Refraktionsseismik

MessprinzipAnwendung

Einführung I• Klassisches geophysikalisches Verfahren mit geringem

technischem Aufwand• seismische Quelle (Impulsquelle) > elastische Wellen• ausbreitendes Wellenfeld wird mit

Schwingungssensoren aufgezeichnet (Aufzeichnung liefert Einsatzzeiten)

• Bestimmung v über Laufzeitinversion• Gut zu erfassen sind bspw. Auflockerung über Fels und

in grobkörnigen Böden die Lage des Grundwasserspiegels

• Einsatz zum Beispiel bei: Baugrunduntersuchungen, Hangabrutschungen, Erprobung der Erdkruste

Einführung II

• Mit refraktionsseismischen Messungen lassen sich Aussagen über die Tiefe von Schichtgrenzen und den seismischen Wellengeschwindigkeiten der Schichten treffen.

• Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen > Aussagen über die Lithologie

Grundlagen I

• Grundsätzlich Kompressionswellen (P-Wellen) und Scherwellen (S-Wellen), die Raumwellen der Seismik

• Sonst noch Oberflächenwellen (Love-, Releigh-, Scholte-Wellen)

• durch Erdbeben (Seismologie) oder künstlich durch Sprengungen, bzw. Hammerschlag, Fallgewicht erzeugt.

• Hauptaugenmerk P-Wellen, weil schneller• Laufzeitbestimmung entscheidend, Amplitude/Energie

nicht (siehe Reflexionsseismik)• Impedanz (v*p)>Reflexionskoeffizient

Grundlagen II

Snelliussches Brechungsgesetz:

Kritischer Winkel:Lotrecht gebrochen

(refraktiert) bei

Grundlagen III

•2-Schichten-Modell mit ebenem Refraktor

•v2 > v1 ist Voraussetzung für Entstehung der Kopfwelle, sonst keine Brechung nach Oben

•Welle mit v2 erzeugt Sekundärwellen, die nach dem Huygensschen Prinzip unter dem kritischen Winkel Energie zur Oberfläche (nur) hin abstrahlen> E-Abgabe nur nach Oben bedeutet Ersparnis (statt Zunahme der Verbreitungsfläche um r^2), größer Distanzen möglich

Laufzeitkurven•Strahlenverlauf und Laufzeitkurven (Laufzeitast) von direkter Welle, Reflexion und Kopfwelle

•Kritische Entfernung (abhängig von Mächtigkeit der Schicht) entspricht 2*tan(ikrit)*d

•Überholentfernung > Ersteinsätze

•Interzeptzeit

•Kehrwert der Anstiege entspricht der Geschwindigkeit•An Seismometer angeschlossene Geophone (lineare Kette) zeichnen Signal auf

LZK-Funktion und Schichtdicke-Funktion

•Ableitung der Schichtdicke h bei einem Refraktor parallel zur Messebene aus der Interzept-Zeit t und der Überholentfernung

•mit sin α = V1 / V2 und

folgt die Gleichung für die Laufzeit

•Aus kritischer Entfernung und Wellengeschwindigkeit kann die Tiefenlage des Refraktors abgeleitet werden

2-Schichten-Modell• Bestimme v1 aus der Steigung (1/ v1 ) der direkten Welle

• Bestimme v2 aus der Steigung (1/ v2 ) der refraktierten Welle

• Bestimme kritischen Winkel aus v1 und v2

• Lies Interzeptzeit ti aus Laufzeitkurve der refraktierten Welle• Bestimme Tiefe h mit

• Ermittle Überholdistanz aus Laufzeitkurve und bestimme h mit

c

i

i

tvh

cos21

12

122vv

vvhü

Ebener Mehrschichtfall•Geschwindigkeiten der Schichten steigen stets in dieser Abbildung•Laufzeitkurven zeigen immer flachere Neigung •Je mächtiger die erste Schicht ist, desto später erscheint der Knickpunkt als Schnittpunkt von direkter und refraktierter Welle•macht größere Entfernungen nötig, über die Geophone ausgelegt werden•Regionale Untersuchungen der Erdkruste, die bis in eine Tiefe von 60 - 70 km reichen sollen, erfordern Geophonauslagen von vielen Hundert Kilometern Länge! •Theoretisch lassen sich auf diese Weise beliebig viele Schichten berechnen•In der Praxis beschränkt sich die Auswertbarkeit auf vier bis fünf Schichten•Faustzahl: Aussagen bis zu 1/7 der Auslagenlänge sinnvoll

Refraction profile 3-layer case

i12h1

Figure 3: Geometry of 3-layer refraction experiment.

v1

v2

v1 < v2 < v3

v3

i23

i13

h2

Refraction profile 3-layer case

i12h1

Figure 3: Geometry of 3-layer refraction experiment.

v1

v2

v1 < v2 < v3

v3

i23

i13

h2

2

2

21

1212

cos2

vt

vv

iht i

11 / vt

3

3

32

232

1

1313

3

cos2cos2

vt

vv

ih

v

iht i

t i

ti2ti3

1/v1

1/v2

1/v3

Figure 4: Travel-time diagram for the 3-layer case

ti2ti3

1/v1

1/v2

1/v3

Figure 4: Travel-time diagram for the 3-layer case

- v1-3 aus Steigungen (1/v1-3) der Laufzeitkurven- Lies Interzeptzeit ti2 der Refraktion in Schicht 2- Bestimme Höhe h1 mit der Gleichung für t2

- Lies Interzeptzeit ti3 der Refraktion in Schicht 3- Berechne mit h1 eine Zwischeninterzeptzeit t*

- Mit t* berechne h2 der Schicht 2

Geneigte, ebene Schichtgrenzen• Geneigter Refraktor ist allgemeiner Fall (Profile

siehe Hangabrutschungen)• Liefert Scheingeschwindigkeiten• Messungen an beiden Profilenden nötig

(mindestens) (Schuss und Gegenschuss)• Zusätzliche Laufzeitkurve in Gegenrichtung• Interzeptzeiten von Schuss und Gegenschuss

unterscheiden• refraktierte Welle ist langsamer, wenn der

Refraktor in Ausbreitungsrichtung abwärts geneigt ist, und umgekehrt

• S > Kehrwerte scheinbarer Geschwindigkeiten• Tiefe des Refraktors unter „Schuss-“punkten

durch Interzeptzeit• Erst jeweils v1 und v2, dann Tiefen• Testen welches Beta das liefert • Mit diesem Beta neu rechnen, bis sich keine

Änderung mehr vollzieht

cosβ = 1

Wellengeschwindigkeit > Gesteinslithologie

• Neben Tiefe der Schichtgrenzen, Geschwindigkeiten• Abhängig von Dichte, elastischen Eigenschaften• Deutliche Unterschiede durch vorhandenes Wasser in Medien (keine Ausbreitung von

S-Wellen)• Beeinflussung der Dichte durch Klüftigkeit, Porosität, Fluidgehalt und die

Komponenten des Festgesteins • Aussage über Gestein durch v nicht ohne Weiteres möglich > siehe Grafik, allerdings:• Sind die Werte jedoch einem Versuchsfeld zuzuordnen, so engt sich deren Spannweite

ein, so dass eine Zuordnung von Geschwindigkeit zu Gesteinsart möglich wird.

Probleme/Auswertung/Interpretation

• Kontrast zw. Lockermaterialien u Felsgestein• v`s: 200 - 2000 m/s / 2000 - 7000 m/s • Beachte: Klüfte, Erosion, tektonische Beanspruchung,

Zerscherungen, allgemein Inhomogenitäten• ebene Grenzflächen, Schichtneigung max. 10°,

homogene Schichtgeschwindigkeit, linearer • Geschwindigkeitsgradient und elastische Isotropie• Steile Flanken sehr schlecht (seismische Wellen

untertunneln diese), keine Zuordnung Ersteinsatz-Kopfwelle

Zusammenfassung• Wenn sich die Geschwindigkeiten mit der Tiefe

erhöhen beobachtet man Refraktionen • Refraktionen breiten sich im schnelleren Medium in

horizontaler Richtung aus und strahlen zur Oberfläche• Refraktierte Wellen erlauben die Bestimmung der

Geschwindigkeits-Tiefenverteilung • Die Verallgemeinerung des Konzept für 3D Medien

führt zur seismischen Tomographie• Tomographische Abbildungen können große

Unsicherheiten enthalten wegen ungenügender Strahlabdeckung oder verdeckter Regionen (z.B. Niedriggeschwindigkeitszonen etc.)