Der Blick in unsere Erde: Messverfahren in der Geophysik von Thomas Jahr Geodynamisches Observatorium Moxa der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Inhalt: Motivation Geophysikalische Messverfahren Aufbau und Struktur der Erde Dynamik des Erdkörpers rpers Fazit
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
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
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
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
Seismik Seismometer - Geophone STS-2 Seismometer des Deutschen Regionalen Seismischen Netzes (GRSN) Fotos: BGR, Internet Skizze: Peter Bormann, IASPEI-Skript, GFZ-Potsdam
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 05.12.1997 um 12:36 Uhr Uni-Aachen, Internet
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
Seismik Beispiele zur Reflexionsseismik von Rüdiger Schulz, 2005 nach Emmermann und Lauterjung, 1997
Refraktionsseismik Seismologie Ray-tracing von Peter Bormann, IASPEI-Skript, GFZ-Potsdam
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
Seismologie globales Messnetz - Tomographie http://earthquake.usgs.gov/research/monitoring/images/gsnmap.pdf
Seismologie Tomographie - Plattentektonik von Harro Schmeling, Vorlesungsskript, Uni-Frankfurt/M
Angewandte Gravimetrie Wie kann man über die Beobachtung von Variationen im Schwerefeld (Anomalien) in die Tiefe blicken und geologische Strukturen interpetieren?
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
mgal [ 1 Gal = 1 cm/s² ] Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Anomalie g Profil ρ 1 ρ 2 ρ 1 < ρ 2
Angewandte Gravimetrie: Messung im Gelände
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 T16T15 310 311 T14T13 KR2 S5 L5 T13 T12 S6 151 T11 KR1 S7Z1 216 L6 T10 S8 215 307 308309 T9 L7 T8 S9 T7 K1 T6 S10 Z2 T5 306 L8 150 49 T4 S11 K2 214Z3 149 48 213 303 304305 L9 T3 S12 K3 T2 S13 Z4 L10 K4 148 T1 S14 212 147 47 300 301302 L11 K5 Z5 S15 L12L13 TBP 46 146 S16 K6 312211 Z6 145 45 S17 413 K7 313 314 210Z7 44 315 209 143 144 L14 S18 L15L16 412 316 K8 Z8 43 S19 142 S20 411 208 42 317316 K9 Z9 L17 318 141 L18L19 S21 410 41 319 K10 320 207 Z10 S22 140 321 K11 L20 39 40 S23 322 206 Z11 S24 139 L21L22 S25 323 K12 324 205 Z12 S26 137 138 325 408 K13 36 3738 L23 S27 326 204 S28 136 L24L25 327 407 K14 S29 328 203 329 406 202 33 3435 L25 S30 K15 S31 330 K16 117 116115 S33 S32 331 405 119 118 201 S34 332 K17 30 3132 S37S36 S35 200 404 K18 24 23 25 272829 123 122121120 26 403 K19 124 K20 22 19 20 21 127 126125 125 402 K21 190 193 128 401 K22 12 14 16 17 18 K23 191 129 v1400 15 195 13 K24 130 v3 v2 100 11 189 v5 v4 K25 102 101 2810N 131 v6 2810n 414 TBP 197 v8 v7 104 103 185 132 v10 v9 105 2810 134 v11 107 106 186 v12 109 108 187 v13 110 v14 V14V13aV13 K27 V15 111 V16 K28 V18 V17 112 V19 113 K29 114 K30 50 51
Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte Hochwert 5612500 5612000 5611500 5611000 mgal 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 -4.5-5 -5.5 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 Rechtswert
Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte Hochwert Hochwert 5612500 5612000 5611500 5611000 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 5612500 5612000 5611500 5611000 Rechtswert Regionalfeld mgal 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 -4.5-5 mgal -5.5-13.5-14 -14.5-15 -15.5-16 -16.5-17 -17.5-18 -18.5-19 -19.5-20 -20.5-21 -21.5-22 -22.5-23 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 Rechtswert
Beobachtete Bouguer-Karte Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte mgal 2 5612500 1.5 1 0.5 Lokale Bouguer-Karte 0 Hochwert Hochwert 5612000 5611500 5611000 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 5612500 5612000 5611500 5611000 Rechtswert Regionalfeld -0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 -4.5-5 mgal -5.5-13.5-14 -14.5-15 -15.5-16 -16.5-17 -17.5-18 -18.5-19 -19.5-20 -20.5-21 -21.5-22 -22.5-23 Hochwert 5612500 5612000 5611500 5611000 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 Rechtswert mgal 17.6 17.4 17.2 17 16.8 16.6 16.4 16.2 16 15.8 15.6 15.4 15.2 15 14.8 14.6 14.4 14.2 14 13.8 13.6 13.4 13.2 4528000 4528500 4529000 4529500 4530000 Rechtswert
Angewandte Gravimetrie: Bouguer-Karte im Luftbild
Angewandte Gravimetrie: 2-dimensionale 2 Modellierung Th. Jahr, Vorlesungsskript, Uni-Jena
Angewandte Gravimetrie: 2-dimensionale 2 Modellierung
Geodynamik: Präzisionsgravimetrie Beobachtung von Schweredifferenzen am Mayon Vulkan auf den Philippinen (1992 bis 1995)
Geodynamik: Präzisionsgravimetrie
Geodynamik: Präzisionsgravimetrie
Präzisionsgravimetrie: Geländearbeit
Präzisionsgravimetrie: Beobachtete Schwereänderungen
Präzisionsgravimetrie: Modellvorstellung
Präzisionsgravimetrie: 3D-Modellierung (FEM)
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?
Großskaliges Injektionsexperiment an der KTB Erdoberfläche Injektion im Bohrloch Injektion in 4 km Tiefe (Vorbohrung) ca. 200 l / Minute ca. ein Jahr kontinuierlich
Injektion an der KTB: ASKANIA Bohrloch-Neigungsmesser
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
Injektion an der KTB: Installation eines Neigungsmessers
Injektion an der KTB Druck der Vorbohrung in MPa 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Injektion mit zusätzlicher Pumpe registrierter Druck idealisierte Druckkurve injeziertes Volumen in m³ (*1000) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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
Injektion an der KTB: Beobachtete Neigungszeitreihen EW - Komponente (in msec x 10) NS - Komponente (in msec x 10) Berg Eiglasdorf 4000 0-4000 20000 15000 10000 5000 0 12000 8000 4000 0 0-5000 -10000-15000 -20000 12000 12000 Stockau Mittelberg 8000 4000 0 4000 2000 0-2000 8000 4000 0 2000 0-2000 -4000 Püllersreuth 0-2000 -4000-6000 0-2000 -4000-6000 -8000 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
Injektion an der KTB: Hodogramme (Pendelspitze über Grund) 40 Berg Eiglasdorf Nord-Süd in 10 1 msec 20 0-20 20 10 0-40 -10-20 0 20 40 60-20 -10 0 10 20 Nord-Süd in 10 1 msec 10 5 0-5 -10 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 0 5 10 15 20
Injektion an der KTB: Hodogramme (Pendelspitze über Grund)
Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses
Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses Cretaceous Tertiary SE-2 SE-1 ZEV metabasite Granite Erbendorf-body
Injektion an der KTB: 3D-Modellierung des Injektionsprozesses
Fazit: Geophysikalische Messverfahren Seismik - Seismologie Aufbau und Dynamik der Erde Gravimetrie - Präzisionsgravimetrie Massenverteilung - bewegung Neigungsmessungen Fluidgesteuerte Prozesse Ausblick: Numerische Modellierungen, Satellitenbeobachtungen
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Kontakt: thomas.jahr@uni-jena.de www.geo.uni-jena.de/geophysik