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BS Seismische Explorationsverfahren
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Administratives
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• 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
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• 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
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• 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
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• Bewertung:– die Modulnote ergibt sich aus der Abschlussklausur – die Praktikumsauswertung muss akzeptiert sein– 6.75% der Gesamtnote
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• 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
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Unterlagen
• Sie erhalten Zugang zu den PPT slides
• http://ftp.uni-koeln.de/institute/seismo/BS_Seismic/
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Einführung
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Bedeutung der Seismischen Exploration
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Bedeutung der Seismischen Exploration
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Bildgebende Verfahren
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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
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Bücher
• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 78574 X
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Bücher
• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 46826 4
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Bücher
• Cambridge Univ. Press• ISBN 0 521 33938 3
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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
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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
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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
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Seismische Verfahren
Erdbebenseismologie
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Seismische Verfahren
• 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
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Seismische Verfahren
• 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
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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
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Skalen
• Verfahren werden angewandt in:– Umweltgeophysik– Ingenieurgeophysik– Explorationsgeophysik
Meter bis Kilometer
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Seismische Verfahren
Refraktion Reflexion
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Krustenseismik
• Drei vertikale Schnitte durch ein Tomographie-modell der Erdkruste
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Kleinskalige Anwendung
• ingenieurseismisches Tomogramm bei der Grundwassersuche
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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
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Seismische Quellen
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Seismische Quellen
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Seismische Quellen
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Seismische Empfänger
splay.pl / ig.utexts.edu
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Seismische Empfänger
agilegeoscience.com
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Seismische Empfänger
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Feldausrüstung
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Was heißt 'angewandt'?
Ingenieur Umwelt
Archaeo
Glacio
Hydro
Exploration
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Planung einer Messung
Messziele
Budget Logsitik
MessspezifikationGeophysikal.
Spezifikationen
Welche Methode?
Datenerfassung
Mespunkte ProfilorientierungMesspunktabstand
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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
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Techniken und Erkundungsziele
s
s
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Multiple Verfahren
um die Eindeutigkeit von Aussagen zu verbessern
gesättigter Ton
gesättigter Sand
geklüftetes Festgestein
signifikanterWiderstandskontrast
minimalerWiderstandkontrast
minimalerGeschw.kontrast
signifikanterGeschw.kontrast
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Durchführung von Messungen
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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
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Durchführung von Messungen
• 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
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Durchführung von Messungen
Messpunkte
Linien
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Durchführung von Messungen
Profil
Überdeckung
AnomalieMesswert
Ziel
Sektion
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Durchführung von Messungen
• 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
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Durchführung von Messungen
Gitter mit Messpunkten und Konturlinien
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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
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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
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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)!
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Datenreduktion
Sektion
Ziel
Oberfläche
Profil
Vor der Datenreduktion
ProfilAnomalie
Oberfläche
Ziel
Sektion
Nach der Datenreduktion
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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?
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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)
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Siagnal und Noise
t x
Beispiel seismische Daten Beispiel magnetische Daten
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Modellierung
3
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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
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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
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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
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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
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Was ist ein Modell?
• BR 96, Gt 2 x 4/4 Königl. Bayerische Staatsbahn
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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
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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
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Auflösung
Messungenabgeleitetes Profil
Sektion mit modelliertem Zielkörper
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Resolution Problem
erhöhte Auflösung
aktuelles Profil
abgeleitetes Profil
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Resolution Problem
erhöhte Auflösung
aktuelles Profil
abgeleitetes Profil
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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
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Geologische Interpretation
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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
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Geologische Interpretation (der 2. Schritt)
http://www.geo.au.dk
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Geologische Interpretation (der 2. Schritt)
http://www.geo.au.dkhttp://www.geo.au.dk
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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
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Darstelllung der Ergebnisse
www.earth.cardiff.ac.uk
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Darstelllung der Ergebnisse
magnetischer Gradient / bunt: Suzeptibilität
/hertsgeosurvey.wordpress.com/2013/07/21/magnetic-susceptibility/
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Umweltprobleme (Landseismik Linien)
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Umweltprobleme (Landseismik Linien)
sierraclub.org
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Umweltprobleme (Seeseismik)
offshoreenergytoday.com
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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
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Zusammenfassung
• Wichtige Begriffe:
– Stapelung stacking– Auflösung resolution– Modell model– Inversion inverse problem– Vorwärtsmodellieren forward modelling
Datenbearbeitung