Methoden der Angewandten Geophysik

Transkript

1 Methoden der Angewandten Geophysik Vorlesung über über die die Methoden der der angewandten Geophysik für für Studenten des des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im im 3ten 3ten Sem. Sem. Literatur -- Keary, Keary, P., P., Brooks Brooks B., B., Hill, Hill, I., I., An An introduction to to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing, Mussett, A.E., A.E., Khan, Khan, M.A., M.A., Lookig Lookiginto intothe theearth, Cambridge University Press, Press, Shearer, P., P., Introduction to to seismology, www-resources (Google applied environmental geophysics ) ) Vorlesungsunterlagen, Folien, Übungen unter -> -> Studium Studium -> -> Vorlesungen Vorlesungen Einleitung Folie 1

2 Was ist angewandte Geophysik? Geophysik ist istdie Anwendung physikalischer Prinzipien auf Probleme der Geowissenschaften die angewandte Geophysik beschäftigt sich speziell mit Anwendungen geophysikalischer Methoden, bei denen wirtschaftliche, umweltrelevante, oder gefährdungsbezogene Interressen zt im Vordergrund stehen (nicht das Lösen wissenschaftlicher Fragestellungen) Beispiele: Exploration und Prospektion von Rohstoffen (Öl, Gas, Minerale, Edelmetalle, etc.) Geothermische Energie, CO 2 -Sequestrierung Erfassung von Strömungsprozessen (monitoring fluid flow) Beurteilung der Bodenbeschaffenheit von Baugrund (Tunnel, Hochhäuser, etc.) Geophysikalische Archäologie Gefahren- und Risiko- Einschätzung (Vulkane, Erdbeben, Tsunamis) Einleitung Folie 2

3 Was sind die Methoden der Angewandten Geophysik? Seismik, Reflektions- und Refraktions Seismik, Erdbebenseismologie Deformationen (Längenänderungen) Gravimetrie, Gravimeter, Anomalien, Dichte der Gesteine, Korrekturen Geoelektrik, Leitfähigkeit, Polarisation, Eigenpotentiel Magnetik, Gesteinsmagnetismus, Anomalien, Biogeomagnetismus Geoelektromagnetik, EM Felder, aktiv, passiv Bohrlochgeophysik, well logging, Permeabilität, Porösität Geophysical fluid dynamics, poröses Medium, Flüssigkeitsdiffusion Radiometrie, Geothermie/Geothermische Anwendungen (geothermal methods) Einleitung Folie 3

4 Die Vorlesung im Überblick Woche Inhalte 1 Einleitung Digitale Signale 2-3 Signalverarbeitung, Spektralanalyse 4-6 Elastisches Medium, seismische Wellen 8 Reflektionsseismik 9 Refraktionsseismik Erdbebenseismologie 12 Falluntersuchungen 13 Wiederholung 14 Klausur Einleitung Folie 4

5 : ein Beispiel Rohstoff-Exploration Datenbeschaffung Datenaufbereitung und Interpretation Seismik Gravimetrie Bohrlochgeophysik Radiometrie Magnetik Gesteinsphysik 4D Erfassung Einleitung Folie 5

6 TRANSALP Einleitung Folie 6

7 : IODP: Integrated Ocean Drilling Program Seismik Seismik Bohrlochgeophysik Bohrlochgeophysik Radiometrie Radiometrie Gesteinsphysik Gesteinsphysik Gravimetrie Gravimetrie Electromagnetik Magnetik Graphics: IODP Einleitung Folie 7

8 : ein Beprobungsproblem Umweltgeophysik Überwachen Überwachen von von Mülldeponien: Mülldeponien: -- Wie Wie verteilen verteilen sich sich Flüssigkeiten Flüssigkeiten im im Gestein? Gestein? -- Gefahren Gefahren für für die die Grundwasserqualität? -- Lithologie Lithologie des des Bodens? Bodens? -- Permeabilität, Permeabilität, Porosität? Porosität? -- Störungen? Störungen? Methoden: Methoden: Elektromagnetik, Elektromagnetik, Seismik, Seismik, Georadar, Georadar, Magnetik, Magnetik, Gravimetrie, Gravimetrie, etc. etc. Figure: earthobservatory.nasa.gov Einleitung Folie 8

9 Erdbebenbeobachtung Schwarmbeben Einleitung Folie 9

10 Seismische Gefahren Einleitung Folie 10

11 Welche Methode für welches Problem? Problemstellungen: Problemstellungen: Es Es soll soll die die Untergrundbeschaffenheit bezüglich bezüglich der der Statik Statik (hohes (hohes Gebäude), Gebäude), Strömungseigenschaften (Mülldeponie), (Mülldeponie), Archäologische Archäologische Funde, Funde, etc. etc. untersucht untersucht werden. werden. Um Um zu zu entscheiden, entscheiden, welche welche Methode Methodegeeignet ist ist müssen müssen wir wir folgendes folgendes beachten: beachten: Welche Welche physikalische physikalische Eigenschaften Eigenschaftensind sind relevant relevant (e.g. (e.g. Permeabilität, Permeabilität, Porosität, Porosität, seismische seismische Geschwindigkeit, Geschwindigkeit, Anisotropie, Anisotropie, Leitfähigkeit, Leitfähigkeit, Dichte)? Dichte)? Welche Welche Raum- Raum-und und Zeitskalen Zeitskalensind sind relevant relevant für für das das Problem? Problem? Welche Welche geometrischen geometrischen Experimentanordnungen sind sind optimal? optimal? Wie Wie muß mußich ich die die gewonnenen gewonnenen Daten Daten aufbereiten aufbereiten und undanalysieren? Welche Welche a a priori prioriinformation (Randbedingungen) (Randbedingungen) ist ist bekannt bekannt und und kann kann mit mit einbezogen einbezogen werden? werden? Wie Wie sind sind die die physikalischen physikalischen Eigenschaften Eigenschaften voneinander voneinander abhängig? abhängig? Die Die Antworten Antworten auf auf all all diese diese Fragen Fragen hängen hängen stark stark von von dem dem jeweiligen jeweiligen Ziel Ziel und und der der Problemstellung Problemstellung ab. ab. Einleitung Folie 11

12 Prinzipieller Unterschied: passive und aktive Methoden Passiv: Passiv: Natürliche Natürliche Quellen Quellen werden werden für für die die Erkundung Erkundung des des Untergrund Untergrund benutzt benutzt Beispiele: Beispiele: -- Gravitation Gravitation -- Erdbeben Erdbeben -- EM EM Feld Feld -- Schallwellen Schallwellen -- Mikroseismische Mikroseismische Aktivitäten Aktivitäten -- Wärmefluss Wärmefluss -- Strömungen Strömungen -- Deformation Deformation -- Rotation Rotation Aktiv: Aktiv: Mit Mit künstlichen künstlichen Quellen Quellen werden werden Eigenschaften Eigenschaften des des Untergrunds Untergrunds dargestellt dargestellt Beispiele: Beispiele: -- Explosionen, Explosionen, Druckluftkanonen Druckluftkanonen -- EM EM Wellen Wellen -- Polarisationsmethoden -- Vibrationen Vibrationen -- Injektion Injektion von von Flüssigkeiten Flüssigkeiten Was Was sind sind direkte direkteund und indirekte indirektemethoden? Einleitung Folie 12

13 Imaging (Abbilden) und Unsicherheiten Indirekte Methoden (Imaging) sind sind normalerweise unterbestimmte mathematische Probleme und/oder haben haben keine keine mathematisch eindeutige Lösungen. Dies Dies bietet bietet großen großen Freiraum für für die die Interpretation der der beobachteten Daten. Daten. Konsequenzen: Es Es können können mehr mehr als als nur nur eine eine Lösung Lösung (oftmals unendlich viele) viele) die die Beobachtungen erklären Informationen über über Unsicherheiten sind sind schwierig darzustellen Oftmals sind sind Ergebnisse von von Wunschdenken geprägt. (( Vorsicht!!)) Man Man muss muss sich sich stets stets darüber im im Klaren Klaren sein, sein, wie wie viel viel Information die die Messungen über über die die Physik Physik des des betrachteten Systems beinhalten (dies (dies führt führt z.b. z.b. zum zum Gebrauch der der Wahrscheinlichkeitsrechnung) Einleitung Folie 13

14 Zusammenfassung Die in in dieser Vorlesung angesprochenen geophysikalischen Methoden haben ein immens weites Spektrum an Anwendungen in in der Forschung ebenso wie in in der Umwelt, Exploration, Ingenieursgeophysik, Geodäsie, Ozeanographie, Medizin, etc. Die Hauptanwendungen hierbei sind Seismik, Geoelektrik, Magnetik, Gravimetrie, Geothermie, Radiometrie, Rheologie, Hydrodynamik Viele der entwickelten Verfahren zur Datengewinnung und Auswertung der Messungen sind identisch mit denen der jeweils anderen Bereiche. z.b. Digitalisierung, Spektrale Analyse, Filterung, und Simulation (modeling). Deshalb stehen diese fundamentalen Themen am Anfang des Kurses. Einleitung Folie 14