BS Seismische Explorationsverfahren - ftp.uni-koeln.deftp.uni-koeln.de/institute/seismo/work/Seismic_(1)_GR.pdfBS Seismische Explorationsverfahren Prof. K.-G. Hinzen 2 KGH Seismische

BS Seismische Explorationsverfahren

Prof. K.-G. Hinzen 1

KGH Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 1





Administratives


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




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


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




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: 05./06./ bzw. 07. 04.2017– Treffpunkt 9:30 Erdbebenstation Bensberg

• Praktikum Nichtseismische Verfahren:– Beginn: Do. 04.04.2017 um 09:30 Uhr– Treffpunkt: kl. Hörsaal der Geologie

• Klausur– 26.05.2017 um 13:00 Uhr hier




Unterlagen

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


Einführung




Bedeutung der Seismischen Exploration


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, Refexions-Transmissionskoeffizienten

• Refraktionsseismik– Prinzip, Auswerteverfahren, Beispiele, Datenerfassung

• Refelxionsseismik– Prinzip, Seism. Processing, TWT, CMP, NMO, Stapeln, Migration,

Interpretation

• Bohrlochverfahren – Bohrtechniken, VSP, crosshole, Tomographie




Bücher

• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 78574 X


Bücher

• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 46826 4




Bücher

• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 33938 3


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




Active and Passive Methoden

• Messen eines natürlichen Phänomens

– Schwerefeld– Magnetfeld– Erdbeben – Seism. Signale

• Aussenden eines Signals in den Untergrund und schauen, was zurückkommt:– Explosionen – Seism. Signale– Elektrischer Strom– Elektromagnetische Wellen

Activ Passiv


Seismische Verfahren

• 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

Erdbebenseismologie





Erdbebenseismologie



• Tomographisches Bild der Verteilung der Scherwellengschwindigkeit in zwei

• Heiß (rot) Farben zeigen niedrige Geschwindigkeit, heißes Material

• Kalt (blau) Farben zeigen hohe Geschwindigkeiten, kaltes Material

Erdbebenseismologie11-216 km 421-671 km

1.5

0

-1.5

2

0

-2





• 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

Explorationsseismik


Geschichte Seismischer Verfahren

• 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

Explosionsseismologie




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 bei der Grundwassersuche




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 NormalmodenMikroseismisches noise-Band

Teleseismische WellenKrustenrefraktionsseismik

Ingenieur u. Umweltseismik

Gesteinsphysik (Ultraschall)

Akustische Bohrlochverf.Öl u. Gasexploration

Bauwerke


Seismische Quellen




Seismische Quellen


Seismische Quellen




Seismische Empfänger

splay.pl / ig.utexts.edu



agilegeoscience.com






Feldausrüstung




Was heißt 'angewandt'?

Ingenieur Umwelt

Archaeo

Glacio

Hydro

Exploration


Planung einer Messung

Messziele

Budget Logsitik

MessspezifikationGeophysikal.

Spezifikationen

Welche Methode?

Datenerfassung

Mespunkte ProfilorientierungMesspunktabstand




Planung einer Messung

Luft gefüllter HohlraumWasser gefüllter HohlraumWasserspiegel

Sche

inba

rer

Wid

erst

and

Luft hat gegenüber gesättigtem Gestein einen hohen Widerstand

Wasser gegenüber trockenem Gestein sehr leitfähig

Kein Kontrast zwischen Wasser gefülltem Hohlraum und gesättigtem Gestein


Techniken und Erkundungsziele

s

s




Multiple Verfahren

um die Eindeutigkeit von Aussagen zu verbessern

gesättigter Ton

gesättigter Sand

geklüftetes Festgestein

signifikanterWiderstandskontrast

minimalerWiderstandkontrast

minimalerGeschw.kontrast

signifikanterGeschw.kontrast


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



• 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

http://students.seg.org/Elf





Messpunkte

Linien



Profil

Überdeckung

AnomalieMesswert

Ziel

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




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

• 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 Teil des Profils oder der Konturkarte der über oder

unter dem Umgebungswert– Nicht alle Zielkörper bilden Anomalien (Refraktionsseismik)!


Datenreduktion

Sektion

Ziel

Oberfläche

Profil

Vor der Datenreduktion

ProfilAnomalie

Oberfläche

Ziel

Sektion

Nach der Datenreduktion




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?


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)




Siagnal und Noise

t x

Beispiel seismische Daten Beispiel magnetische Daten


Modellierung

3




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 erklärt2. 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 physik. 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 Anomalie wird als das Inverse Problembezeichnet


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




Was ist ein Modell?

• BR 96, Gt 2 x 4/4 Königl. Bayerische Staatsbahn


Was ist ein Modell?

beob. Werteberechnete Werte

Schw

erea

nom

alie

(mGa

l)

0

-12

6

Tief

e (k

m)

Entfernung (km)

Grundgebirge 2.7 Mg/m3

Granit 2.6 Mg/m3

Tonschiefer 2.5 Mg/m3

Sandstein 2.4 Mg/m30

4

0 60

einafches Dichtemodell zur Erklärung der Variation der Erdanziehung




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


Auflösung

Messungenabgeleitetes Profil

Sektion mit modelliertem Zielkörper




Resolution Problem

erhöhte Auflösung

aktuelles Profil

abgeleitetes Profil


Resolution Problem

erhöhte Auflösung

aktuelles Profil

abgeleitetes Profil




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 seinAuslassung von Details kann den Blick auf's Wesentliche schärfen


Geologische Interpretation




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



http://www.geo.au.dk





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


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





www.earth.cardiff.ac.uk



magnetischer Gradient / bunt: Suzeptibilität

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




Umweltprobleme (Landseismik Linien)


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 noise– signal to noise ratio




Zusammenfassung

• Wichtige Begriffe:

– Stapelung stacking– Auflösung resolution– Modell model– Inversion inverse problem– Vorwärtsmodellieren forward modelling

Datenbearbeitung

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