelspitze über Grund)

48 Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses

49 Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses Cretaceous Tertiary SE-2 SE-1 ZEV metabasite Granite Erbendorf-body

50 Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses

51 Fazit: Geophysikalische Messverfahren Seismik - Seismologie Aufbau und Dynamik der Erde Gravimetrie - Präzisionsgravimetrie Massenverteilung - bewegung Neigungsmessungen Fluidgesteuerte Prozesse Ausblick: Numerische Modellierungen, Satellitenbeobachtungen

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