BS Seismische Explorationsverfahren

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1 KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 1 KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 2 Prof. K.-G. Hinzen 1

2 Administratives KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 3 MN-GEO-SM 4 Angewandte Geophysik für Geowissenschaftler das Modul besteht aus: Vorlesung: Seismische Explorationsverfahren Prof. K.-G. Hinzen Vorlesung: Nichtseismische Explorationsverfahren Prof. B. Tezkan Praktikum zur Angewandten Geophysik für Geowissenschaftler Hinzen, Tezkan, Jogeshwar, Schweppe KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 4 Prof. K.-G. Hinzen 2

3 MN-GEO-SM 4 beide Vorlesungen haben 2 SWS und 90 Stunden Vor- und Nachbereitung Praktikum 3 SWS 90 Stunden Vor- und Nachbereitung Praktikum: Teilnahme nur bei Belegung beider Vorlesungen bei Kapazitätsüberschreitung haben BS Studierende im Studiengang Geowissenschaften Priorität Nachholung eines verpassten Praktikumstermins nur bei Vorlage eine Attestes KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 5 MN-GEO-SM 4 Praktikum: zwei Blöcke (Seismische und Nichtseismische Verfahren) Abzuliefern (am 3. Montag nach dem letzten Termin): schriftliche Ausarbeitung Deckblatt Beschreibung des Verfahrens (Theorie und Anwendung) Ablauf der Messung (Lageplan, Durchführung) Darstellung der Messdaten Auswertung Interpretation KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 6 Prof. K.-G. Hinzen 3

4 MN-GEO-SM 4 Bewertung: die Modulnote ergibt sich aus der Abschlussklausur die Praktikumsauswertung muss akzeptiert sein 6.75% der Gesamtnote KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 7 MN-GEO-SM 4 Praktikum Seismische Verfahren: Termine: 05./06./ bzw Treffpunkt 9:30 Erdbebenstation Bensberg Praktikum Nichtseismische Verfahren: Beginn: Do um 09:30 Uhr Treffpunkt: kl. Hörsaal der Geologie Klausur um 13:00 Uhr hier KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 8 Prof. K.-G. Hinzen 4

5 Unterlagen Sie erhalten Zugang zu den PPT slides KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 9 Einführung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 10 Prof. K.-G. Hinzen 5

6 Bedeutung der Seismischen Exploration KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 11 Bedeutung der Seismischen Exploration KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 12 Prof. K.-G. Hinzen 6

7 Bildgebende Verfahren KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 13 Inhalt Datenerfassung Grundlagen, Profilmessungen, 3D Messungen, Datenreduktion Datenbearbeitung Fourier Analyse, Digitale Filter Seismologie Seismische Wellen (P, S, Oberflächen), Elastische Moduli, Reflexion, Brechung, Streuung, Snellius, Raytracing, Kopfwellen, Refexions- Transmissionskoeffizienten Refraktionsseismik Prinzip, Auswerteverfahren, Beispiele, Datenerfassung Refelxionsseismik Prinzip, Seism. Processing, TWT, CMP, NMO, Stapeln, Migration, Interpretation Bohrlochverfahren Bohrtechniken, VSP, crosshole, Tomographie KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 14 Prof. K.-G. Hinzen 7

8 Bücher Cambridge Univ. Press ISBN X KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 15 Bücher Cambridge Univ. Press ISBN KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 16 Prof. K.-G. Hinzen 8

9 Bücher Cambridge Univ. Press ISBN KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 17 Fernerkundung Exploration des Erdinneren durch Mesungen an der Erdoberfläche Geophysikalisches Verfahren, phys. Phänomen: Schwerefeld Magnetismus Elastische Wellen Elektrisches Feld Elektromagnetische Wellen Empfindlich gegenüber der Verteilung der phys. Parameter: Dichte Magn. Suszeptibilität Seism. Wellengeschw. Widerstand Leitfähigkeit Oh, und Geophysik ist relativ preiswert KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 18 Prof. K.-G. Hinzen 9

10 Active and Passive Methoden Activ Aussenden eines Signals in den Untergrund und schauen, was zurückkommt: Explosionen Seism. Signale Elektrischer Strom Elektromagnetische Wellen Passiv Messen eines natürlichen Phänomens Schwerefeld Magnetfeld Erdbeben Seism. Signale KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 19 Seismische Verfahren Erdbebenseismologie liefert Informationen über/für: physikalischen Eigenschaften der Erde Struktur des Erdinneren Untersuchung der Beziehung zwischen Magnituden und Stärke der Bodenbewegung Bestimmung der seismischen Gefährdung Erdbebenvorsorge / Erdbebeningenieurwesen Erdbebenvorhersage KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 20 Prof. K.-G. Hinzen 10

11 Seismische Verfahren Erdbebenseismologie KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 21 Seismische Verfahren Erdbebenseismologie km km Tomographisches Bild der Verteilung der Scherwellengschwindigkeit in zwei Heiß (rot) Farben zeigen niedrige Geschwindigkeit, heißes Material Kalt (blau) Farben zeigen hohe Geschwindigkeiten, kaltes Material KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 22 Prof. K.-G. Hinzen 11

12 Seismische Verfahren Explorationsseismik Refraktion und Refexionsmethoden Großskalige Untersuchungen Krustendtruktur, Kohlenwasserstoffexploration Kleinskalige Untersuchungen Umwelt- und Geotechnikprobleme - Ortung des Grundwasserspiegels - Kartierung von Hohlräumen - Bestimmung der Tiefe des Festgesteins - Erfassung von Verwerfungen und Rissen - Baugrunduntersuchung - Bodenverstärkung bei Erdbeben KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 23 Geschichte Seismischer Verfahren Explosionsseismologie 1920 s: erste seismische Refraktionsmessungen 1940 s-50 s: erste Reflexionsmessungen 1960 s: erstes digitales Refelxionsprozessing 1990 s: vermehrte 3D Messungen 1980 s-present: hochauflösende Verfahren 1990 s: 4D Untersuchungen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 24 Prof. K.-G. Hinzen 12

13 Skalen Meter bis Kilometer Verfahren werden angewandt in: Umweltgeophysik Ingenieurgeophysik Explorationsgeophysik KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 25 Seismische Verfahren Refraktion Reflexion KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 26 Prof. K.-G. Hinzen 13

14 Krustenseismik Drei vertikale Schnitte durch ein Tomographiemodell der Erdkruste KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 27 Kleinskalige Anwendung ingenieurseismisches Tomogramm bei der Grundwassersuche KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 28 Prof. K.-G. Hinzen 14

15 Skalen der Seismologie Globale Tomographie aus Normalmoden Mikroseismisches noise-band Teleseismische Wellen Krustenrefraktionsseismik Frequenz (Hz).. Periode (s) Ingenieur u. Umweltseismik Öl u. Gasexploration Akustische Bohrlochverf. Gesteinsphysik (Ultraschall) Bauwerke KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 29 Seismische Quellen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 30 Prof. K.-G. Hinzen 15

16 Seismische Quellen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 31 Seismische Quellen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 32 Prof. K.-G. Hinzen 16

17 Seismische Empfänger KGH Seismische Explorationsverfahren splay.pl / ig.utexts.edu Teil 1 - Slide 33 Seismische Empfänger KGH Seismische Explorationsverfahren agilegeoscience.com Teil 1 - Slide 34 Prof. K.-G. Hinzen 17

18 Seismische Empfänger KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 35 Feldausrüstung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 36 Prof. K.-G. Hinzen 18

19 Was heißt 'angewandt'? Glacio Hydro Ingenieur Umwelt Archaeo Exploration KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 37 Planung einer Messung Messziele Budget Logsitik Messspezifikation Geophysikal. Spezifikationen Welche Methode? Mespunkte Profilorientierung Messpunktabstand Datenerfassung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 38 Prof. K.-G. Hinzen 19

20 Planung einer Messung Scheinbarer Widerstand Luft gefüllter Hohlraum Wasser gefüllter Hohlraum Wasserspiegel Luft hat gegenüber gesättigtem Gestein einen hohen Widerstand Wasser gegenüber trockenem Gestein sehr leitfähig Kein Kontrast zwischen Wasser gefülltem Hohlraum und gesättigtem Gestein KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 39 Techniken und Erkundungsziele s s KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 40 Prof. K.-G. Hinzen 20

21 Multiple Verfahren um die Eindeutigkeit von Aussagen zu verbessern signifikanter Widerstandskontrast minimaler Widerstandkontrast gesättigter Ton gesättigter Sand geklüftetes Festgestein minimaler Geschw.kontrast signifikanter Geschw.kontrast KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 41 Durchführung von Messungen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 42 Prof. K.-G. Hinzen 21

22 Durchführung von Messungen Die meisten geophysikalischen Messungen erfogen von der EOF aus Erster Schritt nach Plnaung: survey Data acquisition Ein Satz von Messwerten wird mit geophys. Instrumenten erfasst KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 43 Durchführung von Messungen Oft werden die Daten entlang von Linien erfasst (traverse) Meist erfolgt die Messung in räumlichen Intervallen Oft regelmäßigen Intervallen Jede Stelle and der gemesssen wird ist ein Messpunkt station Die dargestellten Messungen oft nach Berechnungen bilden ein Profil KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 44 Prof. K.-G. Hinzen 22

23 Durchführung von Messungen Messpunkte Linien KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 45 Durchführung von Messungen Profil Messwert Anomalie Überdeckung Ziel Sektion KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 46 Prof. K.-G. Hinzen 23

24 Durchführung von Messungen Bei länglichen Zielköpern (Mineralgang) liegt das Profil senkrecht zum Streichen Oft sind mehrere parallele Profile erforderlich Bei vielen parallelen Profilen bilden die Messpunkte ein 2D Gitter Messwerte werden konturiert KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 47 Durchführung von Messungen Gitter mit Messpunkten und Konturlinien KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 48 Prof. K.-G. Hinzen 24

25 Datenreduktion Oft sind Rohdaten aus den Instrumenten wenig aussagekräftig Höhenunterschiede in der Gravimetrie Ändereungen des Magnetfeldes während der Messung Statik in den seismischen Messungen durch Verwitterungsschicht Magnetischer Sturm KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 49 Datenreduktion Oft sind Rohdaten aus den Instrumenten wenig aussagekräftig Höhenunterschiede in der Gravimetrie Ändereungen des Magnetfeldes während der Messung Statik in den seismischen Messungen durch Verwitterungsschicht Magnetischer Sturm KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 50 Prof. K.-G. Hinzen 25

26 Datenreduktion Konversion der Rohdaten in brauchbare Form wird als Datenreduktion bezeichnet Ein Zielkörper drückt sich oft durch Anomalien aus Das ist Teil des Profils oder der Konturkarte der über oder unter dem Umgebungswert Nicht alle Zielkörper bilden Anomalien (Refraktionsseismik)! KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 51 Datenreduktion Vor der Datenreduktion Nach der Datenreduktion Profil Profil Anomalie Oberfläche Oberfläche Sektion Ziel Sektion Ziel KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 52 Prof. K.-G. Hinzen 26

27 Siagnal und Noise Noise, das sind ungewünschte Variationen der Messdaten, die nicht vom Zielkörper stammen Signal, das sind die gewünschten Anteile Wie Hintergrundgeräusche bei einer Party, die es schwer machen das Gegenüber zu verstehen Was Signal und was Noise ist hängt von der Fragestellung ab Das Signal-zu-Noise Verhältnis ist ein wichtiger Qualitätsparameter der Messung - wie kann es verbessert werden? KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 53 Siagnal und Noise Gängiste Methode ist die Wiederholung von Messungen Grundgedanke bei zufälligen Noiseanteilen: Das Signal summiert sich auf, der Noise hebt sich auf Das bezeichnet man als Stapeln (stacking) KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 54 Prof. K.-G. Hinzen 27

28 Siagnal und Noise Beispiel seismische Daten Beispiel magnetische Daten t x KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 55 Modellierung 3 KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 56 Prof. K.-G. Hinzen 28

29 Modellierung Zwei Schritte trennen eine geophysikalische Anomalie von der geologischen Beschreibung (1) Messung von der EOF aus (2) es handelt sich um eine physikalischen und keine geologische Größe 1. Schritt: physikalisches Modell, das die Daten erklärt 2. Schritt: Übersetzung des physikalischen Modells in geologische Verhältnisse im Untergrund KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 57 Was ist ein Modell? Ein Modell ist oft die verkleinerte Darstellung der Realität In der Geophysik ist es ein Körper oder eine Struktur beschrieben durch physik. Größen Tiefe, Größe, Dichte etc., die die Daten erklären können KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 58 Prof. K.-G. Hinzen 29

30 Was ist ein Modell? Ein Modell ist meist einfacher als die Realität die Ermittlung der Eigenschaften des Anomalie-erzeugenden Körpers aus der Anomalie wird als das Inverse Problem bezeichnet KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 59 Was ist ein Modell? Ein Modell ist meist einfacher als die Realität das ist in Praxis oft schwierig, manchmal unmöglich das Problem kann nicht-linear sein, mehr als ein Körper ezeugt die gleiche Anomalie KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 60 Prof. K.-G. Hinzen 30

31 Was ist ein Modell? BR 96, Gt 2 x 4/4 Königl. Bayerische Staatsbahn KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 61 Was ist ein Modell? Schwereanomalie (mgal) Tiefe (km) beob. Werte berechnete Werte Entfernung (km) Tonschiefer 2.5 Mg/m 3 Granit 2.6 Mg/m 3 Sandstein 2.4 Mg/m 3 Grundgebirge 2.7 Mg/m 3 einafches Dichtemodell zur Erklärung der Variation der Erdanziehung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 62 Prof. K.-G. Hinzen 31

32 Was ist ein Modell? Ein Modell ist meist einfacher als die Realität Noise und Messfehler einer Messung erschweren die genaue Ermittlung von Stärke und Ausdehnung einer Anomalie Messpunkte können zu weitabständig sein -> die Auflösung reicht nicht aus Es gibt viele theoretische und praktische Grenzen der Auflösung einer geophysikalischen Messung z.b. eine Schicht kann zu dünn sein um von der Seismik 'gesehen' zu werden Wichtige Entscheidungspunkte bei der Planug einer Messung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 63 Auflösung Messungen abgeleitetes Profil Sektion mit modelliertem Zielkörper KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 64 Prof. K.-G. Hinzen 32

33 Resolution Problem aktuelles Profil erhöhte Auflösung abgeleitetes Profil KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 65 Resolution Problem aktuelles Profil erhöhte Auflösung abgeleitetes Profil KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 66 Prof. K.-G. Hinzen 33

34 Was ist ein Modell? ein Modell hat: einafche Form scharfe Grenzen einheitliche Verteilung der physikalischen Größen der Körper in der Natur hat: unregelmäßige Form graduelle Grenzen physikalische Eigenschaften des Körpers selbst und der Umgebung können räumlich variieren Vereinfachung muss kein Nachteil sein Auslassung von Details kann den Blick auf's Wesentliche schärfen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 67 Geologische Interpretation KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 68 Prof. K.-G. Hinzen 34

35 Geologische Interpretation (der 2. Schritt) Das phys. Modell muss in geologische Gegebenheiten übersetzt werden Eine große zylindrische Masse mit geringerer Dichte als die Umgebung kann als Granit Pluton interpretiert werden Diese Interpretation muss alle Informationen berücksichtigen: genereller geologischer Kontext Information aus Aufschlüssen Bohrlöcher andere geophys. Untersuchungen KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 69 Geologische Interpretation (der 2. Schritt) KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 70 Prof. K.-G. Hinzen 35

36 Geologische Interpretation (der 2. Schritt) KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 71 Darstelllung der Ergebnisse Am Ende einer Messung steht die Datstellung der Ergebnisse Das ermöglicht es bestimmte Dinge zu betonen, andere in ihrer subjektiven Wirkung zu mindern Konturing Projektionen künstl. Beleuchtung gestapelte Profile KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 72 Prof. K.-G. Hinzen 36

37 BS Seismische Explorationsverfahren Darstelllung der Ergebnisse KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 73 Darstelllung der Ergebnisse magnetischer Gradient / bunt: Suzeptibilität KGH Seismische Explorationsverfahren Prof. K.-G. Hinzen /hertsgeosurvey.wordpress.com/2013/07/21/magnetic-susceptibility/ Teil 1 - Slide 74 37

38 Umweltprobleme (Landseismik Linien) KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 75 Umweltprobleme (Landseismik Linien) KGH Seismische Explorationsverfahren sierraclub.org Teil 1 - Slide 76 Prof. K.-G. Hinzen 38

39 Umweltprobleme (Seeseismik) KGH Seismische Explorationsverfahren offshoreenergytoday.com Teil 1 - Slide 77 Zusammenfassung Wichtige Begriffe: aktive Verfahren active methods passive Verfahren passive methods Messung survey Messpunkt station Profil profile Datenreduktion data reduction Zielkörper target Anomalie anomaly Signal signal Störsignal noise signal to noise ratio KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 78 Prof. K.-G. Hinzen 39

40 Zusammenfassung Wichtige Begriffe: Stapelung stacking Auflösung resolution Modell model Inversion inverse problem Vorwärtsmodellieren forward modelling Datenbearbeitung KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 79 Prof. K.-G. Hinzen 40