Administratives -...

BS Seismische Explorationsverfahren

Dr. B. Knapmeyer-Endrun 1

BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 1

Administratives

MN-GEO-SM 4

• Angewandte Geophysik für Geowissenschaftler

• das Modul besteht aus:

• Vorlesung: Seismische Explorationsverfahren

– Dr. B. Knapmeyer-Endrun

• Vorlesung: Nichtseismische Explorationsverfahren

– Prof. B. Tezkan

• Praktikum zur Angewandten Geophysik für

Geowissenschaftler

– Knapmeyer-Endrun, Tezkan, Yogeshwar

MN-GEO-SM 4

• beide Vorlesungen haben 2 SWS und

• 90 Stunden Vor- und Nachbereitung

• Praktikum 3 SWS

• 90 Stunden Vor- und Nachbereitung

• Vorlesung Seismische Verfahren als Blockkurs: 10-12 Uhr

und 13-15:30 Uhr

• Praktikum: Teilnahme nur bei Belegung beider

Vorlesungen

– bei Kapazitätsüberschreitung haben BSc Studierende im

Studiengang Geowissenschaften Priorität

– Nachholung eines verpassten Praktikumstermins nur bei Vorlage

eine Attestes

MN-GEO-SM 4

• Praktikum:

– zwei Blöcke (Seismische und Nichtseismische Verfahren)

• Abzuliefern (bis 8. April als PDF per e-Mail):

schriftliche Ausarbeitung

– Deckblatt

– Gliederung (nummeriert)

– Beschreibung des Verfahrens (Theorie und Anwendung)

– Ablauf der Messung (Lageplan, Durchführung)

– Darstellung der Messdaten

– Auswertung

– Interpretation

MN-GEO-SM 4

• Bewertung:

– die Modulnote ergibt sich aus der Abschlussklausur

– die Praktikumsauswertung muss akzeptiert sein

– 6.75% der Gesamtnote

MN-GEO-SM 4

• Praktikum Seismische Verfahren:

– Termine: 18./19./20.03.2019

– Treffpunkt 9:30 Erdbebenstation Bensberg

• Praktikum Nichtseismische Verfahren:

– Beginn: Do. 21.03.2019 um 09:30 Uhr

– Treffpunkt: Hörsaal der Geologie

• Klausur

– vorraussichtlich 24.05.2019

MN-GEO-SM 4

• Ebenfalls zu beachten für Praktikumsbericht:

− Seitenzahlen verwenden

− Formeln in eigene Zeilen, am Zeilenende nummerieren und

auf Nummern Bezug nehmen. Formeleditor verwenden!

− Abbildungen und Tabellen nummerieren, und

Abbildungsunterschrift (alles, was man zum Verständnis der

Abbildung braucht) bzw. Erklärung der in der Tabelle

gelisteten Größen einfügen.

− Jede Abbildung bzw. Tabelle auch im Text erwähnen.

− Auf eine sinnvolle Zahl von Nachkommastellen achten.

− Zitierte Referenzen auflisten. Seriöse Lehrbücher bzw.

Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften sind (dubiosen)

Internetquellen vorzuziehen. Verwenden Sie Internet-

Quellen nur, wenn es nicht anders geht. Dann mit URL und

letztem Zugriffsdatum angeben.

Unterlagen

• Sie erhalten Zugang zu den PPT slides

• http://ftp.uni-koeln.de/institute/seismo/BS_Seismic/

Einführung

Bedeutung der Seismischen Exploration

Bildgebende Verfahren

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, Reflexions-Transmissionskoeffizienten

• Refraktionsseismik

– Prinzip, Auswerteverfahren, Beispiele, Datenerfassung

• Reflexionsseismik– Prinzip, Seismisches Processing, TWT, CMP, NMO, Stapeln, Migration,

Interpretation

• Bohrlochverfahren – Bohrtechniken, VSP, Crosshole, Tomographie

Bücher

• Cambridge Univ. Press

• ISBN 0 521 78574 X

Bücher

• ISBN 0 521 33938 3

Bücher

• ISBN 0 521 46826 4

Fernerkundung

• Empfindlich gegenüber

der Verteilung der phys.

Parameter:

• Dichte

• Magn. Suszeptibilität

• Seism. Wellengeschw.

• Widerstand

• Leitfähigkeit

• Geophysikalisches

Verfahren, phys.

Phänomen:

• Schwerefeld

• Magnetismus

• Elastische Wellen

• Elektrisches Feld

• Elektromagnetische

Wellen

Exploration des Erdinneren durch Mesungen an der

Erdoberfläche

Oh, und Geophysik ist relativ preiswert

Aktive and Passive Methoden

• Messen eines natürlichen

Phänomens

– Schwerefeld

– Magnetfeld

– Erdbeben – Seismische

Signale

• Aussenden eines Signals in

den Untergrund und

schauen, was

zurückkommt:

– Explosionen – Seismische

Signale

– Elektrischer Strom

– Elektromagnetische Wellen

Aktiv Passiv

Seismische Verfahren

• liefert Informationen über/für:

– physikalischen Eigenschaften der Erde

– Struktur des Erdinneren

– Verteilung und Herdprozesse von Erdbeben

– Beziehung zwischen Magnituden und Stärke der Bodenbewegung

– Bestimmung der seismischen Gefährdung (und Risiko)

– Erdbebenvorsorge / Erdbebeningenieurwesen

– Erdbebenvorhersage

Erdbebenseismologie

• Tomographisches Bild der Verteilung der

Scherwellengeschwindigkeit in zwei Tiefenlagen

• Heiße (rote) Farben zeigen niedrige Geschwindigkeit,

heißes Material

• Kalte (blaue) Farben zeigen hohe Geschwindigkeiten,

kaltes Material

Erdbebenseismologie

Lebedev et al.

• Refraktion und Reflexionsmethoden

– Großskalige Untersuchungen – Krustenstruktur,

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

Explorationsseismik

Geschichte Seismischer Verfahren

• 1920er: erste seismische Refraktionsmessungen

• 1940er-50er: erste Reflexionsmessungen

• 1960er: erstes digitales Reflexionsprocessing

• 1990er: vermehrte 3D Messungen

• 1980er-heute: hochauflösende Verfahren

• 1990er: 4D Untersuchungen

Explosionsseismologie

Geschichte Seismischer Verfahren

Skalen

• Verfahren werden angewandt in:

– Umweltgeophysik

– Ingenieurgeophysik

– Explorationsgeophysik

Meter bis Kilometer

Refraktion Reflexion

Krustenseismik

• Drei vertikale Schnitte

durch ein Tomographie-

modell der Erdkruste

Kleinskalige Anwendung

• ingenieurseismisches Tomogramm aus der

Archäoseismologie (Tiryns, Griechenland)

Skalen der Seismologie

104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5

Periode (s)

10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 103 104 105

Frequenz (Hz)

Globale Tomographie aus Normalmoden

Mikroseismisches Rauschen

Teleseismische WellenKrustenrefraktionsseismik

Ingenieur u. Umweltseismik

Gesteinsphysik (Ultraschall)

Akustische Bohrlochverf.

Öl u. Gasexploration

Bauwerke

Seismische Quellen

Seismische Empfänger

splay.pl / ig.utexts.edu

Feldausrüstung

Was heißt 'angewandt'?

IngenieurUmwelt

Archaeo

Glacio

Exploration

Planung einer Messung

Messziele

Budget Logistik

MessspezifikationGeophysikal.

Spezifikationen

Welche Methode?

Datenerfassung

MesspunkteProfilorientierung

Messpunktabstand

Planung einer Messung

Luft gefüllter Hohlraum

Wasser gefüllter Hohlraum

Wasserspiegel

Luft hat gegenüber

gesättigtem

Gestein einen

hohen Widerstand

Wasser ist gegenüber

trockenem Gestein

sehr leitfähig

Kein Kontrast

zwischen Wasser

gefülltem Hohlraum

und gesättigtem

Gestein

Techniken und Erkundungsziele

Multiple Verfahren

um die Eindeutigkeit von Aussagen zu verbessern

gesättigter Ton

gesättigter Sand

geklüftetes Festgestein

signifikanter

Widerstandskontrast

minimaler

Widerstandkontrast

minimaler

Geschwindigkeits-

kontrast

signifikanter

Geschwindigkeits-

kontrast

Durchführung von Messungen

• Die meisten geophysikalischen Messungen erfolgen von der

Erdoberfläche aus

• Erster Schritt nach Planung: survey

• Data acquisition

• Ein Satz von Messwerten wird mit geophysikalischen

Instrumenten erfasst

• Oft werden die Daten entlang von Linien erfasst (traverse)

• Meist erfolgt die Messung in räumlichen Intervallen

• Oft regelmäßigen Intervallen

• Jede Stelle, an der gemessen wird, ist ein Messpunkt

station

• Die dargestellten Messungen – oft nach Berechnungen –

bilden ein Profil

http://students.seg.org/Elf

Messpunkte

Linien

Profil

Überdeckung

AnomalieMesswert

Sektion

• 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

Gitter mit Messpunkten und Konturlinien

Maurer et al., Geophysics, 2010

Datenreduktion

• Oft sind Rohdaten aus den Instrumenten wenig

aussagekräftig

– Höhenunterschiede in der Gravimetrie

– Änderungen des Magnetfeldes während der Messung

– Statik in den seismischen Messungen durch Verwitterungsschicht

http://obsfur.geophysik.uni-muenchen.de/

Magnetischer Sturm 06.11.2001

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

http://obsfur.geophysik.uni-muenchen.de/

Magnetischer Sturm 06.11.2001

Datenreduktion

• Konversion der Rohdaten in brauchbare Form wird als

Datenreduktion bezeichnet

• Ein Zielkörper drückt sich oft durch Anomalien aus

– Das ist der Teil des Profils oder der Konturkarte, der über oder unter

dem Umgebungswert liegt

– Nicht alle Zielkörper bilden Anomalien (Refraktionsseismik)!

Datenreduktion

Sektion

Oberfläche

Profil

Vor der Datenreduktion

ProfilAnomalie

Oberfläche

Sektion

Nach der Datenreduktion

Signal 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

• Das Signal-zu-Noise Verhältnis ist ein wichtiger

Qualitätsparameter der Messung -

– wie kann es verbessert werden?

Signal und Noise

• Gängigste 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)

Signal und Noise

Beispiel seismische Daten Beispiel magnetische Daten

Signal und Noise

Beispiel: Noisereduktion durch Stapeln

Modellierung

• Zwei Schritte trennen eine geophysikalische Anomalie von

der geologischen Beschreibung

– (1) Messung von der Erdoberfläche 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

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 physikalische Größen Tiefe, Größe,

Dichte etc. - die die Daten erklären können

Was ist ein Modell?

• Ein Modell ist meist einfacher als die Realität

• die Ermittlung der Eigenschaften des Anomalie-erzeugenden

Körpers aus der gemessenen Anomalie wird als das Inverse

Problem bezeichnet

Was ist ein Modell?

• das ist in Praxis oft schwierig, manchmal unmöglich

• das Problem kann nicht-linear sein, und das Problem kann

mehrdeutig sein: mehr als ein Körper erzeugt die gleiche Anomalie

Was ist ein Modell?

beob. Werte

berechnete Werte

Entfernung (km)

Grundgebirge 2.7 Mg/m3

Granit 2.6 Mg/m3

Tonschiefer 2.5 Mg/m3

Sandstein 2.4 Mg/m30

einfaches Dichtemodell zur Erklärung der Variation der Erdanziehung

Was ist ein Modell?

• Noise (Rauschen) und Messfehler einer Messung

erschweren die genaue Ermittlung von Stärke und

Ausdehnung einer Anomalie

• Messpunkte können zu große Abstände voneinander haben

-> die Auflösung reicht nicht aus

• Es gibt viele theoretische und praktische Grenzen der

Auflösung einer geophysikalischen Messung

• z.B. kann eine Schicht zu dünn sein, um von der Seismik

'gesehen' zu werden

• Wichtige Entscheidungspunkte bei der Planung einer

Messung

Auflösung

Messungenabgeleitetes Profil

Sektion mit modelliertem Zielkörper

Auflösung

erhöhte Auflösung

aktuelles Profil

abgeleitetes Profil

Auflösung

erhöhte Auflösung

aktuelles Profil

abgeleitetes Profil

Aktuelles Modell

Was ist ein Modell?

ein Modell hat:

• einfache 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

Geologische Interpretation

Geologische Interpretation (der 2. Schritt)

• Das physikalische Modell muss in geologische

Gegebenheiten übersetzt werden

• Eine große zylindrische Masse mit geringerer Dichte als die

Umgebung kann als Granitpluton interpretiert werden

• Diese Interpretation muss alle Informationen

berücksichtigen:

– genereller geologischer Kontext

– Information aus Aufschlüssen

– Bohrlöcher

– andere geophysikalische Untersuchungen

http://www.geo.au.dk

http://www.geo.au.dkhttp://www.geo.au.dk

Darstellung der Ergebnisse

• Am Ende einer Messung steht die Darstellung der

Ergebnisse

• Das ermöglicht es bestimmte Dinge zu betonen, andere in

ihrer subjektiven Wirkung zu mindern

– Konturierung

– Projektionen

– künstliche Beleuchtung

– gestapelte Profile

www.earth.cardiff.ac.uk

magnetischer Gradient / bunt: Suzeptibilität

/hertsgeosurvey.wordpress.com/2013/07/21/magnetic-susceptibility/

Umweltprobleme (Landseismik Linien)

sierraclub.org

Umweltprobleme (Seeseismik)

offshoreenergytoday.com

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, Rauschen noise

– signal to noise ratio

Zusammenfassung

• Wichtige Begriffe:

– Stapelung stacking

– Auflösung resolution

– Modell model

– Inversion inverse problem

– Vorwärtsmodellieren forward modelling

Administratives -...

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