64. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen
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!"## Recommended citation Deutsche Geophysikalische Gesellschaft (Ed.) (2004): 64. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft: 8.–12. März 2004 in Berlin, Berlin: Technische Universität, 626 p. DOI: http://doi.org/10.2312/dgg64 ISSN: 0344-7251 Inhaltsverzeichnis Einladung zur Mitgliederversammlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Werbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Allgemeine Hinweise für Tagungsteilnehmer Sponsoren und Firmen der Tagung Programmübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvi Abstracts 1 Plenarvorträge (PL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Symposium Gesteinsphysik (S1) 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Symposium Hydrogeophysik (S2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Symposium Subduktionszonen (S3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Symposium Erdmagnetische Variationen (S4) . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Symposium Seismische Abbildungsverfahren (S5) . . . . . . . . . . . . . . . 121 Symposium Geophysik in den Schulen (S6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Archäogeophysik (AG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Bohrlochgeophysik/Petrophysik (BP) Elektromagnetik (EM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Geodynamik (GD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Geoelektrik (GE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Gravimetrie/Geodäsie (GG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Geothermie/Radiometrie (GR) Geschichte der Geophysik (GS) Hydrogeophysik (HG) DGG-Kolloquium (KO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 INHALTSVERZEICHNIS ii Erdmagnetismus (MA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Marine Geophysik (MG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Georadar (RD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Seismik (SM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Seismologie (SO) Sonstiges (ST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Umwelt-/Ingenieurgeophysik (UI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 Vulkanologie (VU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 Autorenverzeichnis 614 Lagepläne 625 Einladung zur Mitgliederversammlung iii $" % && Einladung zur Mitgliederversammlung !""# $%%&'"()%*$%%%+ ,-,%"%&,.#/+!#01"(2 ")3"%4$)05 ' ( "016701#8 $/ ) 8!$(6$%%)2 &0 30 4095 (09.795 :0,2 ;0<8= "%9 >.=9?8 9 8?9 ?5.@8 A8 78/ @87 2 7,@=.@8 .@8 6 6 9. ""?. "$?#0 B ? 0!67 ")7 "&C0 D "30# "49. "( BOHRLOCHMESSUNG - STORKOW GmbH Straße der Jugend 32 D-15859 Storkow Werbung Tel./Fax: +49 33678 436 30 / 436 31 e-Mail: [email protected] http://www.blm-storkow.de Bohrlochgeophysikalische Messungen und Kamerabefahrungen in Aufschlussbohrungen, Brunnen und Grundwassermessstellen Aufschlussmessungen in unverrohrten Bohrungen bis ca. 1000 mm Durchmesser: Bohrlochmessungen zur Bestimmung des lithologischen Profils, der Gesteinszusammensetzung un der Salinität des Porenwassers Neubauabnahme von Brunnen und Messstellen: Kontrollmessungen als anerkannte Grundlage für die Leistungsabnahme durch öffentliche und private Auftraggeber Untersuchungen nach DVGW-Arbeitsblatt W135: Brunnenzustandsermittlung vor Sanierung, Regenerierung oder Verwahrung und als Erfolgskontrolle dieser Maßnahmen Spezialleistungen für die Brunnen- und Messstellendiagnose: Restwandstärkemessung an Stahlverrohrungen; Ringraumüberprüfung mit Gamma-Gamma-Dichtescanner und segmentiertem Gamma-Ray-Log; flexible Minisonden für geringste Verrohrungsdimensionen; modernes Kameraequipment Einmessen von Setzungen des Untergrundes: Hochgenaue Wiederholungsmessungen des Abstandes zwischen nachträglich ins Gebirge geschossenen Magnetmarken ermöglichen die Ermittlung von relativen und absoluten Längenänderungen im Untergrund entlang von Beobachtungsbohrungen für Bergbaufolgelandschaften, Böschungen, Kippen und Halden Digitalisierung von Altbohrlochmessungen: Rechnergestützte Digitalisierung von analogen Bohrlochmessungen, geologischen Profilen und Brunnenausbauzeichnungen. FOERSTER FLUXGATE MAGNETOMETER FEREX 4.032 DATALOGGER FEREX CON 650 SENSOR • • • • • • • • • 7. : - 5 41 3 : 7 ) '$7$/2**(5 • 51 • 1 = • 4* <$89±#!!!! <!;$ <!$<11 # <#% $&!69 $!69 ±#!!!! <#94*7 3. 45 4 1. 46 #,73 >3? & )"! +"$",$- 222 1 !"#$#%#&!&'( * !"#$#%#&!$'! .//0 1 ! " # $ % !"#$ %" & ' !"#$ %"$ ()* !"#%" $%$ + * ,- . /// * * 0 !" #$%&%' ((((%' )$*)#*%+#'$,-%$# N N ! " "# N $%&'$($%"&' $ N )" #)* $ Designed for Reliability Latest Technology - Long Tradition SUMMIT 24 bit Seismic Acquisition System RESECS DC-Resistivity and Electrode Control System Borehole SHUTTLE Geophysics in Deviated and Horizontal Boreholes DMT CoreScan Colour Digital Imaging, Storage, Orientation and Analysis System Deutsche Montan Technologie GmbH Exploration & Geosurvey DIN EN ISO 9001 zertifiziert Am Technologiepark 1 45307 Essen Telefon (02 01) 1 72-19 70 Telefax (02 01) 1 72-19 71 eMail [email protected] Internet www.dmt-exploration.de Vallon Magnetometer und Metalldetektoren hohe Suchleistung zuverlässig ergonomisch einfach Vallon GmbH Im Grund 3 D-72800 Eningen Fon. 07121/9855-0 Fax. 07121/83643 e-Mail: [email protected] www.vallon.de FEMLAB IS A REGISTERED TRADEMARK OF COMSOL AB. Eine Helmholtz-Spule besteht aus zwei identischen parallelen Ringspulen mit Abstand eines Spulenradius´, in deren Innern ein homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Das homogene Feld resultiert aus der Summe der beiden Parallel- und der Differenz der beiden senkrechten Komponenten, bezogen auf die gemeinsame Spulenachse. Femlab 3 - Simulationen in der Geophysik FEMLAB 3 bietet Ihnen noch mehr Flexibilität: ob als Vollversion oder in Kombination mit MATLAB - mit FEMLAB 3 können Sie eine grosse Bandbreite von geophysikalischen Phänomenen simulieren, wie z.B.: Elektromagnetische Felder Seismische Wellen Schwerefeldmodelle Wärmetransport Strukturmechanik Entscheiden Sie selbst, ob Sie als Basis lieber die umfangreiche Modellbibliothek oder Ihre eigenen Gleichungen nutzen möchten. 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Wintershall Energia S.A http://www.wintershall.com GASAG Berliner Gaswerke Aktiengesellschaft Reichpietschufer 60 10785 Berlin http://www.gasag.de RF FORSCHUNGSSCHIFFAHRT GmbH Blumenthalstr. 15 28209 Bremen http://www.rf-bremen.com Geotomographie Dr. Th. Fechner Am Tonnenberg 18 D-56567 Neuwied http://www.geotomographie.de xxiii Sponsoren und Firmen der Tagung xxiv 0 0& ##E ??.@L/ ,"$3 &4$:& .E>>555=8 0=85, 12)$ "3:3;85 .E>>555=85 00 ,51$ );"$4 .E>>555 /, ?/.8" &3)%(7 .E>>555 7?7 J0F3; );;%0,/ .E>>555 67L?0, 0& )(%()- .E>>555 @L. 0$)=$3 %&)&(L. .E>>555@=@ , ?$ $%&3(, .E>>555. . ?/": 3434(5 .E>>555. !@P, $) "&%:;0 .E>>555!@= Sponsoren und Firmen der Tagung xxv ,, < " 3%44:9- .E>>555 .@818, +=L=1"4 ::44$K .E>>555=.@8 /, 6=05 =) ":"";<8 .E>>555 6- #,TP9 L(% ($(44< .E>>555. L , 08")4 ($%($/ .E>>555 = JUL. J ?3 %&$(3L. .E>>555S << '55":: ")&4;0 .E>>555= <6<6, ))%44% $:))40 .E>>555= 7H8T@, /#854 "33"(65 .E>>555@ , ) ($:%%7 .E>>555! Programmübersicht xxvi 7&&-, Programmübersicht #<(=#>#(? 7 %7@#A:2:##D ?L!C<+!@+?D QCDPL.R #(=#>(## 4 ""E%%=""E$% ""E$%=""E&% ""E&%="$E%% "$E%%="$E$% "$E$%="$E&% "$E&%=")E%% :## J%" J%$ J%) J%& J%3 J%4 :##B %" %$ %) %& %3 %4 :## <%" <%$ <%) <%& <%3 :# =(##>?(## ?(##>B(## $2% A:2:##C B(##>(## $2%( <7C6' D Q7@7E '8..8!5R (##>(=# 7 (=#>(## *, A C ; !"## :# Programmübersicht xxvii ;< !"## #(=#>#<(? 7 %7@#A:2:##D 68C6' D Q+@@.*F. @R #<(##>(## $.(R??*7.=/8R *,#<(=# )"DAE&=##?C %;E)%=%;E3% %;E3%="%E"% "%E"%="%E)% "%E)%="%E3% "%E3%=""E"% ""E"%=""E)% ""E)%=""E3% ""E3%="$E"% "$E"%="$E)% :## J%( J%: J%; J"% 9. J"" J"$ J") J"& :##B %( %: %; "% 9. :## %" %$ %) %& 9. +%" +%$ +%) +%& :# 4? 40 4P 4 9. 47 46 4 :# $? $0 $P 9. $ $7 $6 $ (=#>(## 7 (##>(?? 7 %7@#=A:2:##C /CL. D Q,@.@8*?-8 @R ?(##>B(=# 7 B(=#>(=# 0& ! A:2:##C <(## 8 , CJ/D <(## *, " CJ/D Programmübersicht xxviii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rogrammübersicht xxix #(=#>#<(? 7 %7@#A:2:##D P.PC?D Q .@8*!<!VR ; !"## #(=#>#(=# $.(R580580=RC"6D (##>=(## $.(R580580=RC$6D %;E)%=%;E3% %;E3%="%E"% "%E"%="%E)% "%E)%="%E3% "%E3%=""E"% ""E"%=""E)% ""E)%=""E3% ""E3%="$E"% "$E"%="$E)% :## J)% J)" J)$ J)) 9. 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(Rice University, Houston, USA) Imag(in)ing the Continental Lithosphere E-Mail: [email protected] Direct wavefield imaging of teleseismic signals offers the possibility of identifying relatively thin (≈ 5 km), laterally variable layering in the lithospheric mantle as well as variations in upper mantle structures, and the transition zone. Such imaging could determine the relict structures associated with formation of cratonic mantle in the Precambrian, and relatively fine scale details of processes now modifying continental lithosphere. The depletion-subduction model of the tectospheric mantle is one of the current paradigms for formation and stabilization of the continental lithosphere (Jordan, 1978, 1988). The depleted mantle root has both increased S velocity (e.g. Gung et al., 2003) and decreased density and P velocities relative to fertile mantle (e.g. Lee, 2003). Although models of mantle convection suggest that the mantle is well mixed (e.g. Hunt and Kellog, 2001), it isn’t clear that this applies to early formed continental lithosphere. Assuming a depletion-subduction origin for the continental lithosphere, subducted oceanic crust that converts to garnet pyroxenite will form detectable zones 5 km thick and up to 100’s of km in extent embedded in cratonic mantle. These zones should appear frequently in teleseismic receiver function data from cratons. Seismic reflection data from the Canadian Wopmay orogen show subduction related structures presumably frozen in place since the Proterozoic (Cook et al., 1998) that support this model. The layers have thicknesses of 1 to 10 km. The prominent reflection events in the upper mantle are also visible as con- verted S-waves in local teleseismic receiver functions (Bostock, 1998). In some regions of modern continental tectonism, modifications to cratonic upper mantle may originate along ancient assembly structures (Karlstrom et al., 2000). It appears that asthenospheric melt invades stabilized cratons along the subduction-related sutures that formed during craton formation, generating modern loci of tectonism in the overlying lithosphere (Yuan and Dueker, 2004). In this case, the scales and geometries of the structures along which tectonism initiates should be similar to those of original craton formation. We have developed a direct imaging method similar to prestack Kirchhoff depth migration for imaging teleseismic receiver functions (Levander, 2003) and applied it to data from the African Kaapvaal craton, and the North American Rocky mountains. In the former we image the transition zone discontinuities, as well as laterally variable events at 250 to 300 km depth that we interpret as the base of the cratonic root. Signal interference from crustal multiple reflections obscures the region between 100-200 km depth, and the relatively coarse station spacing ( 35-50 km) limits the minimum depth at which images are reliable. Images from the more densely sampled ( 1520 km) CDROM array in North America show a variety of high and low velocity upper mantle structures at less than 100 km depth that are related to both original cratonic assembly and modern magmatism in the Rocky Mountains. In this case limited aperture degrades 4 Abstracts images of deeper structures. Both results argue in favor of rethinking our array design criteria in order to acquire datasets optimized for use with direct imaging methods to explore the continental upper mantle. Plenarvorträge 5 PL02 – Di.,09.3.,08:30-09:30 Uhr · H0104 Schilling, F. R. (GFZ Potsdam) Underlying mechanisms of geodynamic processes - some examples from laboratory studies The Earth is a highly dynamic planet, driven by internal and external forces, which are the result of core energy and sun-energy, respectively. Most of the geodynamic processes observed on Earth may be viewed as the result of a giant thermo-mechanical machine. The great amount of heat stored in the interior of the Earth lead to a convective heat transport and thus mass transfer and tectonic activities. Most of the known endogenic processes are related to the internal heat engine of our active planet. On the other hand, exogenic processes shaping the surface of our Earth can be directly linked to solar energy transferred to the Earth mainly by electro-magnetic radiation. The knowledge of thermal transport properties is therefore a prerequisite to better understand the dynamic processes of the Earth. Geophysical observations are a unique possibility to monitor the ongoing processes. However, the interpretation of the observations requires an understanding of the interrelation of physical properties and their relation to dynamic processes. Therefore, some selected examples of underlying mechanisms of geodynamic processes will be presented, from the viewpoint of an experimentalist: thermal, elastic and electrical transport properties. It will be shown that the knowledge of the underlying mechanisms is a prerequisite to scale laboratory results to geological dimensions. processes within the Earth. Thermal transport properties of crustal and mantle rocks are a prerequisite while modelling geodynamic processes. The first part of the presentation will focus on thermal transport properties and the underlying mechanisms. Thermal transport properties will be presented as anisotropic property. Laboratory experiments and theoretical considerations will be used to discuss the following point: • A systematic of thermal transport properties for minerals will be given. • It will be shown how the complexity of the structure of minerals dominates thermal transport properties. • The influence of low to high quartz phase transition on thermal diffusivity will be shown and discussed in a tectonic context. • A relation between sound velocity and thermal diffusivity will be presented and discussed with respect to crustal and mantle minerals. • Furthermore, the role of radiation to the thermal transport properties of mantle minerals will be discussed and quantified. The results will be used to model thermal transport properties of rocks and compared to 1. Thermal transport properties laboratory observations. The interaction beThermal transport properties are fundamen- tween motions within the Earth and anisotropy tal parameters in quantitatively understanding of thermal transport properties will be disthe underlying - mainly temperature driven - cussed. 6 Abstracts 2. Elastic properties Elastic properties are probably the most precisely known quantities of the interior of the Earth. They are therefore an important source to test geodynamic models using seismic field observations and to monitor the result of geodynamic processes. Water - even in small amounts seems to substantially influence the elastic properties of minerals and rocks. The effect of H2O on the elastic properties of minerals will thus be discussed using single crystal data of lawsonite (water bearing silicate) and rocks with hydrous phases (amphibolites). The influence of temperature, pressure and dehydration on elastic properties will be presented. In published investigations of the elastic properties of rocks at elevated temperatures, water is released (open system) during dehydration. In the presented experiments a closed system is used and water remains within the system. The differences in the observations between open and closed systems give us some additional information of the possible state of rocks and their petrophysical signature in a dynamic environment. 3. Electrical conductivity In active orogenic systems, e.g. the Central Andes and the Himalayas, extremely high electrical conductivities are observed and may be attributed to partially molten rocks within the crust. Laboratory experiments in combination with numerical calculations show that the conductivity behaviour can be explained by a complete interconnectivity of a melt phase for melt fractions > 20 vol.%. Furthermore, a comparison of laboratory experiments and numerical modelling reveals an excellent agreement between observations and models, e.g. Hashin-Shtrikman or modified brick-layer model. In these models, only one conductivity mechanism is assumed for both, crystals and melt phase. However, there is experimental evidence that the conductivity mechanism in the solid matrix is dominated by electrons whereas ionic charge transfer dominates the conductivity in the melt phase. At the high frequencies applied in laboratory studies, the effect of charge transfer from crystals to melt will not - or slightly - affect the bulk-conductivity of the composite. However, at lower frequencies as used in field studies, the different charge transfer mechanisms in crystals and melt may lead to a blocking of charge transfer between solid and melt. This enhances the resistivity of partially molten rocks at low frequencies compared to laboratory studies using high frequencies. Therefore, grain-boundaries will influence the electrical conductivity of partially molten rocks. In other words, in partially molten rocks processes at grain-boundaries hinder a direct scaling of laboratory observations to field studies. However, the knowledge of the underlying mechanisms of charge transfer in crystals and melts may allow an extrapolation of laboratory observations to field studies, if models are used which take the grain-boundary effects into account. Plenarvorträge 7 PL03 – Di.,09.3.,14:00-15:00 Uhr · H0104 Teutsch, G. (Leipzig) Hydrogeophysik - Neue Anforderungen und Möglichkeiten aus Sicht der Geohydrologie 8 Abstracts PL04 – Mi.,10.3.,08:30-09:30 Uhr · H0104 Mann, J. (U Karlsruhe) Seismic Reflection Imaging - from Time to Depth A frequently used way of obtaining information about the Earth’s interior is to investigate the propagation of elastic energy in the form of seismic waves. These have, for instance, been of help in gathering knowledge about geological structures from the Earth’s crust down to the core. In particular, reflection seismic methods are applied when information about targets of only several kilometers (up to about 50 km) in depth is of interest. For that purpose, seismic energy is released from controlled sources, such as explosions or vibrators, reflects at discontinuities of the elastic properties in the subsurface, and is finally recorded at a number of receiver positions. Reflection seismic measurements are widely applied in the exploration for hydrocarbon reservoirs, where a detailed image of the subsurface geology typically up to 5 km depth is required. In the following, I focus on seismic reflection modeling, imaging, and inversion techniques required to transform the recorded data in the time domain into a structural image in the depth domain. It is assumed that the acquired multicoverage prestack data are preprocessed such that unwanted wave types (including multiple reflections), incoherent noise, source and receiver signatures etc. have already been reduced as far as possible. With the strong increase of computing power during the last ten years, new, computationally more expensive and sophisticated processing methods have become feasible. One of these methods in seismic reflection imaging is the Common-Reflection-Surface (CRS) stack (e.g., Jäger et al., 1999; Mann et al., 2001). The CRS stack is based on a generalized multi-dimensional multi-parameter highdensity stacking velocity analysis. It suppresses incoherent noise and enhances coherent reflection events, produces a stack section in the time domain, i.e., a simulated zerooffset section which may be used for a first interpretation, and finally provides so-called kinematic wavefield attributes. The latter are a key to connect time-domain seismic data with a depth image of the subsurface. Mathematically, the CRS stack is based on zero-order ray theory (geometrical optics). In contrast to many other seismic imaging methods, no information (e.g., a rough idea about the subsurface elastic properties) other than the data itself is required for the CRS stack. It is therefore classified as a data-driven seismic timedomain imaging method. The basic concept of the CRS stack is to locally describe reflection events in the time domain by means of a traveltime approximation of second order with respect to source and receiver locations. The parameters of the CRS stack operator, the kinematic wavefield attributes, are related to wavefronts of hypothetical experiments. The attributes are suited for various purposes, the most important one being the determination of a velocity model required to produce a structural image in the depth domain. Different inversion schemes are available, either based on the back propagation of the hypothetical wavefronts (generalized Dixtype inversion) or on iterative forward modeling of these wavefronts followed by an update of the velocity model and the reflection points associated with the picked input data to Plenarvorträge minimize the misfit between forward-modeled and data-derived attributes (tomographic inversion). Due to the use of the wavefield attributes instead of traveltimes only, the tomographic approach (Duveneck, 2004) requires minimum picking effort. It provides a smooth macro-velocity model which is kinematically consistent with the recorded data. 9 and Hubral, P. (1999). Common-reflectionsurface stack - a real data example. J. Appl. Geoph., 42(3,4):301-318. Mann, J., Duveneck, E., Hertweck, T., and Jäger, C. (2003). A seismic reflection imaging workflow based on the Common-ReflectionSurface stack, J. Seis. Expl., 12:283-295. Jäger, R., Mann, J., Höcht, G., and Hubral, The application of both, the CRS stack and P. (2001). Common-reflection-surface stack: the tomographic inversion based on the CRS Image and attributes, Geophysics, 66(1):97stack results, allows to set up an entire seismic 109. reflection imaging workflow: with the macrovelocity model obtained from the inversion, a depth migration finally provides the structural image of the subsurface in the depth domain. This step can be performed as a poststack migration of the CRS-stacked section and/or as a prestack migration using the entire prestack data. In the latter case, the kinematic consistence of model and data can be directly evaluated by investigating the flatness of reflector images in common-image gathers. Furthermore, the prestack migration can be performed in a true-amplitude manner such that the amplitudes of reflector images are directly related to the reflection coefficient. This allows further analyses of the subsurface properties such as, e.g., amplitude variation with angle (AVA) analyses. Synthetic data examples demonstrated the potential of the CRS-based imaging workflow (e.g., Mann et al., 2003). Real data examples indicate a similar performance: a detailed structural image in the depth domain can be obtained in a highly automated manner by means of a CRS-based imaging workflow. References: Duveneck, E. (2004). Velocity model estimation with data-derived wavefront attributes, Geophysics 69(1). In print. Mann, J., Jäger, R., Müller, T., Höcht, G., 10 Abstracts PL05 – Mi.,10.3.,14:00-15:00 Uhr · H0104 Silver, P. G. (Carnegie Institution of Washington, DTM, Washington D. C., USA) Three Dimensional Flow in Subduction Zones E-Mail: [email protected] Subduction, a fundamental component of plate tectonics, is the means by which oceanic lithosphere, created at spreading ridges, returns to the mantle. In the classical picture, it is a steady-state, two-dimensional process where the descending slab generates a corner flow in the mantle wedge above the slab. The mantle beneath the slab is entrained by and follows the slab as it descends into the upperand in most cases, the lower mantle. Fluxing by fluids from the slab hydrates the mantle wedge, which then melts to form magmas that ultimately generate island arcs or new continental crust. Subduction occurs at both at continental margins and oceanic margins, with the Andes and Marianas being end-member examples, respectively. The last decade has seen an explosion of geophysical and geological observations relevant to the subduction process, which has required a major revision of this simple picture. A more realistic image reveals subduction-related flow that is fully three-dimensional and time dependent. This flow field interacts strongly with both the descending slab and overlying plate, distorting the slab, and controlling the large-scale geological structure of the overlying plate. This broadened view of subduction includes some of the following elements. 1) The below-slab flow field contains a component that is trench parallel. Having first been observed in South America, it has subsequently been detected beneath several other subduction zones. It is a direct result of slab rollback, where the location of the trench is in motion with respect to the mantle underlying the descending slab. 2) The mantle wedge may also have a trench parallel flow component of flow as well. Modeling has shown that this flow field may influence the temperature and volcanism of the wedge, and suggests the importance of lateral mass transfer. 3) The stress field and corresponding deformation in the overlying plate, as well as its along-strike variations, are influenced by the interaction with the slab and subslab flow field. The most dramatic illustration of this is the Andes, where the large-scale along-strike symmetry of this mountain chain is mirrored in the shape of the underlying slab surface. 4) The subduction flow field is generally time dependent, resulting in temporal variations in the deformation of the overlying plate and in the slab geometry. The reason for the time dependence can have a variety of causes, including a change in boundary conditions, a change in the buoyancy of the descending slab, or a change in the strength of the overlying plate. Plenarvorträge 11 PL06 – Do.,11.3.,08:30-09:30 Uhr · H0104 Clauser, C., Pape, H., Rath, V. (RWTH Aachen) Petrophysik - Was geht vor in Reservoiren ? Die Bestimmung von Reservoireigenschaften ist dies eine der großen und auch kommerziell wichtigen Anwendungsgebiete der Gesteinsphysik in der Kohlenwasserstoffindustrie, bei der Lagerstättenbewirtschaftung und der sicheren Lagerung gefährlicher Stoffe. Physikalische Gesteinseigenschaften werden an Proben im Labor bestimmt und aus geophysikalischen Bohrlochmessungen abgeleitet. Sie werden von den Eigenschaften sowohl der festen Gesteinsmatrix als auch des vom Gestein umschlossenen Hohlraumvolumens und seiner Füllung bestimmt. Daher kann aus ihnen im Prinzip auf diese Größen geschlossen werden. Da es sich bei Gesteinen in aller Regel um Mehrkomponentensysteme handelt, bedarf es hierzu einer Modellvorstellung, wie die einzelnen Komponenten zusammenwirken. Naturgemäß existieren unterschiedliche Gesteinsmodelle, die jeweils Vor- und Nachteile aufweisen. Bereits dieser Umstand legt nahe, dass der Rückschluss auf die Poreninhaltsstoffe für gewöhnlich nicht eindeutig ist. Ein wichtiges Anwendungsfeld ist die Ableitung einer physikalischen Gesteinseigenschaft aus einer Kombination anderer. Dies erlaubt es für viele Gesteinseigenschaften, die Mehrdeutigkeit ihrer Bestimmung einzuschränken und ihre Variation mit der Tiefe aus einer Kombination verschiedener geophysikalischer Bohrlochmessungen zu rekonstruieren. Auch die Identifizierung bestimmter Horizonte des Untergrundes erfolgt in der Regel durch eine kombinierte Interpretation unterschiedlicher geophysikalischer Bohrlochmessungen. Neben diesen statischen gewinnen jedoch immer mehr die dy- namischen Betrachtungen an Bedeutung, welche das Erkennen und Verstehen von Prozessen in der Erdkruste zum Inhalt haben. Insbesondere Strömung und Transport in Speicherhorizonten für Wasser, Öl und Gas sowie die geochemischen Wechselwirkungen zwischen Porenfüllung und Gestein sind hierbei von Interesse. Die Signale der zur Identifizierung dieser Prozesse verwendeten Größen - Druck, Temperatur, Konzentration gelöster Substanzen und andere mehr - sind häufig sehr klein und hängen wiederum von den physikalischen Gesteinseigenschaften ab. Daher können diese Signale nur dann erkannt und interpretiert werden, wenn die Gesteinseigenschaften hinreichend genau und in hinreichender örtlicher Auflösung bekannt sind. Die oben angesprochenen Aspekte werden mit Fallbeispielen aus der Arbeit der eigenen sowie anderer Arbeitsgruppen illustriert. Insbesondere wird dargestellt, wie Untersuchungen an Kernen und die Interpretation geophysikalischer Bohrlochmessungen zur Strukturbeschreibung beitragen sowie zum Verständnis der in Reservoiren wirksamen Prozesse hinsichtlich Transport und Gesteins-FluidWechselwirkung. 12 Abstracts PL07 – Do.,11.3.,14:00-15:00 Uhr · H0104 Soffel, H. C. (LMU München) Erdmagnetische Variationen - Ergebnisse des gleichlautenden Schwerpunktprogramms der DFG Das Erdmagnetfeld zeigt auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen eine außerordentliche Variabilität. Das Schwerpunktprogramm (SPP) der DFG hatte sich das Ziel gesetzt, das raum-zeitliche Verhalten des Erdmagnetfeldes unter verschiedenen Gesichtspunkten zu untersuchen. Der damals geplante und inzwischen erfolgreiche Start des Satelliten CHAMP mit seinen Magnetometern an Bord war dabei ein willkommener zusätzlicher Aspekt. Die Palette der im SPP angesiedelten Projekte umfasst solche Themenbereiche wie • die Analyse der CHAMP-Daten und die daraus abgeleitete Darstellung des akuten Erdmagnetfeldes und seiner zeitlichen Änderung während der Mission in Form einer Entwicklung nach Kugelfunktionen, • neue Wege und Verfahren zur Modellierung des Geodynamos, • die mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung durchgeführten Untersuchungen der Zustände des Paläomagnetfeldes der Erde vor, während und nach Feldumkehrungen, • die Modellierung der PaläoMagnetosphären während der Feldumkehrungen und • mögliche Auswirkungen von Feldumkehrungen auf das ’System Erde’, insbesondere auf das Klima und auf Prozesse in der Ionosphäre und Atmosphäre. Obwohl das SPP erst seit vier Jahren von der DFG gefördert wird, sind schon eine Reihe wichtiger neuer Erkenntnisse über unser Magnetfeld gewonnen worden, über die im Plenarvortrag berichtet werden wird. Plenarvorträge 13 PL08 – Fr.,12.3.,08:30-09:30 Uhr · H0104 Albertz, J. (TU Berlin) Orientierung im Lebensraum - Von der kindlichen Neugier zum Geoinformationssystem E-Mail: [email protected] Die Wahrnehmungs- und Orientierungsleistungen, die wir als Menschen ununterbrochen vollbringen, werden uns in aller Regel nicht bewusst. Wahrnehmen, sich orientieren, Handlungsspielräume erkunden, handeln und die Handlungen fortlaufend kontrollieren - wir tun es vom Morgen bis zum Abend. Ohne diese Fähigkeiten wären wir nicht lebensfähig. Doch unsere Vertrautheit damit verbirgt die Komplexität der Vorgänge, die sich dabei abspielen. Besonders wichtig ist dabei die visuelle Wahrnehmung. Bilder und Karten stehen im Mittelpunkt. Aber was heißt Bilder und Karten? Wir denken gar nicht daran, dass wir zwei verschiedene Arten von Bildern und Karten unterscheiden müssen. Es gibt die realen Bilder und Karten, die wir als Photos, Zeichnungen, Drucke usw. kennen. Sie sind Gegenstände unserer realen Umwelt, jeder Mensch kann sie in gleicher Weise betrachten. Und es gibt die kognitiven Bilder und Karten in unserem Gedächtnis. Sie sind nicht real, sondern erfüllen unsere persönliche Welt der Erinnerungen und Vorstellungen. Auf sie greifen wir unbewusst zurück, wenn wir einen Gegenstand (oder ein Bild) erkennen, uns orientieren und bewegen. Kognitive Karten sind das Ergebnis von vorausgegangenen subjektiven Wahrnehmungsund Lernprozessen. In ihnen bewahren wir eine Vielfalt von bildhaften Erinnerungen und räumlichen Bezügen in unserem Gedächtnis. Im folgenden Bild ist schematisch angedeutet, wie eine Person beim Fortbewegen auf verschiedene für ihre Orientierung wichtige Objekte blickt und sich an ihnen orientiert, wobei Wahrnehmung und Gedächtnis zusammenwirken. Figur 1: Schematische Darstellung einer Kognitiven Karte, mit deren Hilfe sich eine Person in ihrer Umgebung zielgerichtet fortbewegt. Die Orientierung braucht ein Bezugssystem. Für den Menschen ist es gegeben durch die Geländefläche, auf der er geht, und durch die Richtung der Schwerkraft, die seinen aufrechten Gang bestimmt. Bei den Realen Karten handelt es sich selbstverständlich um die allen bekannten Topographische Karten, Stadtpläne usw. Solche Karten sind das Ergebnis von topographisch-kartographischen Prozessen, sie sind Gegenstände der uns umgebenden realen Welt. Jede Orientierung benutzt ein Bezugssystem. Der Mensch befindet sich immer im Zentrum der von ihm erlebten räumlichen Umwelt. Unsere Wahrnehmungserfahrung und unsere 14 Abstracts Orientierungsmethoden sind ganz auf die Geländeoberfläche ausgerichtet. Sie ist unser menschlicher Lebensraum schlechthin, und durch den Bezug auf diese Fläche ergibt sich auch unser Gefühl für oben und unten. Beim Lernen und Erfahrung sammeln, beim Aufbau seiner Kognitiven Karte, ist jeder auf sich selbst gestellt. Eltern, Freunde, Lehrer usw. können helfen und anregen - aber es bleiben individuelle Prozesse jedes Kindes. Wenn man die Frage stellt, wie es zur Entwicklung unseres Orientierungsvermögens, ja zur Entstehung unseres Weltbildes kommt, so zeigt eine einfache Überlegung, dass es sich um einen dreistufigen Prozess handelt, dass es also drei verschiedenartige Elemente gibt, mit jeweils eigenen Gesetzmäßigkeiten: beginnt im frühesten Kindesalter mit den ersten Wahrnehmungen und Handlungen. Mit zunehmender Erfahrung wird die Erlebniswelt allmählich unabhängig vom momentanen eigenen Standort, es wird eine Kognitive Karte aufgebaut, die früher erlebte Orte, Wege und Objekte einschließt. Aber Wahrnehmen, Erleben und Erfahrung sammeln sind permanente Prozesse, unsere Erlebte Welt entwickelt sich deshalb ständig weiter. Dem Aufbau der Kognitiven Karte eines Menschen durch eigene Sinneswahrnehmungen sind Grenzen gesetzt. Deshalb werden auch durch Eltern, Schule, Fernsehen usw. vermittelte Informationen in die Kognitive Karte integriert, es entsteht als zweite Ebene die Vermittelte Welt. Auch Karten gehören dazu, die räumliche Bezüge wirkungsvoll und zuverlässig vermitteln. Die vermittelte Welt erweitert Art des Quellen unsere Sicht in geographischer Hinsicht auf Weltbildes Orte, die wir nicht selbst kennen gelernt haErlebte Sinnesempfindungen, ben, und in historischer Hinsicht auf Zeiten, Welt Wahrnehmungen, die wir nicht selbst erlebt haben. Auch die verErinnerungen mittelte Welt entwickelt sich durch neue MitVermittelte Erzählungen teilungen und neue Bilder ständig weiter. Welt Mitteilungen, Die dritte Komponente ist die Erdachte Welt Unterricht, Bilder, der Denkmodelle und Phantasien, das wissenFilme, Fernsehen, schaftliche Weltbild eingeschlossen. Nichts Diagramme, von dieser erdachten Welt kann mit unseren Topographische Karten, Sinneswahrnehmungen erlebt werden. GleichGeoinformationen wohl ist die Erdachte Welt für unser menschErdachte Denkmodelle liches Leben bestimmend. Welt Weltbilder, Die Natur hat uns die Fähigkeit mitgegePlanungen, ben, um durch Lernen und Erfahren unser Planungskarten, Wahrnehmungs- und Orientierungsvermögen Visualisierungen, zu entwickeln, eine Kognitive Karte aufzubauLiterarische en. Durch technische Errungenschaften werBeschreibungen, den unsere Lebensmöglichkeiten, ergänzt und Visionen erweitert. Zwei wichtige Stichwörter hierzu sind Kartographie und GeoinformationssystePrimär ist die Erlebte Welt, die wir durch unse- me. Was uns die Kartographie vermittelt, bere Sinnesempfindungen unmittelbar erfahren. reichert nicht nur unsere Erlebte Welt, sonDer Aufbau dieser Welt des eigenen Erlebens Plenarvorträge dern bringt etwas Neues, nämlich den objektiven geometrischen Bezug. Dazu haben wir die Welt mit einem imaginären Liniennetz überzogen, den Längen- und Breitenkreisen. Auch Geoinformationssysteme ergänzen und erweitern unsere Vorstellungen von der Welt. Neu ist dabei die Verknüpfung der Erlebten Welt, der Vermittelten Welt und der von uns Erdachten Welt durch den Bezug auf gemeinsame Koordinaten. Dies eröffnet neue Wege zur Beschreibung und zur Analyse wie auch zum Verständnis von räumlichen Zusammenhängen, es entstehen neue Aspekte zur Orientierung im Lebensraum und zu seiner Gestaltung. 15 S1 Symposium Gesteinsphysik Symposium Gesteinsphysik S1A – Do.,11.3.,09:30-09:50 Uhr · H0112 Pribnow, D. (Shell Research) Prozesse in einem mit Dampf gefluteten, geklüfteten Schweröl-Reservoir E-Mail: [email protected] Bei der Kohlenwasserstoff Gewinnung gilt das Interesse der Petrophysik oft mehr den Eigenschaften des Porenfluids und weniger der Gesteinsmatrix. Bei dem hier diskutierten Beispiel wird Dampf in ein geklüftetes Schweröl-Reservoir injiziert. Die latente Wärme, die durch Kondensation des Dampfes an den Kluftwänden frei wird, wird konduktiv in die Matrix geleitet; der Dampf dringt nicht in die Matrix ein. Die hohe Viskosität des Öls wird durch die Erwärmung verringert. Der Dichteunterschied zwischen Gas (in den Klüften) und Fluid (in der Matrix) erzeugt gravitative Kräfte, die das Öl vertikal zu den Produktionsbohrungen fließen lässt. Bei der Erwärmung entgast das Multi-Komponenten Öl. Diese Gasphase treibt in der Matrix verbliebenes Öl zu den Klüften und somit zur Produktion. Obwohl die Verdampfungstemperatur in der Matrix nicht erreicht wird, verdampft das dort vorhandene Wasser und trägt ebenfalls zur Ölproduktion bei. Bei hohen Temperaturen ändern sich die Benetzungsverhältnisse von Wasser und Öl an den Kornoberflächen, was wiederum die Mobilität dieser Phasen verändert. Die Erwärmung der Matrix kann sowohl zur Erhöhung (thermische Risse) als auch zur Verringerung (Schließen der Klüfte) der Permeabilität führen. Laborexperimente, Feldbeobachtungen und Modellrechnungen helfen, den Zusammenhang dieser komplexen Prozesse zu verstehen. 17 18 Abstracts S1B – Do.,11.3.,09:50-10:10 Uhr · H0112 Müller, T. M., Gurevich, B. (Department of Exploration Geophysics, Curtin University of Technology, Perth) Random patchy saturation E-Mail: [email protected] Abstract Existing models for seismic wave velocity dispersion and attenuation in porous rocks containing a mixture of two pore fluids are based on the assumption of a regular distribution of the fluid phases. However, in reality fluids are distributed in a random fashion forming fluid patches of varying shape and size. This is supported by recently performed laboratory experiments. We develop a model to predict velocity dispersion and attenuation of such 3-D random structures based on the theory of statistical wave propagation. We demonstrate that the assumption of random fluid distribution results in a significantly different behavior of velocity and attenuation as functions of frequency and saturation. Introduction Acoustic properties of rocks saturated with a mixture of two fluids have attracted considerable interest for two reasons. From the practical point of view, one needs to know how to compute the seismic velocity for such a material from the properties of the dry rock and compressibilities of the two fluids. From the theoretical point of view, such a rock represents a rare case when the effects of dynamic poroelasticity may be significant at the seismic or sonic frequencies. Partially saturated rocks respond to acoustic waves differently because there is fluid diffusion between pockets of different fluid saturation. We are aware of only few models proposed to model frequency dependent effects of patchy saturation. Johnson (2001) developed a theory for elastic properties of rock containing regular distribution of pockets of two fluids. Pride and Berryman (2003) developed a theory for frequency dependent attenuation due to meso-scale inhomogeneities for a double-porosity medium. In a companion paper (Pride et al., 2003) it is shown that their model coincides with that of Johnson (2001) if the fluid patches are interpreted as meso-scale inhomogeneities. Despite the generality of the above mentioned approaches, their use is limited for non-regular distribution of the fluid patches. This is because the resultant boundary value problems cannot be solved in explicit form. In this work we use the apparatus of statistical wave propagation in order to overcome these shortcomings. That is to say, we develop a model, which relates the statistical properties of the 3-D fluid/rock heterogeneities with the seismic attenuation and velocity dispersion. The present work can be understood as a generalization of a recently proposed model for the 1-D case (Müller and Gurevich, 2003). Theory If the distribution of the fluids is random, wave propagation in the porous medium can still be analyzed using Biot’s equations of poroelasticity whose coefficients are now piecewise constant random functions of position. Symposium Gesteinsphysik We study the behavior of a plane wave propagating in 3-D poroelastic random media. Conversion scattering at poroelastic inhomogeneities will produce slow P-waves (Biot’s P-waves of the second kind). At sufficiently low frequencies, the latter is a diffusion-type wave and can be interpreted as a viscous fluid flow from more compressible into stiffer regions of the medium (during a compression cycle of the wave). Even if the rock frame is homogeneous, the presence of two fluids with different compressibilities will cause such a fluid flow. That means the process of conversion scattering into Biot’s slow wave is a mechanism of energy dissipation and consequently the fast P-wave becomes attenuated. In the Bourret approximation, the effective, complex P-wave number is a function of frequency and the spatial correlation properties of the poroelastic inhomogeneities. Its imaginary part denotes the attenuation coefficient, α, quantifying the aforementioned dissipation mechanism. The real part describes the corresponding dispersion of phase velocity v. The frequency dependencies of α and v are typical for wave propagation in the presence of a dissipative process. In particular, analyzing the asymptotic behavior of the attenuation coefficient, we find that α scales with ω2 at low frequencies (ω), √ whereas for high frequencies α ∝ ω. Experiments To support the hypothesis of randomly distributed fluid patches, we analyzed experimental data. Comprehensive laboratory experiments with partially saturated porous rocks were performed by CSIRO Petroleum. During the process of fluid injection X-ray scans of the rock samples were collected. From these scans ’saturation maps’ can be 19 extracted which show the spatial distribution of the fluid phases as a function of saturation. A random distribution of fluid pockets is clearly observed. Acknowledgements This work was kindly supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (contract MU 1725/1-1), Shell E & P, CSIRO Petroleum, and Centre of Excellence for Exploration and Production Geophysics. References Müller, T.M., and Gurevich, B., 2003, 1-D random patchy saturation model for velocity and attenuation in porous rocks: Geophysics, submitted. Johnson, D.L., 2001, Theory of frequency dependent acoustics in patchy-saturated porous media, J. Acoust. Soc. Am., 110, 682–694. Pride, S. and Berryman, J. G., 2003, Linear dynamics of double-porosity dualpermeability materials I. Governing equations and acoustic attenuation, Phys. Rev. E, in print. Pride, S. and Berryman, J. G. and Harris, J. M., 2003, Seismic attenuation due to wave-induced flow, J. Geophys. Res., in print. 20 Abstracts S1C – Do.,11.3.,10:10-10:30 Uhr · H0112 Hardy, B., Müller, T.M., Gurevich, B. (Department of Exploration Geophysics, Curtin University of Technology) Seismic Signatures of Patchy Saturation: Numerical Experiments in Periodic Media E-Mail: [email protected] Abstract Hydrocarbon bearing reservoir rocks often contain a mixture of several fluids in their porespace (e.g. oil, water and gas). If the pore fluids are immiscible and form patches on a mesoscopic length scale (exceeding the typical pore size), the rock is said to be partially saturated. Elastic waves travelling through such a partially saturated rock will exhibit a characteristic frequency dependant attenuation and velocity dispersion. These dynamic effects are believed to contribute significantly to the overall characteristics of the seismic wavefield. However, these effects have proved difficult to model so far, both theoretically and numerically. The Biot theory provides an adequate theoretical framework to describe seismic wave propagation in partially saturated rocks. We used a finite-difference code to solve the Biot Figure 2: P-wave velocity vs. water saturation at 10 kHz. Upper and lower curves are the Gassmann-Hill and Gassmann-Wood bounds respectively. Middle curve is P-wave velocity as predicted by Johnson (2001) theory for a geometry of 2-D concentric circles. Data points are results of numerical modelling. wave equation in 2-D. This allowed us to numerically simulate wave propagation in a partially saturated rock model, containing water with gas inclusions. These results were then compared to the most recent theory for predicting frequency dependent attenuation and velocity dispersion in partially saturated media. We obtained P-wave velocity and Figure 1: 2-D geometry of concentric circles. quality factor as a function of saturation and Inner circle has radius Ra and is filled with frequency. These results had close agreement fluid one (gas). Outer circle has radius Rb and with those predicted theoretically. Thus we is filled with fluid two (water). can conclude that the theory is valid within Symposium Gesteinsphysik 21 the difference in travel time before and after entering the poroelastic model. Attenuation values where obtained by the spectral ratio method. Once results for many frequencies and saturation levels had been obtained, we compared the results to Johnson (2001) theory (Hardy, 2003). Examples of these results are shown in Figures 2 and 3. Acknowledgements This work was kindly supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (contract MU 1725/1-1), CSIRO Petroleum, and Centre of Excellence for Exploration and Production Geophysics. Figure 3: Attenuation vs. water saturation at 14 kHz. Solid curve is attenuation as predicted by Johnson (2001) theory in 2-D. Data points References are results of numerical experiments. Hardy, B., 2003, Theoretical and numerical analysis of seismic velocity and attenuation its limitations. Furthermore, we were able to in partially saturated rocks: Honours thesis, accurately infer information about the size of Curtin University of Technology. the patches from our numerically modelled attenuation. This underlines the possibility Johnson, D. L., 2001, Theory of frequency that the size of the fluid patches can estimated dependent acoustics in patchy saturated from seismic data. porous media: J. Acoust. Soc. Am., 110, 682–694. Numerical Experiments The theory that our numerical experiments Wang, X. M., 2001, Seismic wave modeling were compared to was created by Johnson in poroelastic media using a high-order finite(2001). This theory is the most general to date difference method: SEG/San Antonio 2001. for seismic velocity dispersion and attenuation due to partial saturation. This is because it can be used for any geometry provided that a solution for a geometry parameter T can be found. For a 2-D geometry of concentric circles (Figure 1) we solved the boundary value problem in order to obtain T . We used a finite difference code developed by Wang (2001) to solve the Biot equations. For a single frequency and saturation, the velocity of wave propagation was found using 22 Abstracts S1D – Do.,11.3.,10:30-10:50 Uhr · H0112 Saenger, E.H., Krueger, O.S., Shapiro, S.A. (FU Berlin) Numerical considerations of fluid effects on wave propagation E-Mail: [email protected] This paper is concerned with numerical considerations of the Gassmann equation. The focus is on effective velocities in different kinds of dry and fluid-saturated fractured media. We apply the so-called rotated staggered finite-difference grid (RSG) technique [e.g., Saenger and Bohlen (2004)]. Using this modified grid it is possible to simulate the propagation of elastic waves in a 2D or 3D medium containing cracks, pores or free surfaces without explicit boundary conditions and without averaging elastic moduli. Therefore the RSG allows an efficient and precise numerical study of effective velocities in fractured structures [e.g., Saenger and Shapiro (2002)]. We simulate the propagation of plane waves through three different kinds of randomly cracked 3D media (e.g., Figure 1). Each model realization differs in the porosity of the medium and is performed for dry and fluid-saturated pores. The synthetic results are compared with the well known Gassmann equation that predicts the relation of effective bulk and shear moduli in such materials. Although we have a very low porosity in our models, the numerical calculations showed that the Gassmann equation cannot be applied for isolated pores (thin penny-shaped cracks). For Fontainebleau sandstone we observe with our dynamic finite-difference approach the exact same elastic properties as with a static finite-element approach. For this case the Gassmann equation can be checked successfully. Additionally, we show that so-called open-cell Gaussian random field models are an useful tool to study wave propagation in fluid-saturated fractured media. References Saenger, E.H., and Shapiro, S., 2002, Effective velocities in fractured media: A numerical study using the rotated staggered finitedifference grid: Geophysical Prospecting, 50, 183-194. Saenger, E.H., and Bohlen, T., 2004, Finitedifference modeling of viscoelastic and anisotropic wave propagation using the rotated staggered grid: Geophysics, in print. Abbildung 1: A z-displacement-snapshot of a plane P-wave propagating through a fractured 3D model. We use a non-linear color scale to emphasize the scattered wavefield. Symposium Gesteinsphysik 23 S1E – Do.,11.3.,11:10-11:30 Uhr · H0112 Kaselow, A., Shapiro, S. A. (Fachrichtung Geophysik, Freie Universität Berlin) Porosity and elastic moduli of rocks under tectonic stresses and pore pressure changes. E-Mail: [email protected] Understanding stress dependencies of elastic moduli and seismic velocities is important for interpretation of very different seismic and seismologic data. For example, it is necessary for studies of earthquakes and seismogenic processes, for exploring tectonic stress distributions in space and in time, for borehole constructions and developments of hydrocarbon and geothermic reservoirs. Specifically, in the exploration seismology knowledges of velocity stress dependencies are required in different applications ranging from AVO and velocity analysis to overpressure prediction and 4D seismic monitoring of hydrocarbon or geothermic reservoirs. Many studies have shown that seismic velocities are sensitive to changes of the in situ state of stress as induced by reservoir depletion or fluid injection. Due to the combination of this sensitivity with high spatial resolution seismic methods are frequently used for reservoir monitoring purposes. In order to interprete the signature of the current state of stress and induced changes on seismic waves theoretical approaches are required to relate elastic moduli to stress. Shapiro (2003) introduced a theoretical approach that describes the stress dependence of elastic moduli of isotropic rocks as a function of differential pressure. This approach has been extended to arbitrary anisotropic rocks under arbitrary changes of confining stress and pore pressure (Shapiro &Kaselow, 2003; Kaselow & Shapiro 2003a,b). It is based on a common interpretation that the usually observed exponential velocity stress relation is caused by the progressive closure of two mechanically different porosity domains. Similar to, e.g., Mavko and Jizba (1991), we assume that the porosity consists of a stiff and a compliant part. The stiff porosity consists of more or less isometric pores, the compliant porosity represents cracks and grain contact vicinities. Taking the mechanically different deformation behaviour of the stiff and compliant porosity into account the stress dependence of compliances of anisotropic rocks can be derived in a first order approximation as a function of the stress induced deformation of the pore space. All obtained stress dependencies of compliances and elastic moduli have the same simple form of a four parametric exponential equation that reads: Γ(P) = AΓ + KΓ P − BΓ exp(−DΓ P), (1) where Γ is the rock characteristic under consideration, P is the effective stress. Parameters A, K, B, and D are combinations of rock physical properties dependent on Γ. They are used as fit parameters. The most important rock characteristics controlling the stress dependencies of a porous rock is the tensor of stress sensitivity. We will show that there are rocks where this tensor of stress sensitivity is isotropic and can be reduced to one single scalar value. In this case and if the rocks are subjected to hydrostatic load the exponential argument D is a universal quantity for all elastic moduli and velocities. Bibliography [1] Kaselow, A. and Shapiro, S. (2003a). Application of the piezosensitivity approach: Changes of elastic moduli of isotropic and anisotropic porous rocks under isostatic load. 73th Ann. Internat. Mtg., Soc. Expl. Geophys, Expanded Abstracts. [2] Kaselow, A. and Shapiro, S. (2003b). Elastic properties of anisotropic rocks under hydrostatic load. EAGE 65th Conference & Exhibition, Exp. Abstr., Stavanger. [3] Mavko, G. and Jizba, D. (1991). Estimating grain-scale fluid effects on velocity dispersion in rocks. Geophysics, pages 1940– 1949. [4] Shapiro, S. (2003). Piezosensitivity of porous and fractured rocks. Geophysics, 68(2):482–486. [5] Shapiro, S. A. and Kaselow, A. (2003). Porosity and elastic anisotropy of rocks under tectonic stresses and pore pressure changes. submitted to Geophysics. Symposium Gesteinsphysik 25 S1F – Do.,11.3.,11:30-11:50 Uhr · H0112 Poelchau, M., Nover, G., von der Gönna, J. (Bonn) Relationship between electrical and hydraulic properties of reservoir rocks E-Mail: [email protected] Flow of fluid phases through a network of pores is controlled by the geometry of the pores, aspect ratio, the degree of interconnection of the pore system and the pressure gradient acting as a driving force. From percolation theory it is known that a certain threshhold value must be exceeded to allow flow, this means that flow starts when formerly isolated pores become interconnected. The transport capacity of the network thus depends on the geometry of the pores, petrological parameters like grain size distribution, rock fabric and texture, metamorphic overprint, as well as on external forces like pressure or stress. Therefore we have studied pressure induced changes in pore geometry on plug samples from the Schleswig Z1, Glückstadt T1, Oldenbüttel and Fehmarn Z1 drilling and samples from the Lingen area. The extraction depth ranged roughly from 2400 m down to more than 5300 m. The plug samples were drilled with respect to foliation and lineation in order to get an estimate of the anisotropy, where the foliation forms the XY-plane with X being the lineation and Z perpendicular to the XY-plane. Matrix densities were measured on vacuum dry plug samples using a gaspycnometer .Densities range from 2.6 up to 2.95 g/cm3.Porosities were measured using the Archimedian technique and volumetric measurements, data range from 10.6 vol An instationary pressure gradient technique was used to measure the permeability of plug samples. Results of the pressure dependence and of the direction dependence (anisotropy) of the permeability are shown in Figure 1. Figure 2: Pressur dependence of permeabilFigure 1: Pressure dependence of permeabil- ity versus pressure dependence of the complex ity electrical conductivity 26 Abstracts The samples exhibited different pressure dependencies Differences in permeabilities in axial and radial directions exceeded more than one order in magnitude. Electrical conductivity measurements were performed on plug samples that were evacuated and back-saturated with a 1 M-NaCl solution. Pressure experiments were performed under drained conditions allowing excess pore fluid to be stored in the porous electrode. For each step in pressure the complex impedance (impedance is the reciprocal of the conductivity) was measured in the frequency range of 800 Hz up to 1 MHz. An anisotropy of the bulk resistance was measured on radial and axial oriented samples. Differences in resistance exceed more than 1.5 orders in magnitude. These data confirm the results of the porosity and permeability measurements where a high transmissivity in horizontal and a low transmissivity in vertical orientation was detected. Thus the pressure dependence of permeability and electrical resistance both are more significant in radial than in axial orientation. As a consequence of this more specific informations on pressure induced pore geometry changes could be obtained by measuring the frequency dispersion of the electrical conductivity. This technique is a very sensitive tool for the detection of changes in pore geometry Fig.2. Consequently, the complex electrical response of a rock sample reflects both, changes in pore geometry that mainly control variations of bulk properties, whereas surface conductivity is caused by the mineralogical composition of the rocks which cause electrochemical interactions between the pore electrolyte and the solid mineral matrix. Roughly below a threshhold value of 5-7 frequency dispersion as a tool to distinguish between bulk and surface related transport processes and to correlate permeability/porosity and electrical properties. The geological history of a sample, sedimentation conditions and metamorphic overprint are preserved in rock fabric elements that can cause anisotropic behaviour. The observed anisotropies in permeability and bulk electrical properties and the decrease of these two quantities as a function of pressure thus were correlated and allowed to derive a relation between e.g. electrical model parameters and BET-surface. This opens a more detailed view on those parameters that are respeonsible for transport properties of porous and less porous rocks. Symposium Gesteinsphysik 27 S1G – Do.,11.3.,11:50-12:10 Uhr · H0112 Song, I. (Ruhr-Universität Bochum), Grafchikov, A. (Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka), Renner, J. (Ruhr-Universität Bochum) An experimental investigation into the correlations between transport properties of sandstones E-Mail: [email protected] We measured ultrasonic velocities, electrical conductivities, hydraulic permeability and specific storage for two sandstones: Pf"alzer sandstone and Fontainebleau sandstone. The available blocks yield a range in porosity from about 3 to 20%. A significant difference between connected and total porosity could not be resolved using saturation and geometrical density measurements Electrical conductivity was measured on as-is, oven-dry, and water-saturated samples with an impedance spectrometer. Hydraulic parameters (permeability k and specific storage capacity Ss ) were determined from steady state, transient and oscillatory tests. In particular, we applied a recently presented linear flow injection method [Song et al., 2003, JGR, in press]. For constant pressurization rate d p/dt, a steady state solu- tion emerges that relates hydraulic properties of the sample to experimental conditions as Ss = Q − (Su + Sd )d p/dt AL · d p/dt and Q − (Su − Sd )d p/dt k = µL 2AΔP where Q denotes the injection rate; L and A are the length and the cross-sectional area of the sample; Su and Sd are the storage capacities of the upstream and downstream reservoirs; µ is the dynamic viscosity of the fluid, respectively. Pf"alzer sandstone exhibiting an open porosity of 18.6±0.5% was cored in three Figure 1: Ultrasonic velocity (filled squares) Figure 2: Resistivity (filled squares) and perand specific storage capacity (open circles) of meability (open circles) of investigated sandinvestigated sandstone samples. stone samples. 28 Abstracts mutually perpendicular orientations. The ultrasonic velocity appears anisotropic (Fig. 1), though the rock does not show an obvious bedding. In contrast, a fairly constant electrical conductivity of 250 ωm was determined for saturated samples (Fig. 2) while permeability varies by a factor of 2 for cores in different directions without a significant dependence on effective pressures in the investigated range up to 200 MPa. Fontainebleau sandstone is a homogeneous rock composed of almost 100% quartz. The grains are well sorted with a grain size of about 200 µm. The connected porosity of our samples varies from 4 to 12%. Ultrasonic velocities do not show a simple correlation with porosity indicating that both pores and microcracks are present. The resistivity of saturated samples ranges between 300 and 7000 ωm and correlates inversely with the connected porosity. The specific storage capacity is governed by porosity but hardly depends on the effective pressure up to 200 MPa. The effect of effective pressure on permeability increases with decreasing porosity. We discuss the relation between the macroscopic properties of samples and microstructural descriptions based on quantitative analysis of images gained from scanning electron microscopy of polished sample surfaces. Furthermore, flaws/joints of known size and geometry are introduced into samples to constrain how different scales of heterogeneity affect the transport properties. Symposium Gesteinsphysik 29 S1H – Do.,11.3.,12:10-12:30 Uhr · H0112 Spangenberg, E. (GFZ Potsdam), Kulenkampff, J. (Gfz Potsdam) The influence of gas hydrate content on the electrical properties of porous sediments E-Mail: [email protected] The geophysical investigation of gas hydrate accumulations within marine sediments and the sediments of permafrost regions suffer from a lack of information on the influence of the hydrate content on the physical sediment properties. The estimation of the hydrate content using downhole electrical measurements based on Archie’s Law requires the knowledge of the saturation exponent. The saturation exponent is an empirical parameter that includes influences from the internal rock structure such as pore shape, connectivity and constrictivity of the pore network, and the distribution of the conducting phase. Based on different models that account for the different morphological forms of gas hydrates found during gas hydrate sampling in various research wells, the influence of gas hydrate content on the electrical properties of the hydrate bearing sediment was investigated. For all studied forms of hydrate occurrence, disseminated in the pore space, nodular, and layered, the saturation exponent depends on the sediment properties and on saturation itself. The growth of three dimensional structure as gas hydrate nodules and lenses is modeled by the grows of a sphere within a porous matrix. A simple sheet model is assumed to describe the influence of hydrate layers in porous sediments. The growth of these structures is a process that is assumed to result in the displacement and compaction of the surrounding sediment. Because of this change of sediment properties during hydrate generation, the saturation exponent for these forms of hydrate occurrence depends strongly on the relation- ship between porosity and formation resistivity factor, expressed in the form of Archie’s cementation exponent. For the case that hydrate occurs disseminated in the pore space and the assumption that capillary effects are important for hydrate generation, the saturation exponent depends on grain size and grain size sorting. For the parameters chosen for these model calculations, the saturation exponent varies between 0.5 and 4. The use of a constant mean value for the saturation exponent of approximately 2 can result in both underestimation and overestimation of the hydrate content. To prove this theory a experimental set up was developed to generate hydrate within a porous sediment and measure the physical sediment properties as a function of hydrate content. Because the modeling for disseminated hydrate is based on a sphere pack model, glass beads are used as host sediment in the experiment. The experimental data confirm that the saturation exponent is a function of saturation itself and varies for the used grain size between 1.3 and 3.5. The theoretical model of gas hydrate growing in the voids of a framework of water wetted spherical grains shows a similar dependence between the hydrate content and the saturation exponent. This agreement between the theoretical model and the experimental observation confirms also that the hydrate grows in the pore space apart from the grain surfaces and does not act as a cement between the grains. 30 Abstracts S1I – Do.,11.3.,15:00-15:20 Uhr · H0112 Kulenkampff, J., Spangenberg, E. (Geoforschungszentrum Potsdam), Flovenz, O.G. (Iceland GeoSurvey, Reykjavik) Gesteinsphysikalische Eigenschaften bei hohen Temperaturen von Gesteinen aus Geothermiebohrungen in Island E-Mail: [email protected] Die Bedingungen für die Gewinnung geothermischer Energie sind in Island natürlich besonders günstig, weil dort fast überall geeignete Reservoire vorhanden sind. Insbesondere läßt sich die Energie aus den Hochtemperatur(H.T.)-Feldern, die sich mit Temperaturen von 200°C - 340°C in 1-2 km Tiefe längs der Riftzone erstrecken, besonders effektiv nutzen. Im Rahmen des Iceland Deep Drilling Projects (IDDP) sollen dort ab dem nächsten Jahr sogar möglichst Bereiche mit überkritischen Fluiden bis zu 600° C erbohrt werden. Die H.T.-Felder weisen in TEMSondierungen Anomalien in einer insgesamt hochresistiven basaltischen Umgebung auf, die den Isothermen folgen, nämlich einen leitfähigen Top über einem Kernbereich mit etwas höherem spezifischen Widerstand. Die Fluide sind gewöhnlich gering mineralisiert so dass die Anomalie nicht auf eine hohe Fluidleitfähigkeit zurückgeführt werden kann. Über die gesteinsphysikalischen Eigenschaften von fluidgesättigten Gesteinen bei derartig hohen Temperaturen ist bisher wenig bekannt. Dagegen wurden üblicherweise die Einzelkomponenten, nämlich Wasser und der trockene Mineralbestand, untersucht. Es gibt aber Überlegungen von Flovenz et al. (1985) und von Arnason et al. (2000) zur Ursache der Leitfähigkeitsanomalien, die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten berücksichtigen: Es muss in Betracht gezogen werden, dass sich in den alternden Laven Tonminerale bilden, die dazu führen, dass nicht die elektro- lytische Fluidleitfähigkeit, sondern die Grenzflächenleitfähigkeit dominiert. Sie hängt kaum von der Porosität und Fluidleitfähigkeit, dagegen entscheidend von der spezifischen inneren Oberfläche der Gesteine ab. Im Topbereich der H.T.-Zone könnte somit die große innere Oberfläche von Smectiten eine hohe Leitfähigkeit bewirken. Bei etwa 230°C werden die Smectite instabil und wandeln sich in Tonminerale mit geringerer innerer Oberfläche um. Hierdurch wird die geringere Leitfähigkeit im Kernbereich erklärt. Über das Verhalten der Grenzflächenleitfähigkeit bei derartig hohen Temperaturen und entsprechendem Druck, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten, ist bisher nichts bekannt. Theoretische Überlegungen und Laboruntersuchungen bei Atmosphärendruck weisen darauf hin, dass die Temperaturabhängigkeit der Grenzflächenleitfähigkeit erheblich stärker ist als die der Elektrolytleitfähigkeit (Revil et al., 2002). Aufgrund der Vielzahl möglicherweise temperaturabhängiger Einflussgrößen (Ionenbeweglichkeit in der Nähe der Grenzfläche, Oberflächenpotenzial und Ladungsdichte auf der Oberfläche, Dicke der elektrischen Doppelschicht) ist eine theoretische Vorhersage für einen großen Temperaturbereich allerdings fragwürdig. Es gelang nun, elektrische und akustische Parameter an flüssigkeitsgesättigten Gesteinen aus isländischen Geothermiebohrungen bis zu Temperaturen von 250°C im Labor zu messen und diese Temperaturen über einen Zeitraum von Symposium Gesteinsphysik mehreren Tagen zu halten, um eventuelle Alterationsprozesse verfolgen zu können. Es handelt sich um alterierte Basalte und Hyaloklastite aus in situ Temperaturbereichen von 140°250°C. Für die Untersuchungen hat sich das Field Laboratory Experimental Core Analysis System (FLECAS) (Kulenkampff, J. und Spangenberg, E., 2004) bewährt. Es wurde mit temperaturfesten elektrische Durchführungen und Isolierungen ausgestattet. Außerdem wurde die Systeme zur Kontrolle des Poren- und Überlagerungsdruckes angepasst, um die thermische Expansion der Fluide ausgleichen zu können. In der Tat zeigte sich, dass die Gesteinsleitfähigkeit eine lineare und deutlich stärkere Temperaturabhängigkeit aufweist als das Porenwasser. Außerdem gibt es aus Wiederholungsmessungen Hinweise auf irreversible Probenveränderungen durch hohe Temperaturen, die den im Feld gefundenen Leitfähigkeitsänderungen entsprechen. Für die Interpretation reicht es allerdings nicht aus, die elektrischen Parameter allein zu betrachten. Es wurde nämlich gefunden, dass sich die Schallgeschwindigkeit proportional zum spezifischen elektrischen Widerstand verhält. Dies weist darauf hin, dass während der Erhitzung möglicherweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Komponenten Mikrorisse im Gesteinsverband entstehen, die ebenfalls zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit beitragen könnten. Die einfach zu beschreibende Temperaturabhängigkeit verbirgt also ein komplexes physikalisches Geschehen während der Temperaturerhöhung. Ein besseres Verständnis dieser Vorgänge und eine ausreichende Datenbasis von Labormessungen sind wesentliche Voraussetzungen für Bohrprojekte in H.T.-Zonen, weil ohne 31 Kenntnis der Temperaturabhängigkeiten von messbaren Parametern und ihrer Ursachen aus Bohrlochmessungen im gekühlten Bohrloch nicht einmal die Eigenschaften unter ungestörten Bedingungen abgeleitet werden können. Arnason, K., Karlsdottir, R., Eysteinsson, H., Flovenz, O.G., Gudlausgsson S.T. (2000): The resistivity structure of hightemperature geothermal systems in Iceland. Proceeding World Geothermal Congress, Kyushu-Tohoku, Japan, 923-928 Flovenz, O.G., Georgsson, L.S., Arnasson, K. (1985): Resistivity structure of the upper crust in Iceland. J. Geoph. Res., 90, 1013610150. Kulenkampff, J., and Spangenberg, E. (2004): Physical properties under simulated in situ conditions of gas hydrate bearing sediments from the Mallik 5L-38 research well. To be published: Scientific Results from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 5L-38 Gas Hydrate Research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada, (ed.) S.R. Dallimore and T.S. Collett; Geological Survey of Canada, Bulletin. Revil, A., Hermitte, D., Spangenberg, E., Cocheme, J.J. (2002): Electrical properties of zeolitized volcaniclastic materials. J. Geoph. Res., 107, B8, 10.1029 Webseite: http://www.gfzpotsdam.de/pb5/pb52/welcome.html 32 Abstracts S1J – Do.,11.3.,15:20-15:40 Uhr · H0112 Mayr, S., Burkhardt, H. (Fachgebiet Angewandte Geophysik, TU Berlin), Popov, Yu., Romushkevich, R., Bayuk, I. (Moscow State Geological Prospecting University) Interpretation physikalischer Messungen an Gesteinen der Yaxcopoil-1 Bohrung E-Mail: [email protected] Der als Meteroiten-Einschlag-Krater gedeutete Chicxulub-Krater auf der mexikanischen Yukatan-Halbinsel wird im Zusammenhang mit dem Extinktionsereignis an der Grenze Kreide Tertiär vor 65 Mio. Jahre diskutiert. Umfangreiche geophysikalische Feldmessungen wie Gravimetrie, Seismik und Magnetik sowie mehrere Bohrungen ergaben erste Ergebnisse zur Struktur des Kraters. Auf dieser Grundlage wurde 2001/2002 die Forschungsbohrung Yaxcopoil-1 im Rahmen des International Continental Scientific Drilling Projects (ICDP) bis zu einer Tiefe von 1511 m abgeteuft. Die Bohrung ist ab 400 m vollständig gekernt, der Impaktbereich wurde zwischen 794 m und 894 m erbohrt. Mit dieser Bohrung sollen verschiedene Fragen geklärt werden: Altersdatierung des Impakts, Aufbau der einzelnen Schichten, Einfluß des Impakts auf die gesteinsphysikalischen Parameter und mineralogische Zusammensetzung der Gesteine. In der Bohrung wurden von der Universität Karlsruhe (TH) auch Messungen der in situ Temperatur durchgeführt. Im Rahmen des hier vorgestellten Teilprojekts werden verschiedene thermische Parameter, Porosität, Dichte ebenso wie seismische, elektrische und hydraulische Eigenschaften an Gesteinsproben bestimmt. Weiter soll aus den Ergebnissen die innere Struktur der Gesteine abgeleitet werden. Die Messungen und Auswertungen mussten aufgrund von logistischen Problemen in zwei Arbeitsschritten erfolgen: Zunächst wurde anhand von Kalksteinen des Post-Impakt-Bereiches das prinzipielle Vorgehen erarbeitet. Im weiteren Verlauf wird dieses auf den darunterliegenden Bereich angewendet. Hierbei handelt es sich im direkten Impakt-Bereich um Suevit sowie Brekzien und im Bereich unterhalb von 900 m um Kalksteine, Anhydrit, Dolomit, Calcarenit sowie auch Suevit und Brekzien. Mit einem Sampling Interval von ca. 22.5 m wurden an vakuumtrockenen und wassergesättigten Proben Labormessungen der thermophysikalischen Parameter (Wärmeleitfähigkeit λ, Anisotropie K, Inhomogenität β, Wärmekapazität Cρ , Temperaturleitfähigkeit a) sowie von Dichte ρ und Porosität Φ durchgeführt (Moskau). An einer repräsentativen Auswahl der Proben (ca. 10%) wurden und werden weitere petrophysikalische Messungen durchgeführt (Berlin). Diese Messungen umfassen die P- und SWellengeschwindigkeiten v p und vs , den elektrischen Formationswiderstandsfaktor F, die innere Oberfläche S, die NMR-Relaxationszeit T2 und die hydraulische Permeabilität k. Für die bisher untersuchten Kalksteine aus dem Bereich zwischen 400 und 670 m wurden große Variationen aller Parameter festgestellt: die Porositäten variieren zwischen 1% und 37%, die Wärmeleitfähigkeiten im vollgesättigten Gestein zwischen 1.57 und 2.73 W /(m · K), die P-Wellengeschwindigkeiten zwischen 2.6 und 5.6 km/s. Eine überwiegend gute Korrelation aller Parameter mit der Porosität konnte festgestellt werden. Dies wird auf die konstante mineralogische Zusammensetzung der marinen Kalksteine (Feinkörnige kalziti- Symposium Gesteinsphysik sche Matrix mit zum Teil gesteinsbildenden Foraminiferen, einzelne Bereiche sind verkieselt) zurückgeführt. Die wenigen Ausnahmen können durch Unterschiede in der Struktur der Gesteinsmatrix in unterschiedlichen Skalenbereichen erklärt werden. Aufgrund der allgemein guten Korrelation beider Größen mit der Porosität wurden die Geschwindigkeiten v p und vs aus den dicht gemessenen Wärmeleitfähigkeiten λ für vollgesättigtes Gestein abgeschätzt. Weiter wurde als Vorbereitung der Interpretation des Temperaturfeldes die Permeabilität k aus der inneren Oberfläche S und dem Formationswiderstandsfaktor F mit Hilfe des PaRiS-Modelles abgeschätzt und mit Messungen sowie Abschätzungen aus der NMR-Relaxationszeit verglichen. Das PaRiS-Modell von Pape, Rieper und Schopper beruht auf einem fraktalen Modell der Gesteinsoberfläche. Generell ergibt sich eine gute Übereinstimmung, lediglich bei stark anisotropen Proben liegt die senkrecht zur Schichtung gemessene GasPermeabilität unter den abgeschätzten Werten. Die Korrelation zwischen den mit Hilfe des PaRiS-Modells berechneten Permeabilitäten k(S, F) und den gemessenen Wärmeleitfähigkeiten liefert eine Möglichkeit, k aus den dicht gemessenen Wärmeleitfähigkeiten abzuschätzen. Unter Zugrundelegung des PaRiSModells wurde k(S(Φ), F(Φ)) auch direkt aus der Porosität abgeschätzt. Mit den Ergebnissen wurden als Grundlage für die Modellierung geophysikalischer Messungen (z.B. Temperaturmessungen, Seismik, Gravimetrie) Logs der gemessenen und abgeschätzten Parameter zusammengestellt. 33 34 Abstracts S1K – Do.,11.3.,15:40-16:00 Uhr · H0112 Müller, M., Yaramanci, U. (TU Berlin) Ableitung wichtiger Strukturparameter aus der Kombination von SIP und NMR E-Mail: [email protected] Nuklear Magnetische Resonanz (Kernspinresonanz, NMR) ist ein petrophysikalisches Verfahren zur Bestimmung von Gesteins- und Fluidparametern, das als einzige Methode in der Lage ist, Wasser (1 H-Protonen) im Untergrund bzw. in Probenmaterial direkt nachzuweisen. Folgende Parameter können mit NMR bestimmt werden: der Wassergehalt, die Porosität, die Verteilung des Porenraumes/spezifische innere Oberfläche, die Permeabilität, die Haftwasseranteile, die Anteile von Gas, Wasser und Öl (Fluidart), sowie Strömungsvorgänge (Transporteffekte) von Fluiden. NMR wird in der Geophysik bisher überwiegend bei Bohrlochmessungen in der Ölund Gas-Erkundung eingesetzt. Deshalb behandeln die meisten Veröffentlichungen mit Laboruntersuchungen kompakte Speichergesteine. In den letzten Jahren hat die Oberflächen NMR (auch Surface-NMR oder Magnetic Resonance Sounding, MRS) für hydrogeophysikalische Anwendungen an Bedeutung gewonnen. Um die dabei gewonnenen Daten in Aquifermodelle und Strukturparameter übersetzen zu können, werden zunehmend die NMR-Eigenschaften von Lockersedimenten untersucht. Bestehende Schwierigkeiten bei der Interpretation von Oberflächen NMR (SNMR) Daten wie die Bestimmung der mittleren Porenradien oder die Ableitung der hydraulischen Leitfähigkeiten haben uns zu einem ausführlichen Laborprogramm an Lockergesteinen motiviert. Die zentrale Frage dabei ist ob und wie Labor-NMR und Felddaten (SNMR) 1:1 übertragen werden können? Um eine Korrelation zwischen an der Oberfläche gemessenen Resistivitäten und den tatsächlichen im Boden vorhandenen Resistivitäten und Strukturparametern - wie z.B. Bodenfeuchte bzw. Wassergehalt oder innere Oberfläche - zu ermöglichen bzw. eine Kalibration der Oberflächenmessungen durchzuführen, wurde eine ursprünglich für DC Geoelektrik konzipierte Rammsonde (direct push) für SIP Messungen umgerüstet. Darüber hinaus können mit dem Einsatz dieses Systems (punktuell) höhere parametrische und räumliche Auflösung erreicht werden, als es durch konventionelle Messungen von der Oberfläche aus möglich ist. An Standorten in Berlin wurden dazu SIP Messungen über einen Frequenzbereich von 700 mHz – 12 kHz durchgeführt. Für einen direkten Vergleich der SIP Messungen mit NMR Laboruntersuchungen wurden an ausgesuchten Lokationen zusätzlich Kerne (Liner) gezogen. Der an dieser Lokation etwa zeitgleich gezogene Kern wurde nach der Entnahme im Labor mit NMR untersucht. Die Amplitude des NMR Signals steht in direktem Zusammenhang zum Wassergehalt. Das Abklingverhalten (Abklingkonstante) kann korreliert werden mit dem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des analysierten Materials. Abb. 1 zeigt den Vergleich zwischen mittels SIP-Rammsonde ermittelten scheinbaren spezifischen Widerständen und mittels NMR bestimmter volumetrischer Wassergehalte, sowie den Vergleich zwischen Phasenverschiebung bei der SIP-Rammsondenmessung und den Abklingzeiten des NMR-Signals. Symposium Gesteinsphysik 35 Abbildung 1: Vergleich zwischen scheinbaren spezifischen Widerständen (bei 1 Hz, mittig inks) und mittels NMR bestimmter volumetrischer Wassergehalte (aus T2, links) über die Tiefe, sowie den Vergleich zwischen Phasenverschiebung bei der SIP-Rammsondenmessung (bei 1 Hz, mittig rechts) und den Abklingzeiten des NMR-Signals (aus T2, rechts). Die Resistivitäten sind in drei Schichten strukturiert. Die aus NMR Messungen abgeleiteten volumetrischen Wassergehalte (links) zeigen ein Minimum von 10 % in einer Tiefe von 0,7 m, welches gut mit dem Maximum der SIP Resistiviten korreliert (Abb. 1). Für oberflächennahe Bereiche nimmt diese Korrelation jedoch ab, vermutlich bedingt durch Austrocknung in diesem Bereich nach der Probennahme bzw. Lagerungsbedingte Versickerungserscheinungen. Die Phasen zeigen ebenfalls eine drei Schicht Struktur mit Schichtgrenzen bei 0,5 m und 1,3 m Tiefe. Die Zunahme der NMR Abklingzeiten (rechts) korrespondiert mit einer Abnahme der SIP Phasen als Funktion der Tiefe, z.B. der Verlauf der Phase von 1° in 0,3 m Tiefe bis zu 0,05° in 1 m Tiefe (mittig rechts). Sowohl große Phasen als auch kleine Abklingzeiten stehen im Zusammenhang zu kleinen Poren bzw. tonigem material. Kleine Phasen und große Abklingzeiten wiederum sind korreliert mit mobilem Porenfluid, z.B. Wasser in großen Poren. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bemerkenswert, dass dieser Effekt scheinbar unabhängig vom Wassergehalt des Materials zu beobachten ist. 36 Abstracts S1L – Do.,11.3.,16:20-16:40 Uhr · H0112 Messar, M., Renner, J. (RUB) Hydraulische Intereferenztests mit oszillatorischer Anregung E-Mail: [email protected] Es wurden hydraulische Tests in drei Bohrungen im Ruhrsandstein mit Tiefen zwischen 20 und 30 m durchgeführt, um die Anwendbarkeit von oszillatorischen Anregungen zu untersuchen. Die nur auf den ersten drei Metern verrohrten Bohrungen bilden ein Dreieck mit Kantenlängen zwischen 20 und 40m. Die oszillatorische Anregung wurde durch systematische Abfolgen von Abpump-,Ruheund Zuschlagsphasen erreicht (siehe Abbildung). Die beobachteten Druckverläufe wurden mittels Fourier-Analyse ausgewertet. Auf der Grundlage stationärer, harmonischer Lösungen der Diffusionsgleichung für eindimensionales oder radiales Fließen können aus den beobachteten Dämpfungen und Phasenverschiebungen hydraulische Parameter abgeleitet werden. Während im Falle von ein- Abbildung 1: Beispiel einer oszillatorischen Änderung des Drucks in einer der drei Bohrungen mit einer Periode von etwa 600 s und einer Amplitude von etwa 100 mbar (0.01 MPa) und die Druckantwort in den beiden Beobachtungsbohrungen. dimensionalem Fließen sowohl Permeabilität als auch spezifische Speicherkapazität erhalten werden können, ist für radiales Fließen nur die hydraulische Diffusivität bestimmbar, solange man sich auf Druckbeobachtungen beschränkt. Werden hingegen auch die Flussraten in der Anregungsbohrung zur Auswertung mit herangezogen, können auch für radiales Fließen beide hydraulischen Parameter ermittelt werden. Ein Vergleich mit konventionellen Pumptests ergab eine gute Übereinstimmung der bestimmten hydraulischen Parameter. Bei Benutzung von Fließraten- und Druckaufzeichnungen ist die Anwendung oszillatorischer Anregung nicht auf Interferenzmessungen beschränkt. In einzelnen Bohrungen können unterschiedliche räumliche Bereiche getestet werden, da mit unterschiedlichen Frequenzen eine gezielte Variation der Eindringtiefe vorgenommen werden kann. Hydraulische Parameter, die aus Oszillationstest ermittelt werden, stellen eine gute Möglichkeit dar, den Frequenzbereich zwischen Wasserspiegelschwankungen auf Grund natürlicher langperiodischer (Luftdruckschwankungen, Gezeiten etc.) und kurzperiodischer (elastische Wellen) Anregungen zu überbrücken. Die Beschränkung auf bestimmte Untersuchungsfrequenzen hat ferner dort Anwendungen, wo während gleichzeitiger Operationen in mehreren Bohrlöchern in einem Untersuchungsfeld komplexe transiente Druckänderungen auftreten, die die Auswertung konventioneller Tests nahezu unmöglich machen. Symposium Gesteinsphysik 37 S1M – Do.,11.3.,16:40-17:00 Uhr · H0112 Nover, G. (Bonn), Stoll, J. (Stuhr), von der Gönna, J. (Bonn) Promotion of graphite formation by tectonic stress - A laboratory experiment E-Mail: [email protected] Graphitisation of less ordered hexagonal carbon was studied under in-situ pressure and temperature conditions on anthracite, black shale and a synthetic calcite/anthracite mixture at upper greenschist facies conditions. Anthracite exhibited a continuous loss of volatiles in the temperature range from 100° C up to 850° C (9.9 weight percent at 450° C) as detected by Differential-Thermo- Analysis (DTA) and Thermo-Gravimetry (TG). Energy dispersive X-ray diffraction (EDX) revealed a broad amorphous 002 graphite reflection while after p,T-treatment nearly perfect crystallised graphitic carbon was detected. The electrical conductivity was measured at the same time in the frequency range from 0.7 up to 100 kHz. As a function of time the bulk resistivity was decreased by about three orders in magnitude at constant pressure and temperature conditions (0.7 GPa, 450° C), while the complex response exhibited a continuous decrease of the imaginary part of the impedance. Quasi-metallic conduction now dominates the charge transport. Application of pressure, strain, temperature and time caused an increase in ordering and the degree of interconnection of the formerly randomly oriented carbon sheets. The experimental results are an approach towards the explaination of the abundant occurence of crystalline graphite observed in overthrusts and nappe structures, which are distinguished by high conductivity structures. In Figure 1 we have plotted the real part of the impedance as a function of time. When pressure was applied the sample was Figure 1: Compilation of the Variations of the impedances of two anthracite experiments as a function of time: The strain experiment exhibits a more significant decrease of the impedance in comparison with the stress experiment. This result shows the significant influence of strain on graphitisation and interconnection of the BSU’s. consolidated by sintering and loss of intergranular pore space. Afterwards a constant strain rate acted on the sample. It was calculated to be approximately 6x10-7 s-1 for times >30 h using the geometric changes measured on the recovered sample. The impedance decreased as a function of time from approximately 230 ohm*m down to 0.36 ohm*m. For comparison we have included the decrease of the impedance from the stress experiment. One can see that the impedances at the start- 38 Abstracts ing point are nearly identical, but application of strain reduces the impedance much stronger than a simple stress experiment. At a reaction time of about 200 hours impedances differ by about 1.5 orders in magnitude. Symposium Gesteinsphysik 39 S1N – Do.,11.3.,17:00-17:20 Uhr · H0112 Milsch, H. H., Scholz, C. H. (Palisades, LDEO) Cataclastic Flow and Dehydration Induced Fault-Slip in Gypsum: Implications for the Faulting Process at Intermediate Depth E-Mail: [email protected] Introduction: The mechanical effect of dehydration reactions has been suggested as one of the deep earthquake inducing processes: The released fluid reduces the effective pressure so that rocks initially deforming in their ductile field could embrittle and fail. In addition, it has been suggested that intermediate depth earthquakes could occur on reactivated preexisting faults that were created at shallow depth. Fluids released by dehydration of serpentinized rocks within the fault plane could build up pressures that act against the fault normal stress eventually promoting localized unstable slip. This process appears to be very attractive, because it could operate at far lower deviatoric stresses than required for brittle failure. The aim of this study was to experimentally investigate these aspects using dehydrating gypsum as a rock analog. We emphasized the occurence of stress drops which are a diagnostic feature for brittle behavior and instabilities. Experimental Procedure: To test dehydration embrittlement we performed constant strain rate tests on cylindrical samples of finegrained natural gypsum under both hydrous and dehydrating conditions. Both initially dry and wet samples were used and the experiments were performed drained and undrained. The maximum confining pressure and temperature were 50 MPa and 150 °C, respectively and the strain rate was varied between 1.5 · 10−6 to 1.5 · 10−5 s−1 . To investigate fault activation we performed conventional triaxial friction experiments on samples having saw- cut and surface-ground fault planes inclined by 37.5° to the vertical. At room temperature dry and wet samples were either strained up to 10 % at constant axial strain rates cycling the confining pressure, or statically loaded varying the pore pressure. Argon and water were used as pore fluids for dry and wet samples, respectively. At dehydrating conditions undrained static load experiments were performed on initially dry, both un- and prestrained samples. Results: At room temperature unjacketed dry rock samples showed strain weakening with stick-slip like stress drops. The specimens were shear fractured and cohesion was fully lost. Confined dry samples yielded at significantly higher stresses. The flow stress was to a first order independent of strain rate and remained nearly constant for a specific run. Again, stress drops were superposed on the stress-strain curve. The samples were barrel shaped and shear fractured and lost cohesion after unjacketing. Stress drops were not observed when the specimens were deformed wet. Again, the samples only weakened unconfined. The samples were barrel shaped and did not lose cohesion. The maximum yield strength decreased from around 70 MPa at 50 MPa effective pressure to 25 MPa at 0.1 MPa. A second series of tests was performed above the dehydration temperature. Initially dry and wet samples were strained beyond the yield point before heating. Dehydration started at around 100 °C and all samples weakened drastically but sudden stress drops were not ob- 40 Abstracts served. The remaining strength was only approximately 20 MPa. All samples were barrel shaped and did not lose cohesion. At constant strain rate the loading block samples showed stick-slip only up to 10 MPa (dry) and 15 MPa (wet) confining pressure. At higher pressures the faults locked and deformation occurred through bulk cataclasis as if the samples were intact. A locked fault could not be reactivated by lowering the confining pressure. Instead, a secondary fault formed at approximately 30° to the vertical (dry) or bulk deformation continued (wet). At static load conditions the onset of stress drops occured below 10 MPa and 15 MPa effective pressure for undeformed dry and wet samples respectively, in agreement with Terzaghis principle. The dehydration experiments showed, that once dehydration started both undeformed and predeformed samples weakened drastically. Only the former specimens showed stress drops, stick slip upon subsequent straining and a visible offset of the two loading blocks. The predeformed samples did not show any secondary fault development in agreement with the tests performed at room temperature on wet samples. Discussion: Unconfined dry hydrous gypsum rock samples deformed on localized cataclastic shear bands that gave rise to a shear fracture. The stress-strain curve clearly indicates brittle behavior. Barrel shape of confined samples indicates bulk cataclasis in addition to localized stick slip. No weakening was observed until the samples were fully unconfined. In contrast, wet hydrous gypsum deformed nearly ideally ductile. The stick slip feature was not observed suggesting cataclastic deformation throughout the samples. As soon as dehydration starts and fluid is released the specimens weakened drastically. The flow stress relaxed ductile. No brittle features like stress drops or shear fractures were observed. In addition, weakening seemed to be independent of drainage. This suggests that the samples, when dehydrating, have very low permeability. The transition from fault slip to cataclastic flow in loading block samples is interpreted as the point where the shear stress necessary for frictional sliding becomes larger than the shear stress that corresponds to the yield strength of the samples. The inability to reactivate locked faults is interpreted to mean that such faults have become welded at high normal stress, increasing their slip resistance. Wetting of the samples, either artificially or by dehydration, does not inhibit unstable slip on the preexisting fault plane but it seems to promote ductile behavior once that fault has become welded. That explaines why one only observes secondary fault development for dry specimens. Conclusions: It could be shown that dehydrating gypsum is an excellent analog material for studies on reaction induced weakening effects. The presence of water seemed to ductilize the gypsum rock samples. The lack of brittle features in the experiments therefore clearly shows that gypsum does not seem to be usefull for studies in the context of dehydration related embrittlement. Our results also demonstrate that dehydration induced unstable slip on preexisting faults is indeed possible. Although some of the observations might be particular to gypsum they also indicate that strong mechanical locking of the fault may continue to promote ductile flow unless new, more favourably oriented faults are formed either by leaking of fluid into the surrounding rock or a new, yet unknown process. S2 Symposium Hydrogeophysik 42 Abstracts S2A – Di.,09.3.,09:30-10:10 Uhr · H0112 Sauter, W. (Universität Göttingen) Geophysik und Hydrogeologie - Synergien und Potential E-Mail: [email protected] Die Erkundung von Wasserressourcen, sowie die Prognose des Stofftransports im Grundwasser zur Beurteilung der Ausbreitung von flächenhaft oder punktförmig eingetragenen Schadstoffen erfordern das Verständnis der grundlegenden Prozesse sowie die Kenntnis der Geometrie und relevanter Kenngrößen des Untergrundes. Insbesondere der oberflächennahe Bereich (< 100 m uGOK), der für die Grundwassernutzung von größter Bedeutung und am stärksten von Kontaminationen betroffen ist, ist Gegenstand für die größte Zahl an hydrogeologischen Untersuchungen. Gängige Techniken zur Charakterisierung und hydrogeologischen Beobachtung der Untergrundverhältnisse umfassen z.B. die Erstellung von Bohrlöchern, Analyse von Bohrproben auf geologische, hydrogeologische und geochemische Parameter, bohrlochhydraulische Versuche, Aufnahme von Zeitreihen des Grundwassergangs und Grundwasserqualität. Im allgemeinen sind diese Methoden einerseits sehr kostenintensiv und zeitaufwendig und andererseits beeinflussen sie das System selbst (invasive Methoden). Darüber hinaus liefern sie meist nur Punktinformationen und geben die räumliche Parameterheterogenität im Feldmaßstab nur ungenügend wider. Die Beschreibung der Heterogenität ist jedoch eine Grundvoraussetzung für die zuverlässige und belastbare Prognose der Grundwasserressourcen, Stoffausbreitung und der Auswirkung von Sanierungsmaßnahmen. Geophysikalische Methoden bieten Möglichkeiten einer schnellen, relativ kostengünstigen, nicht-invasiven hydrogeologischen Charakterisierung des Untergrundes mit einer skalenübergreifenden und volumenorientierten Aussage. Im vergangenen Jahrzehnt wurden deutliche Fortschritte in der oberflächennahen Geophysik erzielt die in der Definition einer neuen Disziplin der ,Hydrogeophysik"mündeten. Besonders die Fortschritte im Prozessverständnis, im Bereich digitaler Datenaufnahmeverfahren, sowie in der Rechentechnik, die entscheidend zur Verarbeitungseffizienz bei der Dateninversion, der Vorwärtsmodellierung und Visualisierung beitrug, brachten einen deutlichen Schub in der Anwendbarkeit und Akzeptanz geophysikalischer Methoden zur Lösung hydrogeologischer Fragestellungen. Anwendungsbereiche für hydrogeophysikalische Methoden sind z.B. die Erkundung der Grenzen von Grundwasserleitern, Lokalisierung von Störungszonen, Abschätzung von Poroperm-Parametern und deren räumliche Variabilität, räumliche Verteilung des Grundwasserspiegels, Bestimmung von zeitlich-räumlichen Variationen im Bodenwassergehalt, der Wasserqualität (z.B. Salzgehalt) sowie die Eingrenzung von Eintragsorten von Schadstoffen (Grundwasserschadensherde). Es existieren jedoch noch eine ganze Reihe von grundsätzlichen Problemen, die die Routineanwendung der verschiedenen geophysikalischen Methoden einschränken. In der Regel können auf die interessierenden hydrogeologisch relevanten Größen nur über indirekte geophysikalische Parameter geschlossen werden, wobei v.a. das Problem der Mehrdeutigkeit im Vordergrund steht. Ferner werden geophysikalische und hy- Symposium Hydrogeophysik drogeologische Daten über unterschiedliche Skalenbereiche ermittelt, die bei der Interpretation schwer in Einklang zu bringen sind. In dem Übersichtsvortrag sollen aus der Sicht eines Hydrogeologen zunächst die Erfahrungen mit dem Einsatz hydrogeophysikalischer Methoden vorgestellt und deren Möglichkeiten aufgezeigt werden. Ferner werden Bereiche in der Hydrogeologie vorgestellt in denen die Hydrogeophysik entscheidende Beiträge leisten könnte. Diese schließen ein z.B. die Identifizierung von Horizonten im Grundwasserleiter, die aktiv am Strömungsvorgang teilnehmen, sowie die zeitlich räumliche Verteilung der Grundwasserneubildung, die insbesondere relevant ist für die Abschätzung von Wasserressourcen, Hochwassergefährdung und die Vulnerabilitätsbestimmung. Das Potential eines Einsatzes von Eigenpotential- und Schweremessungen für die o.g. Fragestellungen wird zur Diskussion gestellt. 43 44 Abstracts S2B – Di.,09.3.,10:10-10:30 Uhr · H0112 Kirsch, R. (Landesamt für Natur und Umwelt Schleswig-Holstein) Geophysikalische Erkundung von Gundwassersystemen - Tiefenstruktur und Verwundbarkeit E-Mail: [email protected] Für eine nachhaltige Nutzung der Grundwasserressourcen ist es erforderlich, dass die Grundwasserleiter in ihrer Ausdehnung, Tiefenstruktur und möglichen Gefährdung durch Kontamination oder Versalzung bekannt sind. Die EG-Wasserrahmenrichtlinie sieht eine derartige Erkundung und Bestandsaufnahme nicht nur für die tatsächlich genutzten, sondern für sämtliche Grundwassersysteme vor. Die Einsatzmöglichkeiten der Geophysik in diesem Arbeitsfeld mit hoher gesellschaftlicher Relevanz sollen hier dargestellt und diskutiert werden. Dabei muss klar sein, dass wir mit geophysikalischen Verfahren ein Grundwassersystem in seiner Gesamtheit nicht erfassen können, sondern lediglich punkt- oder profilweise Aussagen zur Struktur von Grundwasserleitern oder ihren Trennschichten machen können. Diese Aussagen können aber, bei entsprechender Inter- oder Extrapolation, einen wichtigen Beitrag zur Erstellung hydrogeologischer Modelle zur Beschreibung des Grundwassersystems leisten. Grundwasserleiter und tonige Trennschichten in Quartären und Tertiären Lockersedimenten lassen sich häufig gut mit reflexionsseismischen Verfahren abbilden, sofern Bohrungen zur Ansprache der seismisch erfassten Horizonte verfügbar sind. Dieses gilt insbesondere für die hydrogeologisch bedeutsamen eiszeitlichen Rinnen, die im gesamten Norddeutschen Becken vorhanden sind (Wiederhold et al. 2002, Gabriel et al. 2003). Hierbei kann die Mikrogravimetrie oder auch die Transientenelektromagnetik (Poulsen and Christensen 1999) einen wichtigen Beitrag leisten. Ein Defizit ergibt sich allerdings beim nächsten Schritt der Erkundung von Grundwasserstrukturen: der Zuweisung von hydraulisch wichtigen Parametern wie Porosität und Permeabilität zu den geophysikalisch erfassten Horizonten. Es gibt hoffnungsvolle Ansätze, z.B. das NMR (nuclear magnetic resonance) -Verfahren. Bis zum routinemäßigen Einsatz einer geophysikalischen Permeabilitätsbestimmung ist aber noch ein weiter Weg. Ein starkes Anwendungspotential für geophysikalische Verfahren kann sich bei der Abschätzung des Schadstoffrückhaltevermögens der Grundwasserdeckschichten ergeben. Diese Deckschichten stellen einen natürlichen Schutz der oberflächennahen Grundwasserleiter vor Kontaminationen, beispielsweise durch Nitrate oder Pestizide aus der Landwirtschaft, dar. Die Ermittlung und flächenhafte Darstellung dieser Schutzfunktion (z.B. in Form von v̈ulnerability maps¨) ist eine wichtige Aufgabe für den Grundwasserschutz und wird durch die EG-Wasserrahmenrichtlinie für sämtliche Grundwasserleiter gefordert. Von den Staatlichen Geologischen Diensten der Bundesrepublik Deutschland wird ein Verfahren zur Quantifizierung der Grundwasserdeckschichten empfohlen, das auf der Kationenaustauschkapazität und der Mächtigkeit des Deckschichtmaterials beruht. (Hölting et al. 1995). Dieses Bewertungsverfahren ist an Bohrergebnisse gebunden, in Gebieten mit ausgeprägten lateralen Änderungen der geo- Symposium Hydrogeophysik logischen Verhältnisse ist eine Interpolation zwischen Bohrungen oder eine Übertragung der Ergebnisse in die Fläche schwierig. Dieses Bewertungsverfahren kann durch geophysikalische Verfahren ergänzt werden. Physikalische Grundlage hierfür ist die elektrische Leitfähigkeit des Deckschichtmaterials, die bei bindigem Material im wesentlichen durch die Kationenaustauschkapazität bestimmt wird (Sen et al. 1988). Sind die physikalischen Verhältnisse der Deckschichten bekannt, so kann aus den elektrischen Leitfähigkeiten und den Mächtigkeiten eine ïntegrierte elektrische Leitfähigkeitb̈erechnet werden, die der Gesamtschutzfunktion Sg nach Hölting et al. (1995) proportional ist (Kirsch et al. 2003). Zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes steht eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung, die insbesondere in Dänemark von der Universität Aarhus erfolgreich zur Kartierung von Grundwasserdeckschichten eingesetzt werden. Ideale Möglichkeiten zu einer großflächigen Kartierung ergeben sich durch die HubschrauberElektromagnetik. Ergebnisse einer flächenhaften Abschätzung der Schutzfunktion der Deckschichten im deutsch-dänischen Grenzgebiet auf Basis derartiger Messungen durch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe werden im Vortrag zur Diskussion gestellt. Literatur: Gabriel, G., Kirsch, R., Siemon, B. and Wiederhold, H. (2003): Geophysical investigation of buried Pleistocene subglacial valleys in Northern Germany. - Journal of Applied Geophysics, 53, 159-180 Hölting, B., Härtle, T., Hohberger, K.-H., Nachtigall, K.H., Villinger, E., Weinzierl, W. und J.-P. Wrobel (1995): Konzept zur Ermittlung der Schutzfunktion der Grundwasser- 45 überdeckung. - Geol. Jb., C 63, 5 - 24, Hannover Kirsch, R., K.-P. Sengpiel und W. Voss (2003): The use of electrical conductivity mapping in the definition of an aquifer vulnerability index. - Near Surface Geophysics, 1, 13 - 20 Poulsen, L.H. and N.B. Christensen (1999): Hydrogeophysical mapping with the transient electromagnetic sounding method. - European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 3, 201-220 Sen, P.N., P.A. Goode, and A. Sibbit (1988): Electrical conduction in clay bearing sandstones at low and high salinities. - J. Appl. Phys., 63, 4832-4840 46 Abstracts S2C – Di.,09.3.,10:30-10:50 Uhr · H0112 Tronicke, J., Holliger, K. (ETH Zürich) Quantitative Integration hydrogeophysikalischer Daten: Konditionierte stochastische Modelle zur Charakterisierung heterogener Aquifere E-Mail: [email protected] Hochauflösende geophysikalische Methoden besitzen das Potential, die Lücke bezüglich Auflösungsvermögen und Messvolumen zu schließen, die zwischen den eher traditionellen Erkundungsmethoden, wie zum Beispiel Pumptests (Auflösung ca. 10E2 bis 10E3 m) und Bohrkernanalysen/Bohrlochlogs (Auflösung ca. 10E-3 bis 10E-1 m), besteht. Als Beispiel seien die Seismik- und GeoradarTomographie genannt, die ein Abbild der physikalischen Eigenschaften zwischen Bohrungen mit einem Auflösungsvermögen im Meterbereich liefern können. Obwohl keine geophysikalische Methode es erlaubt, die interessierenden hydrologischen Parameter Porosität und Permeabilität direkt zu messen, zeigen z.B. seismische und elektromagnetische Geschwindigkeiten häufig eine Korrelation vor allem zur Porosität. Zur Generierung eines Modells des zu untersuchenden Aquifers wäre es wünschenswert, die vorhandenen geophysikalischen und hydrologischen Daten zu integrieren, d.h. ein Modell zu bilden, welches alle Daten erklärt. Die Entwicklung geeigneter Techniken für ein solche Datenintegration stellt eine der größten Herausforderungen im Bereich der Hydrogeophysik dar. Wir untersuchen das Potential konditionierter stochastischer Modellbildung mittels Simulated Annealing im Hinblick auf eine quantitative hydrogeophysikalische Datenintegration. Die gewählte Modellbildungstechnik zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, d.h. sie erlaubt uns die Kombination unterschiedlichster Daten, sowohl im Hin- blick auf die Skala als auch in Bezug auf das Beprobungsvolumen der jeweiligen Messung. Daneben können weitere a priori Informationen, wie z.B. räumliche Korrelationsmodelle, in den Modellbildungsprozess eingebaut werden. Das Potential des Ansatzes wird anhand eines synthetischen Porositätsmodells eines heterogenen sedimentären Aquifers untersucht. Auf der Basis dieses Modells wurden Porositätsmessungen (in vier Bohrungen) und tomographische Georadarmessungen (zwischen den entsprechenden Bohrungen) simuliert. Die Resultate dieser synthetischen Messungen bilden die Datenrundlage für die anschließende Generierung konditionierter stochastischer Porositätsmodelle. Diese synthetische Studie zeigt die Flexibilität und das Potential des gewählten Ansatzes. Anhand einer Vielzahl unterschiedlicher Realisationen der Porositätsverteilung wird die Wichtigkeit räumlicher geophysikalischer Parameterverteilungen (wie der Georadar-Geschwindigkeit) zur detaillierten Charakterisierung eines heterogenen Untergrundes deutlich. Webseite: http://www.aug.geophys.ethz.ch Symposium Hydrogeophysik 47 S2D – Di.,09.3.,11:10-11:30 Uhr · H0112 Kümpel, H.-J. (Hannover, GGA-Inst.) Aquiferparameter aus pumpinduzierten Deformationsfeldern der Erdoberfläche und weiteren geophysikalischen Messungen - ein integrierter Ansatz E-Mail: [email protected] Die Beobachtung pumpinduzierter Deformationen des Untergrundes ist ein neues, noch in der Entwicklung befindliches hydrogeophysikalisches Verfahren. Der Einsatz geeigneter Geräte - insbesondere Neigungsmesser - zur Erfassung solcher Signale erfolgt an der Erdoberfläche oder in Bohrlöchern geringer Tiefe. Die Neigungssignale enthalten Informationen über die Richtung von Grundwasserbewegungen und über wichtige bodenmechanische Parameter eines Aquifers. Erschließbare Merkmale von Grundwasserleitern können auch strukturelle Inhomogenitäten sein, die zu einer lateral unterschiedlichen Ausnutzung des Aquifers führen. Beobachtungen auf verschiedenen Messfeldern haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass pumpinduzierte Deformationssignale mit handelsüblichen Neigungsmessern erfassbar sind. Die Geräte müssen dazu geschützt an der Erdoberfläche oder - besser noch - in geringen Tiefen (ca. 2 bis 3 m) installiert sein (Kümpel et al., 1996; Fabian und Kümpel, 2003). Als grobe Erfahrungswerte bei einem Einsatz von Neigungsmessern mit einer Winkelauflösung von 0,1 microrad gelten: (a) Anregung durch Pumpzyklen von Stunden bis wenige Tage; (b) Förderleistung 10 cbm/h nachweisbar bis in Entfernung von ca. 50 m; (c) Förderleistung 100 cbm/h nachweisbar bis in Entfernung von ca. 300 m. Im theoretischen Verständnis pumpinduzierter Oberflächendeformationen gab es in den vergangenen Jahren substanzielle Fortschritte. Auf der Basis der Poroelastizitäts- theorie wurden neben der zuvor schon bekannten Lösung für den homogenen Vollraum eine solche für den homogenen Halbraum (Lehmann, 2001) und ein semi-analytisches Verfahren für den geschichteten Halbraum entwickelt (Wang und Kümpel, 2003); s. Abb. 1. Ursache der erzeugten Deformationsfelder sind jeweils die sich in der Umgebung eines Förderbrunnens ausbildenden Porendruckgradienten und eine daraus resultierende Konsolidierung des genutzten Grundwasserleiters. Trotz der erzielten Fortschritte besteht jedoch auch noch erheblicher Forschungsbedarf. So ist bisher die genaue Auswirkung von strukturellen Heterogenitäten des Untergrundes auf die Deformationssignale unklar. Ganz allgemein müssen auch der potenzielle Nutzen und die Praxistauglichkeit des Verfahrens noch verifiziert und Erfahrungen über die Grenzen der Anwendbarkeit gesammelt werden. Hinsichtlich der Praxistauglichkeit gilt es eine vereinfachte, fürden Routinebetrieb geeignete Vorgehensweise für die Installation von flächenhaft aufgestellten Neigungsmesserarrays zu entwickeln. Um die generelle Anwendbarkeit des Verfahrens bewerten zu können, müssen Messeinsätze an Standorten mit unterschiedlichen hydrogeologischen Verhältnissen durchgeführt werden. Weiter ist die Frage zu klären, ob entweder Inversions- oder Vorwärtsmodellierungen zu besseren Interpretationen der Neigungssignale führen. Dies ist insbesondere bedeutsam, wenn die beobachteten Deformationen auf ein Abweichen von regulären, 48 Abstracts axialsymmetrischen Verhältnissen hinweisen (3D–Situation statt axialsymmetrischer 2DSituation). Schließlich ist zu untersuchen, inwieweit sonstige geophysikalische Messungen die Mehrdeutigkeit des Oberflächendeformationsfeldes im Hinblick auf eine Ableitung charakteristischer Aquifereigenschaften verringern. Hilfreich bei der Modellerstellung kann vor allem ein paralleler Einsatz von Seismik und Geoelektrik sein, um Anhaltswerte für Deformationsparameter des Untergrundes (Schermodul, Poissonzahl) und einen Überblick über die räumliche Verteilung der elektrischen (und der hydraulischen) Leitfähigkeit zu erhalten. Durch die Kombination von Neigungsmessungen mit anderen geophysikalischen Messverfahren steigt die Prägnanz der Aussagen jedes der einzelnen Verfahren. Fernziel ist es, aus dem Oberflächendeformationsfeld und weiteren Oberflächenmessungen im Umfeld von Förderbrunnen aussagekräftige hydrogeologische Charakteristika von Nutzaquiferen abzuleiten, insbesondere ihre hydraulische Leitfähigkeit. Literatur Kümpel, H.-J., Varga, P., Lehmann, K., and Mentes, G., 1996: Ground tilt induced by pumping - preleiminary results from the Nagycenk test site, Hungary. - Acta Geodetica et Geophysica Hungaria, 31, 67-78. Fabian, M., and Kümpel, H.-J., 2003: Poroleasticity - Observations of anomalous near surface tilt induced by ground water pumping. - J. of Hydrology, 281, 187-205. Lehmann, K., 2001: Porendruckinduzierte Neigungssignale in geringen Tiefen und ihre Modellierung im homogenen Halbraum. - Berichte aus der Geowissenschaft, Shaker Vlg., Aachen; Diss. Mat.-Nat. Fakultät der Univ. Bonn. Wang, R., and Kümpel, H.-J., 2003: Poroelasticity: Efficient modeling of strongly coupled, slow deformation processes in multilayered half-space. – Geophysics, 68, 705717. Abbildung 1: Beobachtete und berechnete pumpinduzierte Oberflächenneigungen im Abstand 7 m (oben) und 64 m (unten) vom Förderbrunnen Nagycenk, Ungarn. Ganz oben: Zyklen der Förderpumpe je 35 cbm/h; Einheiten der Neigungssignale: microrad (aus Wang und Kümpel, 2003). Symposium Hydrogeophysik 49 S2E – Di.,09.3.,11:30-11:50 Uhr · H0112 Yaramanci, U., Braun, M., Hertrich, M., Mohnke, O., Müller, M., Warsa, W. (TU-Berlin), Grissemann, C., Knödel, K., Lange, G. (BGR) Oberflächen Nuklear Magnetische Resonanz - Potential des Verfahrens in der Hydrogeophysik E-Mail: [email protected] Das Verfahren der Oberflächen Nuklear Magnetischen Resonanz (NMR) findet seit Ende der 80er Anwendung in der Geophysik [1]. Durch eine grosse Spule an der Oberfläche werden Protonen im Untergrund angeregt und deren Signalantwort gemessen. Die direkte Empfindlichkeit zu den im Boden befindlichen Protonen ergibt die besondere Bedeutung in der Bestimmung von Wassergehalten und KW-Verunreinigungen. Eine räumliche Auflösung erreicht man durch Veränderung der Intenistät des anregenden Pulses sowie der Geometrie und Lage von Sende- und Empfangsspulen. Durch die Tiefenempfindlichkeit der Anordnung spricht man hierbei auch von Magnetischer Resonanz Sondierung (MRS)[2]. Durch Interpretation der gemessenen transienten Signale erhält man über die Wassergehaltsverteilung hinaus qualitative Informationen über die Porengeometrie. Durch umfassende geophysikalische Untersuchungen kann die Charakteriserung der Grundwasserleiter mittels SNMR erheblich erweitert werden [3]. Das anregende elektromagnetische Feld wird durch einen Puls mit Larmorfrequenz in einer Leiterschleife erzeugt. Die Feldstärkenverteilung sowie die Phasenlage des Feldes wird dabei von der Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund beeinflusst. Höhere Leitfähigkeiten verzerren die Ausbreitung des Feldes. Neben der generellen höheren Dämpfung können aber auch Bereiche höheren Signalbeitrages entstehen. Die Phasenlage des gemessenen Signals ist eine wichtige Zusatzinformation zur Interpretation der Messungen. Bei ausreichender Datenqualität ist auch eine Bestimmung der Leitfähigkeitsverteilung aus den gemessenen SNMR-Daten möglich [4]. Wird das Signal nicht mit der selben Spule gemessen, mit der das NMR-Signal im Boden erzeugt wurde, ergeben sich zusätzliche Effekte. In Abhängigkeit von der Orientierung der Sende- und Empfangsspule zueinander und deren azimutaler Ausrichtung wird die gemessene Sondierungskurve beeinflusst. Das Signal geht dabei zum grössten Teil aus dem Volumen unter der Empfangsspule hervor. Die Variation der Pulsstärke variiert hierbei die laterale Auflösung. Durch profilhafte Messung verschiedener Sende- und Empfangslokationen erreicht man eine sehr hohe Empfindlichkeit für 2D Wasserverteilungen [5]. Zur automatischen Inversion mehrerer Sondierungen in verschiedenen Anordnungen über einer 2D/3D Struktur wird zur Zeit ein Algorithmus entwickelt und an verschiedenen synthetischen und reellen Daten erprobt. Dabei wird sowohl die Signalamplitude als auch der transiente Charakter der gemessenen Signale in Betracht gezogen, um über die Wasserverteilung hinaus auch Porenraumeigenschaften des Grundwasserleiters zu bestimmen [6]. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Interpretation der Abklingkurven. Falls das Signal aus Bereichen hervorgeht, in dem verschiedene Poreneigenschaften vorherrschen, so hat das Abklingverhalten einen multiexponentiellen Transienten. Um die einzelnen ex- 50 Abstracts ponentiellen Terme den Abklingvorgängen in verschiedenen Gesteinsbereichen zuzuordnen ist eine spezielle Datenbearbeitung des komplexwertigen Signals nötig [7]. Ein neues Aufgabengebiet ergibt sich in der Untersuchung der Skalierbarkeit der SNMRMethodik auf sehr flache Bereiche. Für Fragestellungen aus der Bodenkunde und den Agrarwissenschaften zum Wasserhaushalt und Stofftransport werden innovative Lösungen im Bereich der Signalausbreitung und Datenaufzeichnung erarbeitet [8]. Die klassische Beschreibung des Resonanzphänomens stösst in der Anwendung im schwachen Erdmagnetfeld allerdings an Grenzen. Um alle Effekte quantitativ korrekt zu erfassen wird an Lösungen der grundlegenden physikalischen Formulierung gearbeitet [9]. Die Anwendung der SNMR in der Erkundung von Aquifersystemen ist mittlerweile etabliert [10]. Bei der Interpretation der Messungen und der Weiterentwicklung des Verfahrens für neue Fragestellungen werden am Fachgebiet für Angewandte Geophysik der TU-Berlin in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) Forschungsarbeiten durchgeführt. Mehrere Mitarbeiter arbeiten seit einigen Jahren durch Förderung in verschiedenen Projekten an unterschiedichen Aufgabengebieten. Literatur [1] Semenov, A.G., Schirov, M.D., Legchenko, A.V., Burshtein, A.I. und Pusep, A., 1989. Device for measuring the parameters of an underground mineral deposit. GB Patent 2198540B. [2] Yaramanci, U., 2000. Surface Magnetic Resonance (SNMR)-A new method for exploration of ground water and aquifer properties. Ann. Geofisica, 43(6), 1159-1175. [3] Yaramanci, U., Lange, G., Knödel, K., 1999. Surface NMR within a geophysical study of an aquifer at Haldensleben (Germany). Geophysical Prospecting 47, 923-943. [4] Braun, M., Hertrich, M., Yaramanci, U., 2004. Complex inversion of Surface-NMR signals - extending the limits of model resolution. Proceedings of SAGEEP Annual Meeting. In print. [5] Hertrich, M., Yaramanci, U. 2003. Surface-NMR with separated loops - investigation of spatial resolution. Proceedings of the 65th EAGE Conference and Technical Exhibition. [6] Warsa, W., Mohnke, O., Yaramanci, U., 2003. 3-D Modelling and assessment of 2D-inversion of Surface-NMR. Proceedings of the 2nd MRS Workshop, Orleans, France. [7] Mohnke, O., Yaramanci, U. 2003. Spectral inversion and interpretation of Surface Nuclear Magnetic Resonance data. Proceedings of the 2nd MRS Workshop, Orleans, France. [8] Müller, M., Yaramanci, U., 2003. History and future developments for small scale applications of Nuclear Magnetic Resonance. Proceedings of the 2nd MRS Workshop, Orleans, France. [9] Hertrich, M., Yaramanci, U., 2003. Complex transient spin dynamic in MRS applications. Proceedings of the 2nd MRS Workshop, Orleans, France. [10] Yaramanci, U., Lange, G., Hertrich, M., 2002. Aquifer characterisation using Surface NMR jointly with other geophysical techniques at the Nauen/Berlin test site. Journal of Applied Geophysics 50 (1-2), 47-65. Symposium Hydrogeophysik 51 S2F – Di.,09.3.,11:50-12:10 Uhr · H0112 Dietrich, P. (ZAG, Universität Tübingen), Butler, J. J. Jr. (KGS, University of Kansas, USA), Wittig, V. (Geoprobe Inc., Salinas, USA), Yaramanci, U. (TU Berlin) Bestimmung hydraulischer und elektrischer Leitfähigkeiten mittels “Direct Push“ E-Mail: [email protected] In heterogenen Aquifersystemen ist eine allein auf wenige Bohrungen gestützte Erkundung i.a. nicht ausreichend. Die Erkundungsbohrungen können z.B. die für die Strömungsund Transportprozesse relevante Strukturen verfehlen. Eine zuverlässige Charakterisierung der Untergrundstrukturen ist auch auf Grund der oft geringen Anzahl von Bohrungen pro Standort meist nicht möglich. Eine alternative Möglichkeit zur Gewinnung von räumlich kontinuierlichen Informationen über den Aufbau von Grundwasserleitern und der schützenden Deckschichten ist der Einsatz geophysikalischer Oberflächenmessungen. Die erfolgreiche Anwendung ist jedoch von der Eignung und Zweckmäßigkeit der verwendeten empirischen Beziehungen zwischen geophysikalischen und hydrogeologischen Parametern abhängig. Für verschiedene hydrogeologische Fragestellungen kann des Weiteren mit geophysikalischen Oberflächenmessungen allein keine ausreichende vertikale Auflösung erreicht werden. Eine wissenschaftlich und ökonomisch interessante Ergänzung, welche zur Lösung der angesprochenen Probleme signifikant beitragen kann, ist der Einsatz von “Direct Push“Technologien. Der Einsatz der “Direct Push“Technologien basiert dabei auf der Verwendung von Rammgeräten. Mit diesen Rammgeräten können mittels spezieller Sonden hochauflösende Tiefenprofile verschiedener geophysikalischer und hydrogeologischer Parametern gemessen werden (siehe z.B. Kvapil & Mares, 2003, Dietrich, 2004). Auf Grund von Weiterentwicklungen der Rammgeräte in den letzten Jahren sind die “Direct Push“Technologien inzwischen auch bei anspruchsvollen Standortbedingungen, wie ausgeprägte Grobkieslagen und mehrere Meter mächtige Ton- und Schluffschichten, einsetzbar. Zur Charakterisierung der Untergrundstrukturen werden vor allem Messungen der geoelektrischen Gesteinsleitfähigkeit (EC-Logging) durchgeführt (Christy et al., 1994; Butler et al., 1999). Die geoelektrische Gesteinsleitfähigkeit charakterisiert jedoch nur indirekt die Verteilung der hydraulischen Parameter. Deshalb ist die erfolgreiche Anwendung des EC-Loggings von der Eignung und Zweckmäßigkeit der verwendeten empirischen Beziehungen abhängig. Aus diesem Grunde wurden in den letzten Jahren hydraulische “Direct Push“–Verfahren, wie der Injektionstest, der Slugtest (McCall et al., 2002; Butler et al., 2002) und das “Direct Push“-Permeameter (Butler et al. 2004), zur direkten Beurteilung der Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit K entwickelt. Für diese Verfahren ist jedoch ein wesentlich größer Zeitaufwand erforderlich. Für den Injektionstest, bei dem der Einpressdruck und die Fließrate zur Charakterisierung der K-Verteilung gemessen wird, wird ca. eine Minute pro Messpunkt benötigt. Das Ergebnis ist nur ein relativer K-Wert. Mit “Direct Push“-Slugtests können zuverlässige K-Werte bestimmt werden. Es ist jedoch ein wesentlich höherer Zeitaufwand pro Messpunkt erforderlich (ca. 60 min). Eine 52 Abstracts weitere Alternative zur direkten Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeit ist die Verwendung des “Direct Push“-Permeameters. Bei diesem Verfahren wird der durch eine Wasserinjektion verursachte hydraulische Gradient sowie die Injektionsrate gemessen. Eine K-Wertbestimmung ist in der Regel in ca. 10 Minuten pro Messintervall möglich. Der Einsatzbereich dieser Sonde ist derzeit noch durch ihre Fragilität beschränkt. Zur Evaluierung der verschiedenen “Direct Push“-Verfahren wurden im Sommer 2002 Felduntersuchungen auf dem Testfeld Nauen (Goldbeck, 2002) durchgeführt. Das Testfeld Nauen wurde in Zusammenarbeit des Fachgebiets Angewandte Geophysik der TU Berlin und des Referats “Geophysikalische Methoden für Ressourcenmanagement“ der BGR eingerichtet. Auf Grund umfangreicher geophysikalischer Oberflächenmessungen, Bohrlochuntersuchungen und Laboruntersuchungen an Kernproben bietet das Testfeld sehr gute Voraussetzungen für die Evaluierung von Mess- und Erkundungsmethoden. Im Rahmen des Beitrages werden die Ergebnisse der auf dem Testfeld Nauen durchgeführten “Direct Push“-Messungen vorgestellt und bewertet. Literatur Butler, J.J., Jr., Healey, J.M., Zheng, L., McCall, W. & Schulmeister, M.K.,1999, Hydrostratigraphic characterization of unconsolidated alluvium with direct-push sensor technology, Kansas Geological Survey Open-File Rept. 99-40. Butler, J.J., Jr., Healey, J.M., McCall, G.W., Garnett, E.J. & Loheide, II, S.P., 2002, Hydraulic tests with direct-push equipment, Ground Water, 40(1), 25-36. Butler, J.J., Jr., Dietrich, P., Christy, T.M. & Wittig, V., 2004, The Direct-Push Permeame- ter for Characterization of Spatial Variations in Hydraulic Conductivity: Description and Field Assessment, Proc. of North American Environmental Field Conference and Exposition, Tampa, Jan. 2004. Christy, C.D., Christy, T.M. & Wittig, V.1994, A percussion probing tool for the direct sensing of soil conductivity, In: Proc. of the 8th National Outdoor Action Conf., NGWA, 381394. Dietrich, P., Butler, J.J., Jr., Yaramanci, U., Wittig, V., Tiggelman, L. & Schoofs, S., 2003, Field comparison of direct-push approaches for determination of K-profiles, Proc. of AGU Fall Meeting, San Francisco, 2003. Dietrich, P., 2004, Direct Push Technologies. In Rubin, Y. & Hubbard, S. (Eds) Hydrogeophysics. Goldbeck, J., 2002, Hydrogeophysical Methods at the Test-site Nauen: Evaluation and Optimisation, Diplomarbeit, TU Berlin. Kvapil, J. & Mares, S., 2003, Cone penetration logging for the direct detection of LNAPLs contamination. Near Surface Geophysics, 1 (4), 157-160. McCall, W., Butler, J.J., Jr., Healey, J.M., Lanier, A.A., Sellwood, S.M. & E.J. Garnett, 2002, A dual-tube direct-push method for vertical profiling of hydraulic conductivity in unconsolidated formations, Environ. & Eng. Geoscience, 8(2), 75-84. Symposium Hydrogeophysik 53 S2G – Di.,09.3.,12:10-12:30 Uhr · H0112 Börner, F. (Dresden, DGFZ) Geohydraulische Parameter aus geophysikalischen Messungen E-Mail: [email protected] Die Bestimmung repräsentativer geohydraulischer Parameter, z.B. hydraulische Leitfähigkeit, Speicherkapazität, Wassergehalt oder Sorptionskapazität, unter Nutzung geophysikalischer Meßverfahren ist eine Alternative oder zumindest eine Ergänzung zur direkten invasiven Beprobung eines Untersuchungsobjektes. Die direkte Entnahme von Proben aus dem Untersuchungsobjekt und ihre anschließende Laboranalyse liefert zwar hochgenaue Parameter, die aber nur für sehr kleine Volumina repräsentativ sind, deren exakte räumliche Zuordnung oft problematisch und deren ursprünglicher in-situ-Zustand gestört ist. Ihre Repräsentativität ist folglich eingeschränkt, um die Eigenschaften im Inneren des zu untersuchenden Objektes abzubilden. Nichtinvasive Verfahren, die von der Oberfläche der Untersuchungsobjekte aus deren Inneres abbilden, liefern dagegen mittlere (integrale) Eigenschaften über große Raumbereiche unter in-situ-Bedingungen. Das Problem besteht u.a. darin, dass die mit geophysikalischen Verfahren gemessenen Übertragungseigenschaften des heterogenen Mehrstoffsystems Gestein in der Regel unscharf sind und erst in die interessierenden geohydraulischen Eigenschaften des Untersuchungsobjektes zu transformieren sind. So müssen aus dem Ergebnis der geophysikalischen Messung und der Berechnung spezifischer Übertragungseigenschaften zumeist erst prozessabhängige oder prozessunabhängige Parameter bestimmt werden, die dann weiter für die gesuchten geohydraulischen Zielparameter z.B. zur Validierung von Simulationsmodellen genutzt werden können. Die quantitative Bestimmung z.B. geohydraulischer Parameterverteilungen aus geophysikalischen Feldmessungen umfasst grundsätzlich die in der Abbildung 1 gezeigten Elemente. Exemplarische Untersuchungen zur nichtinvasiven Parameterbestimmung mittels geophysikalischer Verfahren für die Abschätzung von - hydraulischer Leitfähigkeit und Sorptionskapazität in Lockergesteinen, - Wassergehalten und Salinitäten in Sandsteinen und - residualen LNAPL-Sättigungen in Sanden zeigten, daß weiter nutzbare geohydraulische Parameter durchaus mit akzeptabler Genauigkeit bestimmbar sind. Zur Reduzierung der petrophysikalisch bedingten Mehrdeutigkeit war der Einsatz von spektralen Verfahren oder von Verfahrenskombinationen notwendig. Für die Begründung der einzusetzenden Verfahren und die Verifikation der Parametermodelle wurden gesteinsphysikalische Laboruntersuchungen an objektspezifischen Probenmaterial durchgeführt. Die Bestimmung belastbarer Parameter war in allen Fällen nur durch eine integrierte Auswertung und Inter- Abbildung 1: Elemente einer Parameterbestimmung aus geophysikalischen Verfahren 54 Abstracts pretation möglich. Webseite: http://www.dgfz.de S3 Symposium Subduktionszonen 56 Abstracts S3A – Mi.,10.3.,09:30-09:50 Uhr · H0111 Gaedicke, C. (BGR, Hannover), Soh, W. (JAMSTEC, Japan) Tektonik der Großen Sumatra-Störung im Java Fore-Arc: kombinierte geophysikalischgeologische Experimente E-Mail: [email protected] An Subduktionszonen mit schiefer Konvergenz ist die Aufteilung des Strains zu beobachten. Die orthogonale Komponente führt zu Deformation senkrecht zum Plattenrand, während die schiefe Komponente häufig in großen kontinentrandparallelen Blattverschiebungen ihren Ausdruck findet. Besonders die Blattverschiebungen sind durch ein hohes Georisikopotenzial mit verheerenden Erdbeben und starkem Vulkanismus charakterisiert. Die schiefe Subduktion der Indo-Australischen Platte unter Eurasien führt zu einem komplexen Störungsmuster im westlichen indonesischen Archipel. Zwei große, inselbogenparallele Störungssysteme durchschneiden den nordwestlichen Sundabogen: die Mentawai- Störung im offshore Bereich und die Große Sumatra-Störung onshore Sumatra. Während der Verlauf der Störungen auf und westlich Sumatra gut belegt ist, gibt es keine Kenntnisse über die süd-östliche Verlängerung und den Beginn des komplexen Systems. Während Expeditionen mit FS SONNE (SO137-139) und mit dem japanischen FS YOKOSUKA (YK01-02 und YK02-07) wurden reflexionsseismische Profile und hochauflösende Bathymetrie aufgezeichnet, Proben gewonnen und direkte Meeresbodenbeobachtungen mit dem Tiefseetauchboot SHINKAI 6500 gemacht. Die Integration der Datensätze ermöglicht die Korrelation von Störungen und Aussagen zu ihrer Kinematik. Es dominiert ein komplexes dextrales Blattverschiebungssystem in dem Sprünge der Stö- rungen (step over) zu begrenzten Beckenund Horststrukturen führen. Es wird ein Modell des neotektonischen Störungssystems entwickelt, in dem sich eine Hauptstörung in zwei große Zweige, die Mentawai- und die Sumatra-Blattverschiebungen, teilt. Die Störungen sind am Meeresboden sichtbar. Indirekt lassen sie sich durch Methanaustrittsstellen, die wiederum Faunengemeinschaften als Grundlage dienen, nachweisen. Webseite: http://www.bgr.de Symposium Subduktionszonen 57 S3B – Mi.,10.3.,09:50-10:10 Uhr · H0111 Weinrebe, W., Ranero, C. R., Grevemeyer, I., Phipps Morgan, J. (Kiel, GEOMAR), Vannucchi, P. (Firenze, Italy), von Huene, R. (Kiel, GEOMAR) Tectonic Structure of the Middle America Pacific Margin and Incoming Cocos Plate From Costa Rica to Guatemala E-Mail: [email protected] A new multibeam bathymetry and magnetic survey with R/V SONNE in summer 2003 has mapped the continental margin and incoming plate of NW Nicaragua, El Salvador and Guatemala, extending existing coverage from offshore Costa Rica and part of Nicaragua to a full coverage map of about 1200 km long by 100 km wide area along the plate boundary. The incoming plate along Nicaragua, El Salvador and Guatemala is of similar age and was formed at superfast spreading rates; however, its morphology changes drastically along strike. The seafloor-spreading inherited morphology is very smooth along Nicaragua, but Figure 1: Perspective view of the incom- Figure 2: Perspective view of San Jose ing oceanic plate and continental margin off Canyon off Guatemala, a deeply incised canyon transecting the entire slope. Guatemala. 58 Abstracts with ridges up to 800 m high in Guatemala, with a transition across El Salvador. The development and dimensions of the dominant inherited fabric seems to be related to discontinuities at the paleospreading center. A series of troughs oblique to the main fabric may indicate the location of pseudofaults and correspond to areas where the seafloor fabric is most prominent. Bending of the oceanic plate into the trench reactivates the inherited fabric forming a well pervasive faulting system along the oceanic trench slope. The continental slope displays three morphotectonic units that roughly correspond to the upper, middle and lower slope, although the across slope width of each unit is fairly variable. Small canyons and gullies that form at the sudden dip change across the shelf break carve the upper slope. The canyons coalesce and become shallower as the dip decreases downslope. Locally some large canyons continue into the slope toe. The middle slope is a rough terrain variable in width and dip sculptured by pervasive normal faulting and locally by mass wasting processes. The lower slope is formed by en echelon terraces striking similar to the rough terrain of the incoming plate and mimicking the half graben morphology of the underthrusting plate. The three morphotectonic slope domains represent differences in tectonic activity, with more stable upper slope, a middle slope dominated by tectonic extension and the thin, highly fractured upper plate of the lower slope riffling over the incoming plate topography. The trench axis is largely empty, with local turbidite ponds at the mouth of a few large canyons transecting the entire slope. Symposium Subduktionszonen 59 S3C – Mi.,10.3.,10:10-10:30 Uhr · H0111 Kopp, H., Flueh, E. R., Papenberg, C., Klaeschen, D., SPOC Scientists, X. (Geomar) Seismische Untersuchungen der O’Higgins Seamount Gruppe, Zentral-Chile: Hydratationsprozesse und Subduktion eines aseismischen Rückens E-Mail: [email protected] Die O’Higgins Seamount Gruppe wird durch eine Anhäufung vulkanischer Kegel auf dem aseismischen Juan Fernandez Rücken (JFR) westlich des zentralchilenischen Tiefseegrabens gebildet. Der JFR markiert die südliche Grenze des sogenannten ’Flat Slab’, eines Bereiches entlang der chilenischen Subduktionszone, der durch ein flaches Abtauchen der ozeanischen Platte geprägt ist. Die Subduktion bathymetrischer Erhebungen gilt als ein möglicher Faktor bei der Ausbildung der ’Flat Slab’ Segmente. Der JFR weist allerdings nur eine sehr moderate Krustenverdickung auf, die nicht als ausreichend für einen erheblich verstärkten Auftrieb der ozeanischen Kruste hier erachtet werden kann. Hochauflösende bathymetrische Vermessungen kartieren ein komplexes Netzwerk von Störungszonen seewärts des Tiefseegrabens, die bei der Umbiegung der ozeanischen Platte in den Graben reaktiviert werden. Der JFR wird nach Norden und Süden durch bathymetrische Spreizungsanomalien begrenzt, die bei der Entstehung der ozeanischen Kruste Abbildung 1: Seismische Tomographie entlang zweier Refraktionsprofile, die senkrecht zueinander über die O’Higgins Seamount Gruppe verlaufen. Niedrige seismische Geschwindigkeiten im oberen Mantel sind entlang beider Linien zu erkennen. Abbildung 2: Die in der seismischen Tomographie zu erkennenden anormalen Mantelgeschwindigkeiten unterliegen dem Bereich deutlich ausgebildeter Störungszonen über den JFR (hell markiertes Gebiet) und sind ein Anzeichen für Hydratationsprozesse. 60 Abstracts die Morphologie geprägt haben. Zwei unterschiedliche Verwerfungsmuster sind auf der ozeanischen Platte zu erkennen: Aufschiebungen, die durch die Biegung der ozeanischen Lithosphäre parallel zum Tiefseegraben reaktiviert werden und in einem etwa 30 km breiten Gebiet entlang der seewärtigen Flanke des Tiefseegrabens zu erkennen sind, sowie Störungszonen parallel zum Verlauf des JFR, die einen Bereich von bis zu 110 km seewärts des Grabens umfassen. Diese zweite Gruppe verläuft in etwa senkrecht (58 Grad) zu Richtung der Spreizungsanomalien (325 Grad) und hat sich im Zuge der Hot Spot Aktivität, die zur Aufwölbung des JFR führte, ausgebildet. Dementsprechend ist dieses Verwerfungsmuster auf den aseismischen Rücken beschränkt; weitere Verwerfungen anderen Ursprungs nördlich und südlich des Rückens weisen einen deutlich anderen Richtungsverlauf auf. Als Teil des SPOC-Projektes wurden im Winter 2001 refraktionsseismische Daten gewonnen. Die tomographische Inversion der Refraktionsdaten (Abb. 1) umfasste sowohl Ersteinsätze als auch spätere Phasen, so dass ein Maximalgehalt an seismischen Informationen in die Tomographie einfließen konnte. Die Tomographie wurde in mehreren iterativen Schritten durchgeführt, die eine separate Inversion der Krusten- und Manteleinsätze beinhalteten. Die Untersuchungen deuten auf eine extrusive Entstehung der untermeerischen Vulkane hin. Seismische Geschwindigkeiten im oberen Mantel weisen erheblich verringerte Werte auf, die auf den Bereich der intensiven Störungsmuster der ozeanischen Kruste beschränkt sind (Abb. 2). Die Regionen, in denen keine intensiven Bruchstrukturen zu erkennen sind, zeigen eine ’normale’ Geschwindigkeitsverteilung in der Kruste und im oberen Mantel. Die niedrigen Mantelgeschwindigkeiten können nicht auf eine mag- matische Unterplattung (’underplating’) zurückgeführt werden, da hier keine Intrusionen in der Unterkruste und damit verbundene Verdickung der Kruste erkennbar sind, wie sie für andere vulkanische Komplexe kartiert wurden. Eine Krustenwurzel, wie sie unterhalb der großen aseismischen Rücken entlang des südamerikanischen Subduktionssystems existieren, kann für den JFR im Untersuchungsgebiet ausgeschlossen werden. Hier führte die auf einen Hot Spot zurückzuführende Entstehung des aseismischen JFR, die jenseits des Spreizungszentrums stattfand und somit keine Verbindung zum mittelozeanischen Rücken bilden konnte, zur Ausbildung der regional auf den JFR beschränkten Schwächezonen, geprägt durch das regionale Spannungsfeld, dem die ozeanische Lithosphäre unterlag. Diese Schwächezonen werden beim Eintreten der ozeanischen Platte in den Tiefseegraben reaktiviert und ermöglichen eine Hydratation der Lithosphäre, deren seismischer Ausdruck die mit dem Störungsmuster korrelierenden verringerten Geschwindigkeiten im oberen Mantel darstellen. Erhöhter Auftrieb aufgrund von Mineralalterationen könnten einen zusätzlichen Mechanismus zur Ausbildung flacher Subduktion darstellen, die hier nach Norden hin zu beobachten ist. Webseite: http://www.geomar.de/projekte/spoc Symposium Subduktionszonen 61 S3D – Mi.,10.3.,10:30-10:50 Uhr · H0111 Meier, T., Becker, D. (Bochum), Bohnhoff, M. (Potsdam), Endrun, B., Rische, M., Harjes, H.-P. (Bochum) Der forearc der Hellenischen Subduktionszone im Gebiet um Kreta: Segmentierung, Kopplung, schräge Subduktion E-Mail: [email protected] Der Mittelmeerraum ist gekennzeichnet durch mehrere, überwiegend kleinräumige Subduktionszonen, die z.T. das Stadium der Kontinent-Kontinent-Kollision erreicht haben. In der Hellenischen Subduktionszone taucht die Afrikanische Platte unter den mobilen Südrand Eurasiens (Anatolisch-Ägäische Platte). Der forearc weist aufgrund eines Radius von ca. 400 km eine starke Krümmung auf. Die Relativbewegung zwischen den Platten beträgt ca. 4 cm/a. Untersuchungen mit Oberflächenwellen haben ergeben, dass die SWellengeschwindigkeit der Mantellithospäre unterhalb des Libyschen Meeres zu langsam ist für kalte, ozeanische Lithosphäre. Dieses Ergebnis deutet daraufhin, dass die Afrikanische ozeanische Lithosphäre in der Hellenischen Subduktionszone bereits fast vollständig subduziert worden ist und somit der passive Kontinentalrand Nordafrikas bereits in die Subduktionszone eintritt. Aufgrund tektonischer Rekonstruktionen lässt sich abschätzen, dass in ca. 20 Ma max. 550 km ozeanische Afrikanische Lithosphäre subduziert worden ist. Im Gegensatz dazu wird durch tomographische Untersuchungen subduzierte Lithosphäre bis ca. 1200 km abgebildet. Der Slab wird durch subduzierte ozeanische Lithosphäre verschiedener ozeanischer Becken gebildet. Nach der Kollision von zwei Mikrokontinenten mit Eurasien setzte sich die Subduktion südlich der Mikrokontinente fort. Der forearc der Hellenische Subduktionszone ist im östlichen Teil durch schräge Subduktion gekennzeichnet. Die Afrikanische Platte fällt nach NW ein, der Roll-Back erfolgt in südöstlicher Richtung und die AnatolischÄgäische Platte bewegt sich nach SW relativ zu Eurasien. Mehrere Transtensionsstrukturen in der Anatolisch-Ägäischen Platte sind Ausdruck dieser Situation. Durch Beobachtung der Mikroseismizität konnte gezeigt werden, dass im Bereich des Plinygrabens, der durch Transtension gekennzeichnet ist, eine seismisch aktive Störungszone existiert, die bis zum Plattenkontakt in ca. 40 km Tiefe reicht. Im westlichen Teil der Hellenischen Subduktionszone ist das Einfallen der Afrikanischen Platte flacher. NE-SW bzw. vertikal gerichtete P-Achsen der Herdflächenlösungen von Ereignissen in der AnatolischÄgäischen Platte deuten auf eine starke Kopplung zwischen den Platten hin. Untersuchungen mit Oberflächenwellen ergaben krustale Geschwindigkeiten bis zum Plattenkontakt in ca. 45 km unter Westkreta. Erhöhte Krustenmächtigkeiten im Bereich des forearcs können durch Kopplung der abtauchenden Platte mit der Oberplatte oder durch Rückfluß metamorpher Gesteine oberhalb der subduzierten Platte erklärt werden und können eine Ursache für die starke Hebung in diesem Gebiet seit ca. 4 Ma sein. Abbildungen der Struktur der AnatolischÄgäischen Platte mittels migrierter receiver 62 Abstracts functions zeigen deutliche Änderungen der Struktur parallel zum forearc. Diese Segmentierung zeigt sich auch durch Störungszonen die senkrecht zum forearc streichen. Die Störungszone in der Anatolisch-Ägäischen Platte an der Westküste Kretas ist mikroseismisch aktiv. In Zentralkreta wird durch eine Häufung von Hypozentren in der Benioff-Zone ein NESW streichendes Lineament abgebildet, dass als Hinweis auf eine Segmentierung der Afrikanischen Platte interpretiert werden kann. Symposium Subduktionszonen 63 S3E – Mi.,10.3.,11:10-11:30 Uhr · H0111 Tassara, A., Schmidt, S. (Berlin, FU-Berlin) 3D Density Model of the Andean Margin between 27°and 37°S: motivations and preliminary results E-Mail: [email protected] Western South America is the classical example of a subduction-related continental margin. Along this margin, the Andean Cordillera has been formed mainly during the last 40 Ma of convergence between the South American plate and the oceanic Nazca plate. Although this orogen is a continuous 7.000 km long Cordillera, the Andes show a remarkable along-strike segmentation of its geotectonic features. Particularly, south of 15°S the Andean margin can be divided in Central (15°-33.5°S) and Southern (33.5°-47°S) Andes. The correlation between the boundaries of major segments, subduction of oceanic ridges and changes in subduction angle at intermediate depth (100-150 km), suggest a control of the oceanic plate on that segmentation. However, the transient temporal behaviour of these oceanic slab features does difficult to relate them with the long-term (hundred million years) persistency of the Andean segments. This fact supports the intuition that the intrinsically heterogeneous configuration of the continental crust (inherited since Proterozoic-Palaeozoic times) plays a significant role in the existence and maintenance of the Andean segmentation. Crucial for the understanding of this problem and the related complex geodynamic interaction between oceanic and continental plates, is the knowledge about the internal structure of the convergence system. We will present here preliminary results of a three-dimensional (3D) density model between 27°and 37°S, an area that encompasses the first-order transition between Central and Southern Andes (see figure). The modelled area extends from some hundred kilometres westward of the Chile trench, for more than 1000 kilometres toward the east into the South American craton and downward 300 km depth. This 3D density model is the result of forward modelling of the measured gravity field using the software IGMAS. The model is focused on identifying first-order changes in deep crustal and mantle-lithospheric density structure along the Andean margin. In particular, the model will be used to study the 3D interrelationship between proposed ProterozoicPalaeozoic suspected terranes and MesoCenozoic igneous and sedimentary units, and also to reveal the structures that control the related compositional-density variations along and across the segment transition. First-order constraints used to define the initial geometry of the model include continental scale geological maps of Chile, Argentina and South America, crustal geological crosssections proposed by different authors and published seismic-seismological data (seismic lines, hypocenter locations and tomographic models). The initial model defines the continental crust with 14 bodies that represent regionalto continental-scale geological units (basins, magmatic arcs, metamorphic belts, preMesozoic terranes, etc). The initial bodies will be later subdivided to account for internal heterogeneities and density variations with 64 Abstracts depth. The bodies are organized so that they maintain a geologically consistent geometry that emphasises along-strike interfingering between them. In the attached figure are the 12 EW crosssections from which the 3D model was triangulated. Two of them, at 31°S and 37°S, are Figure 1: Andean topography and bathymetry between 12°and 47°S, and cross-sections (white lines) used to build the 3D density model between 27 and 37 Deg. South Lat. Cross-sections at 31°and 37°S are presented as examples. presented as examples. Note the differences in crustal structure and in the geometry of the subducted oceanic lithosphere. As constraint data in both sections are depicted hypocentre locations (points), seismic tomography layers (thin grey lines) and geological structures (white lines). Symposium Subduktionszonen 65 S3F – Mi.,10.3.,11:30-11:50 Uhr · H0111 Yoon, M., Buske, S., Shapiro, S.A., Wigger, P. (FR Geophysik, FU Berlin) Reflectivity of deep seismic structures in the presence of complex overburden: prestack depth images from the central andes E-Mail: [email protected] In this paper we present the results of the Kirchhoff prestack depth migration method applied to two deep seismic reflection data sets (ANCORP’96 and PRECORP’95) (Yoon et al., 2003). The prestack depth migration method was implemented in 3D (ANCORP) and in 2D (PRECORP), from topography in order to account for the irregular recording geometry and the altitude variations along the profile line. Selective stacking of the migrated depth slices yielded a 3D depth volume (ANCORP) and a 2D depth section (PRECORP), respectively. An additional offline stacking provided a final 370km long 2D depth section (ANCORP), a detailed image of the subduction zone and the backarc region down to 100km depth. At the beginning of the 2D ANCORP section a double reflection zone is observed, which is associated with the upper and lower boundary of the oceanic crust. Except for some areas a nearly complete image of the Nazca reflector at depths between 60 - 90 km has been obtained. A compilation with local earthquake data shows that the seismogenic zone coincides with the upper boundary of the oceanic crust, but not with the Nazca reflector at depths larger than 80km. At these depths the hypocenters and the Nazca reflector show an offset of about 10 - 15km (ANCORP), and 5 - 10km (PRECORP), respectively. An additional application of bandpass filters with different frequency bands yielded interesting features: at lower frequencies the two sharp reflectors at the western end of the profile disappear, while a clear double reflector further to the east becomes more pronounced. The focused west-dipping image of the Quebrada Blanca Bright Spot changes into a 60km wide and 20km deep diffusive reflective region. Besides that enhanced crustal reflectivity above the downgoing Nacza reflector can be observed in the western part as well as in the Altiplano area in the east. From these images we interprete that the scale length of heterogeneities in the crust is in the order of several kilometers. We propose that the gap which we observe in the Nazca reflector between 40 - 60km of the profile might be due to a large amount of heterogeneities above the reflector. References: Yoon, M., Buske, S., Schulze, R., Lüth, S., Shapiro, S.A., Stiller, M. and Wigger, P. Along-strike variations of crustal reflectivity related to the Andean subduction process. Geophysical Research Letters, vol. 30 No. 4, 10.1029/2002GL015848, 2003. 66 Abstracts S3G – Mi.,10.3.,11:50-12:10 Uhr · H0111 Sick, C. M. A., Buske, S., Shapiro, S. A. (Freie Universität Berlin) Prestack Tiefenmigration der CINCA Linien SO104-07 und SO104-13 E-Mail: [email protected] Die Untersuchung der Subduktionszone am südamerikanischen Kontinentalrand ist eine der wichtigsten Fragestellungen des Sonderforschungsbereiches (SFB 267) ”Deformationsprozesse in den Anden”. Im Rahmen des CINCA Projektes wurde dabei die abtauchende Nazca Platte vor der Küste Chiles zwischen ca. 20◦ S und 26◦ S untersucht. Ziel unserer Studie war es, durch erweiterte Prozessierung und prestack Kirchhoff Tiefenmigration ein verbessertes Abbild sowohl der Strukturen des Ozeanbodens als auch der subduzierenden Platte und der ozeanischen Moho zu erhalten. Die verwendeten marinen Datensätze umfassen die Linien SO104-07 bei 21◦ S und SO104-13 bei 23.25◦ S. Beide Profile erstrecken sich über eine Länge von ungefähr 110 − 120km und verlaufen etwa senkrecht zum Trench. Die insgesamt 2272 Airgun Schüsse im Norden und 2246 Schüsse im Süden wurden von je 108 Empfängern mit einem maximalen Offset von ca. 3km aufgezeichnet. Die Aufzeichnungszeit betrug 14s bei einer Samplingrate von 4ms. tieferen Bereichen wurde sowohl ein automatic gain control (AGC) als auch ein trace balancing (TB) Algorithmus angewandt. Die beiden resultierenden tiefenmigrierten Sektionen geben ein gutes Abbild der subduzierenden Nazca Platte wieder. Im Gegensatz zum nördlichen Profil kann man beim südlichen einen weitaus steileren Subduktionswinkel beobachten. Hier lässt sich der Verlauf der Platte bis in eine Tiefe von etwa 15km verfolgen. Deutlich zu erkennen sind auch die Horst-und-Graben Strukturen östlich des Trenchs, die jedoch in der Sektion bei 23◦ wesentlich ausgeprägter sind. Diese Horst-und-Graben Strukturen finden sich beim südlichen Profil unterhalb der kontinentalen Platte auf der bereits subduzierten Nazca Platte wieder. Augenfällig sind auch die parallel zur abtauchenden Platte verlaufenden Störungen, die sich vom Ozeanboden bis in ca. 5km Tiefe beobachten lassen. Im Ostteil der südlichen Sektion läßt sich bei etwa 12 − 14km Tiefe die ozeanische Moho vermuten (vergleiche dazu z.B. Patzwahl, 1998). Weitere sichtbare Strukturen in diesem Teil Die Prozessierung der Daten umfasste, neder Sektion deuten auf die Grenze zwischen ben f-k Filterung zur Unterdrückung von Ober- und Unterkruste hin (z.B. Patzwahl, Kopfwellen, auch eine Geschwindigkeitsana1998). lyse zur Überprüfung der Wassergeschwindigkeit, die zum Erstellen eines Geschwindigkeitsmodells benötigt wurde. Da das Image in Tiefen, in denen die ozeanische Moho zu erwarten wäre, stark von Multiplen überlagert wird, wurde ein Radon Filter zur Multiplenunterdrückung (z.B. Foster et al., 1992) auf die relevanten Teile der Datensätze angewandt. Zur Hervorhebung der Reflektionen aus den Symposium Subduktionszonen Literatur Buske, S., Lüth, S., Meyer, H., Patzig, R. Reichert, C., Shapiro, S. A., Wigger, P., and Yoon, M. , 2002, Broad depth range seismic imaging of the subducted Nazca Slab, North Chile: Tectonophysics, 350(4), 273-282. Coltrin, G. and Backus, M., 1989, Seismic reflection imaging problems resulting from a rough surface at the top of the accretionary prism at convergent margins: J. Geophys. Res., 94(B12), 17485-17496 Foster, D. J., and Mosher, C. C. , 1992, Suppression of multiple reflections using the Radon transform: Geophysics, 57(3), 386-395 Patzwahl, R., 1998, Plattengeometrie und Krustenstruktur am Kontinentalrand Nord-Chiles aus Weitwinkelseismischen Messungen: Dissertation, Berliner Geowissenschaftliche Abhandlungen, Reihe B, Band 30 von Hüne, R. Weinrebe, W. and Heeren, F., 1999, Subduction erosion along the North Chile margin: J. Geodyn., 27, 345-358 67 68 Abstracts S3H – Mi.,10.3.,12:10-12:30 Uhr · H0111 Sobiesiak, M. (GFZ Potsdam) Feinstruktur der Bruchflaeche des M=8.1 Antofagasta Subduktionsbebens von 1995 in Nord Chile und daraus resultierende Hinweise auf "asperities"in der seismogenen Zone E-Mail: [email protected] Die Nachbebenserie des Starkbebens von Antofagatsa, 1995 in Nord Chile konnte mit einem bis zu 43 Landstationen unfassenden Netzwerk (Projekt CINCA’95, FU, Berlin und Task Force for Earthquakes, GFZ, Potsdam) registriert werden. Die seeseitige Erweiterung des Netzes durch 9 OBH Stationen (GEOMAR, Kiel) trug wesentlich zur erzielten Qualitaet der Hypozentrenbestimmung bei, da etwa die Haelfte der Nachbeben direkt an der Kueste oder im Meer auftraten. Die Epi- und Hypozentralverteilung der Nachbeben laesst vermuten, dass die Nachbeben die Ausdehnung der Bruchflaeche des Hauptbebens angeben. Mit 1233 hochgenau lokalisierten Ereignissen der Nachbebenserie konnte eine raeumliche Verteilung des b-Wertes aus der Magnitudenhaeufigkeitsbeziehung, eine sogenannte b-Wert Karte, erstellt werden. Diese zeigt eindeutige Variationen im Bereich der Bruchflaeche. Den Bereichen mit signifikant hohen bWerten konnten Maximalwerte des momentrelease aus der Herdzeitfunktion des Hauptbebens zugeordnet werden. Unter Anwendung eines asperity Modells ergeben sich daraus mittlere slip-Werte fuer diese Bereiche von 6 bzw. 7 m. Diese Struktur der Bruchfaleche, abgeleitet aus der inhomogenen Slipverteilung, wird duch Untersuchungen der Herdflaechenloesungen und der summierten Momententensoren von Nachbeben bestaetigt. Die positive Korrelation der Bereiche hoher b-Werte, die im Sinne von asperities interpretiert werden, mit Anomalien des isostatischen Residualfeldes wird als Hinweis darauf gewertet, dass die asperity-Struktur stationaer ist. Dies wuerde bedeuten, dass hier waehrend eines seismischen Zyklus immer wieder Spannung akkumuliert wird, die bei Erreichen des Grenzwertes am Ende des seismischen Zyklus zu einem Erdbeben fuehrt. Symposium Subduktionszonen 69 S3I – Mi.,10.3.,15:00-15:20 Uhr · H0111 Sobolev, S.V., Babeyko, A.Yu., Oncken, O., Vietor, T. (GFZ-Potsdam) Quantifying the Cenozoic subduction orogeny in the Central Andes by means of the numerical thermo-mechanical modeling E-Mail: [email protected] Large-scale tectonic shortening in the Central Andes and Neogene uplift of the Altiplano-Puna plateau was preceeded by Eocene uplift of the Chilean Precordillera and subsequent rapid eastward expansion of compressional deformation between 40-30 Ma, by the marked decline of the magmatic activity in the arc at 33-23 Ma and by a strong increase of the convergence rate between the Nazca and South America (SA) plates at 2520 Ma. We use 2-D finite element thermomechanical modelling of the interaction of the subducting Nazca plate and the overriding SA plate during the last 40 Myr to explore the possible relation between these events. The model employs realistic visco-elasto-plastic rheology, shear heating and gabbro to eclogite phase transformation in both subducting and overriding plates. The interface between the slab and the upper plate is modelled as a few km thick subduction channel with lowfriction Mohr-Coulomb rheology, the friction coefficient being the major modelling parameter. We show that variation of this parameter in the plausible range of 0.005-0.05 may significantly change stress and strain fields in the upper plate. Modelling shows that at friction coefficient of 0.03-0.05 the stress field in the upper plate must have changed from minor to strong compression in response to the increase of the subduction the overriding rates at 30-20 Ma. We demonstrate that this could caused extensive tectonic shortening of the overriding plate if it had been rheological weakened beforehand. We quantitatively explore possible mechanisms of such weakening, and currently favour the following scenario yielding the best fit. At ca. 40 Ma an oceanic plateau entered the trench; its motion below the SA plate caused eastward expansion of compression deformation at 40-30 Ma followed by flattening of the slab and cessation of volcanism. Flat slab caused hydration and weakening of the mantle lithosphere of the overriding plate. After the plateau was subducted at 25-20 Ma, the slab retreated which intensified the asthenospheric corner flow. This event coincided temporally with the acceleration of the subduction rate and the overriding rate inducing increased compression in the upper plate where the subduction-channel friction coefficient was relatively high. Subsequent shortening of the crust resulted in the gabbro-eclogite transformation in the lower crust and delamination of the lithospheric mantle. All these processes contributed to the progressive weakening of the lithosphere and resulted in acceleration of the tectonic shortening. 70 Abstracts S3J – Mi.,10.3.,15:20-15:40 Uhr · H0111 Endrun, B., Weßel, A., Meier, T. (Ruhr-Universität Bochum), Bohnhoff, M. (GFZ Potsdam), Harjes, H.-P. (Ruhr-Universität Bochum) Strukturuntersuchungen am zentralen Vulkanbogen der Hellenischen Subduktionszone mit Hilfe von Receiver Functions und Oberflächenwellen E-Mail: [email protected] Die konvergente Plattengrenze zwischen Afrika und Eurasien im Mittelmeerraum besteht aus einer Reihe kleiner Terranes und Suturzonen, die die komplexe paleogeographische Entwicklung widerspiegeln. Hierzu gehört auch der Hellenische Bogen im Süden Griechenlands, der die höchste seismische Aktivität in Europa aufweist. Dort wird die ozeanische Afrikanische Lithosphäre mit einer Konvergenzgeschwindigkeit von etwa 40 mm pro Jahr in NNE-Richtung unter die kontinentale Ägäische Lithosphäre subduziert. Dies kommt unter anderem durch eine Benioff-Zone, die bis in etwa 120 km Tiefe reicht, zum Ausdruck. Im Forearc-Bereich der Subduktion wurden bereits eine Reihe seismologischer Strukturuntersuchungen auf der Insel Kreta vorgenommen (z. B. Li et al. 2003, Endrun et al. 2003, Meier et al. 2003, Knapmeyer & Harjes 2000). Nördlich Kretas befindet sich der vulkanische Inselbogen, in dessen Zentrum die Inselgruppe der Kykladen liegt. Vulkanische Aktivität wurde hier vor allem auf Milos und Santorini beobachtet. Die Struktur unterhalb dieses Inselbogens wurde bisher, z. B. bezüglich der Krustenmächtigkeit, kontrovers diskutiert. Die subduzierte Platte wird in globalen tomographischen Untersuchungen bis in 1200 km Tiefe aufgelöst, aber ihre genaue Lage unterhalb des Vulkanbogens ist bisher nur unzureichend festgelegt. Zudem stellt sich die Frage, ob sich eventuelle Magmenreservoire unter den vulkanischen Zentren entdecken lassen und wie die Geschwindigkeit im oberen Mantel variiert. Wir präsentieren hier erste Resultate aus bis zu 14 Monaten Beobachtungszeit des CYC-NET. Dabei handelt es sich um ein von der Ruhr-Universität Bochum betriebenes seismisches Netzwerk aus bis zu 22 zeitgleich aktiven Stationen auf 17 Inseln, das auch zur Zeit (März 2004) noch registriert (Bohnhoff et al. 2003). Die Überdeckung im Raum der Kykladen wird hiermit im Vergleich zu den beiden seit einigen Jahren vorhandenen GEOFON-Breitbandstationen auf Thira (Santorini) und Naxos deutlich erhöht. Verwendet werden sowohl kurzperiodische (Mark L4-3D) als auch bis zu sechs breitbandige (STS-2) Stationen. Die Untergrundstruktur im Bereich der Kykladen wird mit zwei seismologischen Methoden untersucht: Receiver Functions und der Dispersionsanalyse der Phasengeschwindigkeit der Rayleigh-Grundmode. Beide Methoden arbeiten mit teleseismischen Daten und dienen hauptsächlich dazu, die S-Wellengeschwindigkeitsstruktur im Untersuchungsgebiet einzugrenzen. Bei der Auswertung von Receiver Functions werden hierzu P-zu-S konvertierte Phasen in der Coda des Ersteinsatzes verwendet, die an Diskontinuitäten im Untergrund hervorge- Symposium Subduktionszonen rufen werden. Diese Methode eignet sich daher gut, um scharfe Geschwindigkeitskontraste zu ermitteln und zu kartieren, liefert allerdings keine unabhängigen Tiefenoder Geschwindigkeitsinformationen. Die Dispersionskurven der Rayleigh-Grundmode wurden mit der Zweistationenmethode bestimmt. Dabei werden Phasendifferenzen zwischen Stationspaaren gemessen, die mit den betrachteten Ereignissen in etwa auf einem Großkreis liegen. Die Kurvenform ist hauptsächlich von Änderungen der mittleren S-Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefenbereichen abhängig und weniger sensitiv gegenüber der Schärfe von Diskontinuitäten. Die beiden Methoden können daher auf komplementäre Weise benutzt werden. Receiver Functions wurden sowohl für die kurzperiodischen als auch für die Breitband-Stationen berechnet. Da an einigen Lokationen beide Stationsarten nacheinander betrieben wurden, bietet sich hier eine Möglichkeit zum direkten Vergleich der Resultate. Aufgrund der 24 bit-Dynamik der Aufzeichnungen lassen sich auch an den kurzperiodischen Stationen, selbst an so ungünstigen Standorten wie relativ kleinen Inseln (bis hinunter zu 2 km2 Fläche), gute Resultate erzielen. Dispersionskurven der RayleighPhasengeschwindigkeit werden für alle sich ergebenden Kombinationen zwischen Breitbandstationen sowie verschiedene Laufwege zwischen kurzperiodischen Stationen berechnet. In letzterem Fall werden auch regionale Ereignisse verwendet, um die Dispersionsmessungen bis zu höheren Frequenzen ausdehnen und somit genauere Aussagen über krustale Geschwindigkeiten treffen zu können. 71 Unsere Untersuchungen ergeben eine Moho-Tiefe von etwa 23 km für den Bereich der Kykladen, die damit deutlich flacher ist als im Forearc-Bereich von Kreta. Die Daten einiger Stationen am Rand des Meßgebiets zeigen Hinweise auf eine zusätzliche Diskontinuität in 35 bis 40 km Tiefe, wie sie bereits aus der Receiver Function-Studie von Li et al. (2003) für die GEOFON-Breitbandstation auf Thira (Santorini) bekannt ist. Die subduzierte afrikanische Platte zeichnet sich bei der Dispersionsanalyse deutlich in Form von erhöhten Geschwindigkeiten in Tiefen unterhalb von 130 km ab. In den Receiver Functions wird die Bestimmung des Slab-Verlaufs durch Multiple der Moho-Konversion, die im gleichen Zeitfenster auftreten, erschwert. Referenzen: Bohnhoff et al., eingereicht bei SRL, 2003 Endrun et al., eingereicht bei Geophys. J. Int., 2003 Knapmeyer & Harjes, Geophys. J. Int., 143, 1-21, 2000 Li et al., Geophys. J. Int., 155, 733-748, 2003 Meier et al., eingereicht bei Geophys. J. Int., 2003 Webseite: http://www.geophysik.ruhr-unibochum.de 72 Abstracts S3K – Mi.,10.3.,15:40-16:00 Uhr · H0111 Spicak, A., Hanus, V., Vanek, J. (Geophysical Institute, Prague) Seismotectonic pattern and source region of volcanism in the Sunda Arc E-Mail: [email protected] The Sunda Arc, especially its central part comprising Java and Nusa Tenggara, with its strong seismic as well as volcanic activities represents one of the most stimulating regions for the scientists trying recently to understand the fundamental problems of geodynamic evolution of active convergent plate margins. During our previous investigations Figure 1: Vertical cross sections perpendicular to the trench giving the depth distribution of earthquake foci in relation to the trench below Lewotobi volcanic domain. The Java trench is denoted by an arrow, the central active volcano of the volcanic domain by black-and-white triangle. into the seismicity pattern of different convergent plate margins by means of narrow vertical cross sections perpendicular to pertinent oceanic trenches, we verified a regularly occurring intermediate-depth aseismic gap in the Wadati-Benioff zone directly situated below active calc-alkaline volcanoes. This fact led us to the conclusion that the partially melted aseismic part of the subducted Figure 2: Distribution of earthquake foci in seismically active column around and below Lewotobi volcano in the map of epicentres (top), in N-S (center) and E-W (bottom) vertical sections, respectively. Symbols of earthquakes and volcanoes as in Fig. 1. Symposium Subduktionszonen slab was likely to represent the main source of primary magma for active volcanoes at convergent plate margins. Volcanoes at convergent plate margins are generally agreed to be related to the process of subduction. However, the site of generation of calc-alkaline magma feeding these volcanoes is thought to be either in the mantle wedge above the slab or in the slab itself. Both concepts were predominantly based on geochemical analyses and experiments and related modelling. The results of our previous studies on the deep structure and seismotectonics of Sumatra inspired us to apply the set of relocated ISC data (Engdahl et al. 1998) in the regions of Java and Nusa Tenggara for studying the morphology and internal structure of the Wadati-Benioff zone, the active tectonic structures of the continental wedge and the possible relationship of seismic and volcanic activities. Our study on Krakatau (Spicak et al., 2002) pointed to an important phenomenon, to the existence of an uninterrupted column of earthquakes down to the upper boundary of the subducting slab at a depth of 100 km, which evidenced brittle character of the upper mantle of the continental wedge below the volcano. The study of seismicity patterns below and around ten active calc-alkaline volcanoes from eight different convergent plate margins demonstrated that an aseismic gap in the Wadati-Benioff zone directly below all active volcanoes under study did occur; however, the occurrence of a seismically active column below individual volcanoes might be present or absent. This seems to be caused by local conditions, the estimation of which cannot be done without a systematic investigation of active genetically homogenous arcs. The ubiquitous occurrence of the intermediate-depth aseismic gap in all Wadati-Benioff zones below active calc-alkaline volcanoes and the existence of 73 a column-like cluster of earthquakes below some active volcanoes leads us to the conclusion that the complex seismicity pattern spatially related to active volcanism could be used as an important tool for the solution of the problem concerning the source region of primary magma for subduction generated volcanism. The present study summarizes the seismotectonic results obtained in the central part of the Sunda island arc covering the islands of Java and Nusa Tenggara between 105ºE and 120ºE. In this region, the earthquake generation is an output of permanently running underthrusting of the Indo-Australian plate under the southeast margin of the Eurasian plate. References: Engdahl, E. R., van der Hilst, R. D., Buland, R., 1998. Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures for depth determination. Bull. Seismol. Soc. Amer. 88, 722-743. Spicak, A., Hanus, V., Vanek, J., 2002. Seismic activity around and under Krakatau volcano, Sunda Arc: constraints to the source region of island arc volcanics. Studia Geophys. Geod. 46, 545-565. 74 Abstracts S3L – Mi.,10.3.,16:20-16:40 Uhr · H0111 Rische, M. (Ruhr-Universität Bochum), Bohnhoff, M. (GFZ Potsdam), Meier, T., Harjes, H.-P. (Ruhr-Universität Bochum) Seismizität in der Hellenischen Subduktionszone - vom Forearc bis zum vulkanischen Bogen. E-Mail: [email protected] Die seismotektonische Situation in der Südägäis ist geprägt durch die Hellenische Subduktionszone. So bietet sich dort an der konvergenten Plattengrenze zwischen Afrika und der anatolisch-ägäischen Platte die Möglichkeit, die rheologischen und geodynamischen Prozesse einer rückschreitenden Subduktionszone zu studieren. Permanente regionale und globale Netzwerke können einen Überblick über die Verteilung größerer seismischer Ereignisse geben. Anhand des relokalisierten ISC-Katalogs kann die Benioff Zone mittels einzelner größerer Beben bis in etwa 120 km Tiefe identifiziert werden. Zur Untersuchung kleinräumiger Seismizitätsstrukturen und der mikroseismischen Verteilung ist eine Beobachtung mit lokalen Netzen angebracht. Lokale Netzwerke im Bereich Kretas erlauben eine Identifikation der seismogenen Zonen im Forarc der Subduktionszone. Durch das CYC-NET (Cyclades Network) soll das Bild der seismogenen Zone nach Norden vervollständigt werden und die Seismizität im Bereich des vulkanischen Bogens der Hellenischen Subduktion näher untersucht werden. Das CYC-NET ist ein temporäres seismisches Netzwerk bestehend aus bis zu 22 Breitband und kurzperiodischen Stationen auf den griechischen Kykladen. Die Stationen sind auf 17 Inseln installiert und mit kurzperiodischen 1 Hz Seismometern beziehungsweise STS-2 Breitbandinstrumenten und einer 24bit Aufzeichnungseinheit ausgestattet. Zwei der aktiven vulkanischen Zentren des Bogens (Milos und Santorini) liegen im Bereich des seismischen Netzes. Die ersten 15 Stationen wurden im September 2002 in Betrieb genommen. Die Geometrie des Netzwerkes wird durch zusätzliche Verwendung von Stationen des GEOFON-Netzes in den Kykladen und auf Kreta sowie Registrierungen des permanenten griechischen Netzes (NOA) erweitert. Diese Stationskonfiguration erlaubt über die Bestimmung von Hypozentren im vulkanischen Bogen hinaus die Untersuchung von mitteltiefen Beben in der Benioff Zone. Im ersten Jahr der Registrierung konnten ca. 2000 Ereignisse lokalisiert werden. Die daraus resultierende Seismizitätsverteilung weist eine Zweiteilung der Seismiztät von überwiegend flachen Beben im Bereich des Vulkanbogens und Beben in der Benioff Zone vorwiegend im südlichen Teil des Untersuchungsgebiets auf. Dabei stellen die oberen 15 km den seismisch aktivsten Teil des Untersuchungsgebietes dar. Im Bereich des Vulkanbogens können räumliche Häufungen von Beben beoachtet werden, die zum Teil mit den vulkanischen Zentren in Verbindung gebracht werden können. Eine Häufung von flacher Seismizität tritt zudem entlang einer SW-NE verlaufenden Zone zwischen Amorgos und Santorini auf, in deren Verlauf sich der submarine Kolombo-Vulkan duch besonders erhöhte seismische Aktivität auszeichnet. Symposium Subduktionszonen Webseite: http://www.geophysik.ruhr-unibochum.de 75 76 Abstracts S3M – Mi.,10.3.,16:40-17:00 Uhr · H0111 Becker, D., Rische, M., Bohnhoff, M., Meier, T., Harjes, H.-P. (Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik, Ruhr Universität Bochum) Raum-zeitliche Erdbebencluster in der Region Kretas E-Mail: [email protected] Das Auftreten von Erdbebenclustern mit Ereignissen, die eine hohe Ähnlichkeit in bezug auf ihre Wellenformen aufweisen, ist ein häufig beobachtetes Phänomen in Regionen mit schwarmartiger Seismizität. Dieses Verhalten ist vor allem für Zentren mit vulkanischer Aktivität aber auch an aktiven Plattengrenzen (z. B. Kalifornien) bekannt. Wir untersuchen das Auftreten von Erdbebenclustern in der hellenischen Subduktionszone im Bereich Kretas, wo die afrikanische Platte mit einer mittleren relativen Geschwindigkeit von 4 cm/y unter die Ägäis subduziert wird und die resultierende, nach Norden einfallende Wadati-Benioff-Zone bis in eine Tiefe von ca. 120 km aufgrund ihrer Seismizität nachgewiesen werden kann. Im Zuge mehrer Feldkampagnen mit temporären, kurzperiodischen seismologischen Netzen in den Jahren 19962003 wurde eine breite Datenbasis an Mikroseismizität im Bereich Kreta/Gavdos zusammengetragen, die in bezug auf mögliche Erdbebencluster ausgewertet wurde. Aus den unterschiedlichen Kampagnen standen mehr als 7500 Ereignisse für diese Clusteranalyse zur Verfügung. Fast die Hälfte aller bei der Analyse zur Verfügung stehenden Ereignisse entfiel auf die in den Jahren 2000/1 durchgeführte Kampagne in der Messara-Region Zentralkretas. Für diese Ereignisse standen P- und S-Einsatzzeiten sowie Hypozentren zur Verfügung, die im Zuge der Seismizitätsauswertung bereits bestimmt worden waren. Als erster Schritt der Clusteranalyse wurde für jede Station jeder einzelnen Kampa- gne eine separate Korrelationsmatrix mit allen zur Verfügung stehenden Ereigniskombinationen berechnet. Für die Korrelation im Zeitbereich wurde ein Zeitfenster gewählt, das sowohl den P- als auch den S-Einsatz umfasst, um die Information über die S-PDifferenzlaufzeit in die Korrelation einfließen zu lassen und dessen absolute Länge aufgrund der S-P-Differenzlaufzeit des entsprechenden Ereignisses an der jeweiligen Station berechnet wurde. Die Datenspur wurde im Zuge dieser Analyse im Bereich von 2-10 Hz gefiltert. Die endgültige Zuordnung der einzelnen Ereignisse zu den unterschiedlichen Clustern erfolgte mit Hilfe des Ansatzes des nächsten Nachbarn (’single linkage’), der eine mögliche Verbindung zwischen zwei Clustern aufgrund der beiden ähnlichsten Ereignisse aus den jeweiligen Clustern untersucht. Neben einem Schwellenwert für den Korrelationskoeffizienten wurde als weitere Bedingung für die Zuornung zu einem Cluster eine Mindestanzahl von Stationen definiert, an denen dieser Korrelationskoeffizient überschritten sein muß, um die Gefahr zu minimieren, dass Stationen mit nodalem P-Einsatz, an denen lediglich die charakteristische Signatur des Stationsuntergrundes korreliert wird, zu großen Einfluß auf das Ergebnis haben. Mit Hilfe dieser quantitativen Analyse konnte eine Vielzahl von Clustern identifiziert werden, die in ihrer Mehrzahl aus wenigen (24) Mitgliedern bestehen, von denen auf der anderen Seite allerdings auch über 30 Cluster fünf oder mehr Ereignisse umfassen. Die Symposium Subduktionszonen Clusteraktivität ist am ausgeprägtesten in den Regionen südlich Kretas, die bereits eine erhöhte Mikroseismizität aufweisen. Eine Clusteraktivität kann sowohl für die Interplattenseismizität als auch für die Aktivität innerhalb der Kruste nachgewiesen werden. Aufgrund der mit zunehmender Tiefe höher liegenden Detektionsschwelle sind die meisten mitgliederstärkeren Cluster in den oberen 15 Kilometern lokalisiert. Die Aktivität der gröseren Cluster zeigt neben der räumlichen auch eine klare zeitliche Konzentration, wobei diese Cluster in der Regel lediglich wenige Stunden oder Tage aktiv sind und keine spätere Reaktivierung aufweisen. Weiterhin ist es möglich, innerhalb dieser größeren Cluster aufgrund von geringen Wellenformenunterschieden eine weitere Unterteilung vorzunehmen, die auf die gleichzeitige Aktivität von unterschiedlichen Bereichen der Störungszone hindeuten könnte. 77 78 Abstracts S3N – Mi.,10.3.,17:00-17:20 Uhr · H0111 Rietbrock, A. (University of Liverpool), Bruhn, C. (Universitaet Potsdam), Bohm, M., Asch, G. (GFZ Potsdam), ISSA Working Group (Berlin) Relative Location and Momenttensor inversion from local earthquakes in southern Chile E-Mail: [email protected] The seismological ISSA experiment is giving a detailed insight into the seismicity distribution in southern Chile. During the nearly 5-month observation period the local network recorded approximately 350 earthquakes. Due to the low signal to noise ratio reliable first motion reading are difficult to achieve, which only very few clear readings. Therefore the construction of well-defined fault plane solutions based on first motions is often not possible. The determination of moment tensors is a solution to this problem. Since the whole waveform is used, only a few seismic recordings with a high signal to noise ratio are necessary to obtain a reliable focal mechanism. For small magnitude earthquakes (<5) the biggest obstacle up to now is the alignment of synthetic and observed waveforms. Inverting only for the amplitude spectrum, and therefore dropping the phase can mostly circumvent information the alignment problem. In total, 36 reliable fault plane solutions could be determined. Down to 50km depth only thrust events were found indicating the existence of a seismic coupling zone down to that depth. For deeper parts of the slab a complex pattern of normal, thrust, and strike-slip faulting is observed. The Arauco peninsula is characterized by a reduced seismic activity. The compression (P) and tension (T) axes of the focal mechanisms seem to bend around the peninsula indicating a very strong coupling between the upper and lower plate in this region. North of the Arauco peninsula an earthquake multiplet was observed. High correlation coeffi- cient for some of the earthquakes are found indicating that changes in fluid pressure could be responsible for the earthquakes. Fault plane solutions for the two largest events could be obtained indicating thrust faulting. Since the depth distribution of the events in the multiplet is between 0-20km in the continental wedge reaching down to the plate interface between Nazca plate and South America. Symposium Subduktionszonen 79 S3O – Mi.,10.3.,17:20-17:40 Uhr · H0111 Wüstefeld, A., Heidbach, O., Dirkzwager, J., Müller, B. (Karlsruhe) 3D-Finite element model of stress field changes due to slab-related earthquakes at intermediate depths in Vrancea, Romania E-Mail: [email protected] The Vrancea region, located in the southeast of the Carpathian mountains, is the main target of the Collaborative Research Centre 461 Strong Earthquakes at the University of Karlsruhe. The four major earthquakes between 1940 and 1990 with Mw>6.9 are characterized by cyclic variation of hypocentral depths at intermediate depths (70-200 km). They are related to the ongoing, almost vertical subduction of lithospheric material into the mantle. We investigate if a triggering process of the Vrancea earthquake sequence due to the stress field changes resulting from the previous events might have occurred. We model these stress field changes with a three dimensional finite element model taking the coseismic slip of the earthquakes as kinematic boundary condition. The elastic properties vary for the slab, mantle, crust and a transition zone. We analyse the cyclicity of the hypocentral depth of the Vrancea earthquakes by comparing the Coulomb failure stress changes (ΔCFS) on each Vrancea fault plane with two approaches: a) single event approach: here only the directly preceding earthquake is responsible for the instantaneous stress relaxation b) cumulative approach: under the assumption that the stress is preserved, the cumulated stress changes of all preceding earthquakes are computed. In both analyses ΔCFS on the fault plane of each earthquake is either positive or close to zero with positive ΔCFS magnitudes in the order of tens of kPa. The comparison of these magnitudes with the stress drop of each earthquake gives a clock advance in the order of a few months. The time differences of 37, 9 and 4 years between the earthquakes indicate that timing of the earthquakes is not only a consequence of static stress changes, but may also result from tectonic loading and stress field changes due to viscous processes. 80 Abstracts S3P01 Enns, A., Schmeling, H. (Institut für Geophysik, J.W.-Goethe Universität, Frankfurt am Main), Becker, T. W. (Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego, USA) Einfluss verschiedener Faktoren auf die Dynamik der Subduktion und ’Trench Migration’ E-Mail: [email protected] Eines der wichtigsten antreibenden Prozesse der Plattentektonik ist Subduktion. Um die Dynamik der Subduktion und ’trench migration’ zu verstehen, haben wir eine Reihe 2D numerischer Experimente mit dem Finite Differenzen Programm FDCON (Schmeling und Marquart, 1991) durchgeführt. Unsere Modelle enthalten eine abtauchende Platte, die durch einen Viskositäts- und Dichtekontrast zum Mantelmaterial beschrieben wird. Um den unteren Mantel zu modellieren, wird ein Viskositätssprung in 660 km Tiefe angenommen. Die Viskosität und Dichte wird mit dem Markerverfahren advektiert. Die Modelle sind isotherm, d.h. es werden nur Kontinuitäts- und Bewegungsgleichungen gelöst. Damit sich die abtauchende Platte leichter von dem oberen Rand der Modellbox lösen kann, wird in kleineren Tiefen visko-plastische Rheologie angenommen. In grösseren Tiefen sind die Modelle viskos. Es wurden Modelle mit symmetrischen und periodischen (z.B.Gottschaldt, 1997) Randbedingungen gerechnet, wobei an den Rändern das Material gleiten kann (”free slip”). Für symmetrische Randbedingungen ist die Platte entweder an einem Rand fixiert oder kann sich frei bewegen. Für periodische Randbedingungen ist die Platte immer frei. Mantel hervorrufen kann, wenn der Slab die 660 km Grenze erreicht. Die Slabs mit symmetrischen Randbedingungen tendieren mehr zur Faltung als die Slabs mit periodischen Randbedingungen aufgrund der begrenzten Strömung. Slabs mit unterschiedlichen Viskositäten und Dicken zeigen unterschiedliches Verhalten. Die dünnen Slabs sind für alle Randbedingungen gefaltet. Die Slabs mit etwas höheren Viskositäten (Viskositätskontrast zwischen dem Slab und dem oberen Mantel von etwa 500) tauchen fast senkrecht in den unteren Mantel ein und zeigen eine grosse Faltungswellenlänge. Der ’trench’ bewegt sich in kontinentale Richtung nach dem Eintauchen vom Slab in den unteren Mantel. Die Slabs mit den Viskositätskontrasten zu dem oberen Mantel von 50 bis etwa 500 zeigen ’trench migration’ nur in Richtung der abtauchenden Platte. Die ’trench retreat’ Geschwindigkeit ist für diese Modelle und periodische Randbedingungen beinahe konstant, wärend sie für die Modelle mit symmetrischen Randbedingungen stark abnimmt, wenn der Slab den unteren Mantel erreicht. Wenn man die ’trench retreat’ Geschwindigkeit mit der Abtauchgeschwindigkeit normiert, kommt man auf die Werte von etwa 0.3 bis 0.4, wobei die normierte Geschwindigkeit starke Variationen nach Die Randbedingungen beeinflussen die Dydem Eintauchen der freien Slabs in den untenamik der Subduktion. Der Hauptunterschied ren Mantel aufweist. zwischen den Modellen mit periodischen und symmetrischen Randbedingungen ist, dass der abgetauchte Teil der Platte die Relativbewegung zwischen dem unteren und oberen Symposium Subduktionszonen 81 S3P02 Rüpke, L., Phipps Morgan, J. (Geomar FZ), Hort, M. (Universität Hamburg), Connolly, J. (ETH Zürich) The subduction zone water cycle and its role in rehydrating the Earth’s mantle E-Mail: [email protected] The subduction zone water cycle, the hydration and dehydration of subducting oceanic lithosphere, is a key process in understanding arc magmatism and volatile recycling processes. During subduction, fluids are released by metamorphic reactions from the sediment, crustal, and mantle portions of the downgoing plate into the mantle wedge where they may trigger arc melting. But the subduction zone water cycle is also related to the formation and evolution of the oceans. Although the initial Earth probably accreted a large amount of exospheric water it is likely that the moon forming impact led to the dessication of the exosphere. After this impact, strong volcanic activity on the young Earth led to the outgassing of water from the mantle which ulti- Figure 2: Modelled geologic water cycle over time. In (a) the water content of the Earth’s mantle and exosphere is plotted against time; (b) shows water recycling rates at subduction zones and the water outgassing rates at ridges and hotspots over time. mately formed the oceans. It remains, however, a matter of vigorous debate how much water remained within the mantle, how much outgassed into the oceans, and how much water is potentially recycled back into the mantle at subduction zones. A better understanding of the subduction zone water cycle is therefore critical for better understanding the chemical evolution of the Earth’s mantle and exosphere. Here we will further study the subduction zone water cycle and the global geologic surface water cycle by using numerical models. We use a chemo-thermo-mechanical subduction zone model to solve for water release and water recycling at subduction zones. In order to link these results to the global geologic water cycle, i.e. the outgassing of water at ridges and hotspots and the recycling of water at subduction zones, we couple the 2D subduction zone model to a parameterised mantle convection model. We find that subducted sediments and crust efficiently dewater during subduction and that deep water recycling at subduction zones may easily be dominated by subduction of residual serpentinites (Fig. 1). In a series of numerical experiments we find that for a wide parameter range the Earth’s mantle will have highly outgassed over time (93%) and presently contains only 20% of its initial water (Fig. 2). These numbers can be converted into the average water concentrations: in the above scenario the 7% of primitive mantle would contain 688ppm, depleted but subduction replenished mantle would contain 138ppm of which 90ppm are subduction 82 Abstracts Figure 1: Outcome of two different model runs: in (a,c) 40My old oceanic lithosphere and in (b,d) 120My old oceanic subducts. In (a) and (b) the modelled regions of water release and in (c) and (d) the slab’s changing absolute water content are shown during subduction. It is clear that in an old and cold slab deep water recycling is dominated by serpentinized mantle; sediments and ocean crust dewater much more efficiently. related. These findings are in striking agreement with the recent results of Dixon et al. (2002) who estimated water concentrations for some mantle components and concluded that the most primitive (FOZO) are significantly wetter (750ppm) than the recycling associated EM or HIMU mantle components. If mantle melting preferentially occurs first in its most volatile–rich or incompatible element– rich components, then it would be completely consistent that hotspots with a FOZO– component in their source will make wetter basalts than hotspots whose mantle sources contain a larger fraction of EM and HIMU components, and also consistent that progressive upwelling and pressure–release melting beneath a mid–ocean ridge should eventually be able to melt the mantle to the point where a 90ppm recycled slab component was the only remaining water source to contribute to the more depleted MORB. Thus these results are consistent with a plum-pudding whole mantle convection evolution scenario in which plate subduction plays an important role in partially filtering the water content of the recycled sediments and crust that form the sources of the more enriched mantle plums. Symposium Subduktionszonen 83 S3P03 Booth-Rea, G., Klaeschen, D., Grevemeyer, I. (GEOMAR) Influence of the thermal structure of the Cascadia accretionary margin on its structural style and growth: insights from prestack-depth migrated seismic sections and BSRderived heat-flow calculations. E-Mail: [email protected] One of characteristics which differentiate the Cascadia accretionary margin (Fig. 1a) from other subduction zones is its high thermal gradients. These are related both with the young age of the underthrusting Juan de Fuca oceanic plate (approximately 12-6 Ma) and the thick sedimentary cover overlying this plate (2.5-5 km), which acts as an isolating layer favouring conductive heat transfer from the subducting plate. BSR-derived heat-flow ranges between 100 and 50 mW/m2 at the toe of the accretionary wedge and within the middle slope, respectively (Fig. 1b). Direct downward calculations of the temperature at the plates interface indicate temperatures ranging between 200 and 300 ºC at the deformation front and below the slope break, respectively. These high thermal gradients affect the structure of the Cascadia accretionary wedge, with structural style changing both laterally and in depth. Structural analysis using GEOSEC software and prestackdepth migrated seismic sections shows two different thrust wedges. The deeper wedge is a seaward-vergent hinterland-dipping duplex (core duplex). Overlying the duplex there is a landward-vergent imbricate fan that roots in a middle detachment, which constitutes the roof thrust of the core duplex. Downward increasing dip of sedimentary layers in the hangingwall flat above the footwall ramp of the first thrust in the toe of the accretionary wedge indicates differential horizontal shortening with depth. Differential shortening is also evi- denced from balanced and restored sections, which show systematic area loss in the lowest sedimentary unit in the toe of the wedge. The downward increase in the shortening is probably related with more effective cleavage development, enhanced by higher temperatures at depth. Lateral changes in the structural style along the transport direction are also observed (Fig. 1b). Four structural domains can be distinguished; starting from the toe of the wedge: 1)a domain of landward vergent thrusts, 2) a triangular zone, 3) an area of detachment folds with minor thrusting, and 4) an area of out-ofsequence seaward-vergent thrusts, which coincides with a break in the taper angle of the wedge (Fig. 1b). Between regions 3 and 4, the roof detachment of the core duplex is warped, uplifted and cut by out-of-sequence thrusts. This process coincides with the intersection of the 300 ºC isotherm with the plate boundary (Fig. 1b), hence, with initiation of lower-greenschists metamorphism and plastic deformation of the core-duplex sediments. We suggest that ductile vertical thickening is an effective way to uplift rocks from the deepest parts of the accretionary wedge, a process that increases the strength of the wedge, favouring an increase in the taper and promoting forward propagation of out-of-sequence thrusts. This process promotes seaward migration of the lower-middle slope break and seaward growth of the accretionary wedge. 84 Abstracts Figure 1: a) Location of the analysed seismic sections in the Cascadia accretionary margin offshore Washington, b) Line-drawings of the interpreted prestack-depth migrated seismic sections, together with BSR-derived heat-flow results. Notice uplifted middle detachment located above region where plastic thickening initiates. No vertical exaggeration. Symposium Subduktionszonen 85 S3P04 Fekete, N. (Univ. Kiel), Spiess, V. (Univ. Bremen), Reston, T. (Geomar, Kiel) Seismo-acoustic Investigation of Mud Mounds and Gas Hydrates on the Costa Rican / Nicaraguan Margin E-Mail: [email protected] The convergent margin offshore Costa Rica / Nicaragua is the focus of studies within SFB 574:“Volatiles and Fluids in Subduction zones: Climate Feedback and Trigger Mechanisms for Natural Disasters”. Subproject B1 set out to study fluid flow and transient storage in the forearc region using multifrequency seismoacoustic methods. The two main targets are mounds, as sites of active fluid venting at the seafloor, and gas hydrates, formed by the passage of methane from below into the hydrate stability zone (HSZ). The example presented is Mound Culebra, a mud dome of probable diapiric origin offshore Nicoya peninsula. During the R/V Meteor Cruise M54/1, 40 narrow-beam echosounder and high resolution seismic reflection profiles were collected over the mound in collaboration with the University of Bremen, supplemented with OBH/S recordings (Fig. 1). Straight segments of distinct topographical steps on the order of 10 m, identified in the bathymetric data, correlate in seismo-acoustic profiles to seaward-dipping reflector discontinuities which reach full penetration depth and are associated with a landward tilting of at least the upper 100ms of sediments. This observation implies ongoing active faulting. The very low-angle nature of the faults and their trench-ward dip suggest that they may be related to downslope movements of the slope sediment rather than simply to extensional tectonics. Sediment layering does not indicate any recent uplift or tilting, or massive mud flows in the close vicinity of Mound Culebra. Inferred fault surfaces also seem to be accompanied by seismic reflection amplitude anomalies, highlighting alternative fluid migration pathways with respect to mud diapirs. The subsurface directly beneath Mound Culebra displays no structures, although this may partly be a result of higher signal scattering and attenuation due to topography and sea floor material (patches of carbonate crust) beside being a consequence of fluid saturation and lack of reflectors. However, several locations show significant amplitude variations in Figure 1: Location map of narrow-beam the vicinity of the mound. Their shape is trianechosounder, MCS and OBH/S data collected gular, widening with depth, are characterised during R/V METEOR Cruise M54-1. Thick by a low-amplitude body and/or a sharp top reline shows location of Fig. 2. flection, and may be of similar origin as Cule- 86 Abstracts Figure 2: MCS profile GeoB 02-430. Note reflection amplitude anomalies and BSR variations. bra itself. A sharp, negative polarity bottom simulating reflector appears in the streamer profiles at about 600 ms below sea floor. It is interpreted as the bottom of the HSZ and is well traceable in the vicinity of Mound Culebra. It is characterised by both local and regional variations in depth (shoaling from NW landwards and towards Mound Culebra) as well as in reflection amplitude. These anomalies may in turn be explained by anomalous thermal regime due to upward fluid migration and by the variation of free gas / hydrate content in the sediment (Fig. 2). Symposium Subduktionszonen 87 S3P05 Gossler, J., Flueh, E., Goltz, C., Arroyo Hidalgo, I. (Kiel) Passive Seismology On- and Offshore Costa Rica E-Mail: [email protected] The goal of the SFB 574 ”Volatiles and Fluids in Subduction Zones” subproject A2 is to study the seismogenic zone of Costa Rica and Nicaragua as examples of an erosive margin and to better understand the local variability. Within the first phase of the SFB we studied the seismogenic zone in two adjacent areas of Costa Rica. One of the areas is characterised by the subduction of a seamount, the other one contains a megalens structure, which had been inferred from reflection seismic data before and which is interpreted to indicate a possible mechanism for mass transfer from the upper to the lower plate. An amphibious seismic network, consisting of 23 ocean bottom sensors from GEOMAR and 15 landstations from the GFZ Potsdam, was deployed in the coastal Pacific region of central Costa Rica near Jaco in April 2002. The network was moved south-east towards Quepos in October 2002 and operated until spring this year. From April until October 2002, the onshore network registered 2,898 seismic events, an average of about 16 events per day. So far, 1.280 earthquakes occurring between April and July 2002 had been located (Fig. 1).Most of the earthquakes took place offshore beneath the continental margin close to or beneath the network. The joint hypocenter determination of these events with both, the on- and the offshore network, will deliver very precise earthquake locations, because both parts of the network enclose the source region very well. Another region of high seismic activity is located southeast of the onshore network, where a magnitude 6.3 earthquake took place on June 16, 2002, followed by several hundred aftershocks. A trench parallel depth section of the hypocenter locations (Fig. 1) yields a first impression of the shape of the seismogenic zone and the downgoing plate. The deep layer of hypocenters above 40 km depth in the area of the June 16 earthquake is likely connected to uncertainties in hypocenter determination due to the far distance of these events from the network. A preliminary look at the basic statistical properties of the first 1183 events from the JACO land based network yields that the catalogue, while being quite heterogeneous in time, is of sufficient quality for detailed (statistical) studies. From the cumulative frequencymagnitude distribution (FMD) of the data, i.e. the Gutenberg-Richter plot, one may estimate a magnitude of completeness of about Mc = 2.5. The completion of the processing of the datasets, which contains more than 10.000 events, is in progress. We applied the double difference (DD) relocation technique in a very first attempt to the JACO land based data set using high quality cross-correlation data with a correlation coefficient >0.7. The DD relocation technique takes advantage of the fact that if the hypocentral separation between two earthquakes is small compared to the event-station distance and to the scale length of velocity heterogeneity, then the ray paths between the source region and a common station are similar along almost the entire ray path. In this case, the difference in travel times for two events ob- 88 Abstracts Figure 1: Hypocenter locations determined with the JACO land based network. High quality locations (black circles) have a minimum of 7 stations supporting valid phases and a maximum RMS of 0.3. The shape of the seismogenic zone and the downgoing slab can be observed on the right-hand trench parallel depth section. The station sites (triangles) and the NEIC location of the June 16, 2002 earthquake (white cross) are indicated. served at one station can be attributed to the spatial offset between the events with high accuracy. We found that the relocated hypocenters are more focussed in their depth range and shifted trenchward away from the network. Few earthquakes are shifted to doubtful loca- tions far away from the network. Web page: http://www.geophysik.uni-kiel. de/≈geo43/research/projects/sfb574.html Symposium Subduktionszonen 89 S3P06 Krabbenhoeft, A., Bialas, J., Kopp, H. (GEOMAR, Forschungszentrum fuer Marine Geowissenschaften), Kukowski, N. (GeoForschungsZentrum Potsdam) The Peruvian Margin: Subduction Processes from Wide-Angle Seismic Data E-Mail: [email protected] Within the scope of the GEOPECO (Geophysical Experiments at the Peruvian Continental Margin) project, active seismic investigations along the Pacific margin of Peru were carried out using ocean bottom hydrophones (OBH) and seismometers (OBS) recording marine airgun shots. The structure and the P- wave velocity of the oblique subducting Nazca and overriding South-American Plates from 8degS to 15degS were determined by forward modeling and tomographic inversion of the wide-angle seismic data combined with the analysis of reflection seismic data. The region south of 12degS has been influenced by the southward migration of the aseismic Nazca Ridge the past 11 Myrs. Mendana Fracture Zone (MFZ) on the oceanic Nazca Plate marks a transition zone of a different crustal age of approximately 28 Ma in the north to 38 Ma in the south at the Peruvian trench. The oceanic crust of the Nazca plate, with a thin pelagic sediment cover, has an average thickness of 6.4 km. An intracrustal layer can be observed across the entire Peruvian margin. The P-wave velocities of the upper crustal layer displays values from 4.7-6.1 km/s and the refractions of the lower crustal layer show velocities from 6.4-7.3 km/s. The P-wave velocity of the mantle is overall 7.9-8.1 km/s. The steep lower slope of the continental margin is associated with the frontal prism of 12-15 km width, displaying low seismic Pwave velocities of 1.9-2.0 km/s. These frontal sediments accrete against a backstop structure which is defined by higher seismic velocities of 3.5-6.0 km/s. Basal erosion is inferred by the low seismic velocities of the frontal prism, the large variations in the surface slope and the bending of the subducting slab. A subduction channel cannot be resolved by forward modeling of the refraction data but amplitude modeling indicates a low seismic velocity layer on top of the subducting slab. 90 Abstracts S3P07 Weinrebe, W., Ranero, C. R. (Kiel, GEOMAR), Diaz, J. (Valparaiso Chile, UCV), Reichert, C. (Hannover, BGR), Vera, E. E. (Santiago de Chile, UChile) Continental Margin Tectonics Along the Convergent Plate Boundary of Central Chile E-Mail: [email protected] Multibeam bathymetry along central Chile provides a detailed map of recent tectonic deformation of the margin and incoming oceanic plate from about 28° S to 36° S. The data were collected during R/V SONNE cruises 101, 102, 104 and 161 and a cruise with R/V Vidal Gormaz. Individual pings were edited and cleaned and the different surveys have been merged after depth calculations using a different measured velocity function for each of them. The oceanic Nazca plate is covered by about 100 m of pelagic sediment and the morphology of the igneous basement is displayed well in the bathymetric maps. The oceanic plate topography changes markedly along the subduction zone and exerts a first order control in the distribution of trench sediment infill and in the tectonic style of deformation of the margin. A major boundary occurs at latitude 32°-33° S where the hotspot volcanic chain of Juan Fernadez is currently subducting. The chain subducts oblique to the margin strike and thus the tectonic boundary has been migrating along the subduction zone through time. South of the area of ridge subduction the trench is filled with turbidites and a 20-40 km wide accretionary prism occurs at the front of the continental slope. The upper slope has a smooth morphology indicative of a quiet tectonic domain. At the current area of ridge subduction and north of it (28°-33°S) the trench has a reduced turbiditic infill. The trench infill seems to be at minimum at 31°-32°S and slightly larger to the north as the trench axis becomes deeper. Here, a small ridge at the slope toe may indicate that reduced accretion is active. The continental slope is deeper and more rugged than to the south displaying a series of small midslope basins. Here, the continental slope morphotectonic structure is the product of tectonic erosion due to the passage of the volcanic ridge. Figure 1: Perspective image of the continental margin off Central Chile between 33.5° S and 30.9° S. View from Southwest overlooking the incoming oceanic plate towards the continental margin. Symposium Subduktionszonen 91 S3P08 Haberland, C. (Universität Potsdam), Rietbrock, A. (University of Liverpool), Schurr, B. (CTBTO, Wien), Brasse, H. (Freie Universität Berlin) Seismische Absorption und elektrische Leitfähigkeit unter dem südlichen Altiplano Hochplateau (Bolivien) E-Mail: [email protected] Registrierungen lokaler Erdbebendaten mit den temporären seismologischen Netzen ANCORP und PISCO wurden verwendet, um die dreidimensionale Absorptionstruktur (Q p ) von Kruste und oberem Mantel unterhalb des südlichen bolivianischen Hochplateaus bei 21° S (Altiplano) zu berechnen. Die Dämpfung (t ∗ ) der jeweiligen P-Wellenformen wurde mittels Spektralinversion ermittelt, und anschließend eine tomographische Inversion der Daten durchgeführt. Insgesamt verwendeten wir 14481 t ∗ Werte von 1195 sorgfältig ausgewählten lokalen Erdbeben. Durch die Hinzunahme von Daten weiter östlich gelegener Beben sowie einer größeren Anzahl von Beobachtungen an Stationen auf dem Altiplano konnten wir eine gegenüber früheren Untersuchungen verbesserte Auflösung des östlichen Bereiches erzielen. Die tomographischen Modelle weisen eine stark dämpfende mittlere und untere Kruste sowie einen nur wenig absorbierenden oberen Mantel unterhalb des südlichen Altiplano auf. Unterhalb des rezenten magmatischen Bogens findet sich auf dieser Breite (21° S), anders als weiter südlich, keine Zone signifikant erhöhter Absorption. Der kontinentale forearc und die subduzierte Nazca Platte sind nur gering dämpfend. Die krustale Verteilung der Q p Anomalien deckt sich sehr gut mit der Verteilung der extrem erhöhten elektrischen Leitfähigkeit. Die Übereinstimmung der Anomalien dieser beiden unabhängig voneinander gewonnenen Parameter lässt Rückschlüsse auf die möglichen Ursa- chen zu. Die Ergebnisse scheinen die Hypothese zu bestätigen, daß partielle Schmelzen unterhalb des Plateaus großräumig vorhanden sind. Darüber hinaus sehen wir keine direkten Hinweise auf eine flache Asthenosphäre unterhalb dieses Bereiches des Plateaus. 92 Abstracts S3P09 Krawczyk, C.M., Lohrmann, J., Stiller, M., Mechie, J., Oncken, O. (Potsdam, GFZ), Bataille, K. (Concepcion, Chile), SPOC Research Group, X. (X) Crustal Growth in the 1960 Chile Earthquake Area – Results from SPOC Reflection Seismics and Sandbox Simulation E-Mail: [email protected] At active continental margins subduction leads to complex and variable patterns of internal structural architecture and mass transfer. While accretion and volcanism may cause continental growth by material transfer from the oceanic to the continental plate, tectonic erosion results in net loss of continental material. Factors such as plate convergence, thermal and mechanical state, fluids, degree of mechanical coupling between the plates and others are supposed to control the overall margin geodynamics (e.g. Pacheco et al. 1993, Tichelar & Ruff 1993). However, the mechanisms of great interplate earthquakes, rupture nucleation and the relevance of material variation in the subduction channel are still poorly understood. Our integrated study aims at a quantitative understanding of megathrust earthquake seismicity in subduction zones and its relation to processes at depth and at the surface. The southern Chilean convergent margin provides a natural laboratory for our studies. Here, the largest instrumentally recorded earthquake occurred in 1960 (Mw = 9.5) and ruptured the margin starting at 38°S towards the south for c. 1000 km (Cifuentes 1989, Engdahl & Villasenor 2002). Recent GPS data reveal this part of the upper plate to still be in the postseismic relaxation stage (Khazaradze & Klotz 2003). As part of the survey SPOC (Subduction Processes Off Chile), a combined onshoreoffshore, active-passive seismic experiment was carried out between 36°and 39°S, linking the marine profiles (SO161 Shipboard Scientific Party 2002) to the subduction features observed onshore. The offshore profiles reveal that the trench fill of up to more than 2 km seems to be subducted through a thick subduction channel, thereby suggesting a non-frontal accretionary subduction mode here. A pilot seismic reflection experiment covered the coastal onshore-offshore transition along an E-W line at 38.2°S and provides in combination with the marine data the first complete high resolution coverage of an entire seismogenic plate interface (Krawczyk & the SPOC Team 2003). The near-vertical incidence reflection (NVR) seismic experiment extends across the onshore forearc along a 72 km long, single-fold coverage profile encompassing a 45 km long 2-fold CDP line in its centre. The depth-migrated seismic section shows an image of different reflection bands down to some 40 km depth. E-dipping reflections between 20 and 45 km depth correlate with Wadati-Benioff seismicity and can be interpreted as imaging the top of the downgoing plate, also calibrated by wide-angle data gathered along the same profile (Lueth et al. 2003). A change of the downdip image approximately correlates with the downdip end of the seismogenic plate interface as defined by geodetic modelling. In the upper part of the entire reflection profile, a subparallel, 3-km-thick strong reflection band is observed between 8 and 11 km Symposium Subduktionszonen depth. Different mainly E-dipping prominent reflections with convex upward shape are imaged between 5 and 25 km depth. These bands mimic the internal structure of the PermoTriassic accretionary wedge exposed at the surface, integrating meta-basites in a dominantly meta-sedimentary nappe pile that was accreted to the base of the wedge. Geological mapping documents active normal faulting in some places, where steep fault traces could also be interpreted in the seismic section. These dissect the entire accreted sediment pile, but are thought to represent backthrusts that might reach down to some reflections that presumably mark the top of the subduction channel which supplies the material necessary for basal accretion. In scaled sandbox experiments, appropriate analogue materials simulate the mechanical behaviour of the plate interface, the incoming sediments and the continental basement in the brittle part of the upper crust. Here, antiformal stacking of basally accreted material is only produced when the plate interface has a substantially high friction and roughness, and when the incoming material contains a weak layer along which a mid-level detachment can be generated (Lohrmann 2002). Under these conditions the material beneath the mid-level detachment is underthrust in a subduction channel and basally accreted at greater depth. This results in convex upward thrust units and bending of the overlying wedge, which is uplifted along steep backthrusts. Thus, from the first-order agreement with the structures observed on the SPOC onshore reflection profile we conclude that this process controls the seismic architecture of the southern Chilean crust. Cifuentes, I.L. 1989. The 1960 Chilean Earthquakes. JGR, 94 (B1), 665-680. Engdahl, E.R., Villasenor, A., 2002. Global 93 Seismicity: 1900-1999. In: International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Academic Press, Amsterdam, p. 665-690. Khazaradze, G., Klotz, J. 2003. Short- and long-term effects of GPS measured crustal deformation rates along the south central Andes. JGR, doi:10.1029/2002JB001879. Krawczyk, C.M. & the SPOC Team, 2003. Amphibious seismic survey images plate interface at 1960 Chile earthquake. EOS, Transactions, AGU, 84 (32), 301, 304-305. Lohrmann, J. 2002. Identification of parameters controlling the accretive and tectonically erosive mass-transfer mode at the SouthCentral and North Chilean forearc using scaled 2D sandbox experiments. PhD-thesis, FU Berlin. STR02/10 at http://www.gfzpotsdam.de/bib/zbstr.htm Lueth, S., Mechie, J., Wigger, P., Flueh, E.R., Krawczyk, C.M., Reichert, C., Stiller, M., Vera, E., SPOC Research Group, 2003. Subduction Processes Off Chile (SPOC) – Results from the amphibious wide-angle seismic experiment across the Chilean subduction zone. Geophysical Research Abstracts, 4. Pacheco, J.F., Sykes, L.R., Scholz, C. 1993. Nature of seismic coupling along simple plate boundaries of the subduction type. JGR, 98, 14133-14159. SO161 Shipboard Scientific Party, 2002. Cruise Report SO-161 (Legs 2, 3), SPOC. BGR internal report, Hannover, 142 p. Tichelaar, B.W., Ruff, L. 1993. Depth of seismic coupling along subduction zones. JGR, 98 (B2), 2017-2037. 94 Abstracts S3P10 Meyer, U. (GeoForschungsZentrum Potsdam) Ergebnisse einer aerogravimetrischen Befliegung von Südchile E-Mail: [email protected] Die Anden dominieren weit mehr als die nördliche Hälfte von Chile. Ein Schnitt durch die Erdkruste um Zentralchile von West nach Ost beginnt mit der ozeanischen Platte, die sich vor dem chilenischen Kontinentalrand leicht aufwölbt, bevor sie sich unter den Kontinent schiebt. Dadurch entsteht eine lange Tiefseerinne, die dem Schelfgebiet vorgelagert ist. Nahe der Küstenlinie formt sich ein Küstengebirge (die Küstenkordilliere), gefolgt von einem Nord-Süd laufendem Längstal, einer Vulkankette und schließlich den Anden (der Hauptkordilliere). Diese Tiefseerinne zieht sich über 4000 km lang von Kolumbien über Ecuador und Peru bis nach Chile. Von 5 Grad Süd bis nach etwa 39 Grad Süd kann sie als ein steiler Graben mit scharfen Konturen beschrieben werden, als eine scharfe Trennlinie zwischen der ozeanische Platte und einem schmalen kontinentalen Schelfgebiet. Ab etwa 39 Grad Süd ändert sich der Charakter der Tiefseerinne. Nach Süden hin verflacht sie und verliert an Kontur. Bei etwa 39 Grad Süd verläuft die Valdivia Bruchzone in West-Ost-Richtung über die ozeanische Platte. Sie trennt ein alte, kalte und steife ozeanische Platte im Norden (30 Grad Süd: etwa 40 Ma) von einer jüngeren, wärmeren und elastischeren im Süden (38 Grad Süd: etwa 35 Ma, 46 Grad Süd: etwa 0 Ma). Gleichzeitig verflacht auch das Hochgebirge der Anden von Norden (15 Grad Süd bis 30 Grad Süd: etwa 6000 m) nach Süden zu einem Mittelgebirge (33 Grad Süd bis 34 Grad Süd: etwa 3000 m). Ähnliches gilt für das Küstengebirge. Um 39 Grad Süd herum finden also von Nord nach Süd große Änderungen in der Ausprägung der Subduktionszone und der Gebirgsbildung statt, von den hier nur einige, äußerlich prägnante Beispiele genannt wurden. Um die Frage zu beantworten, warum bei gleichem Kollisionsverhalten in Nord und Süd trotzdem so verschiedene Strukturen entstehen, wurde der Ozean-Kontinent-Übergang um 39 Grad Süd zur Untersuchung ausgewählt. Die Erkundung fand mittels Flugzeugbeobachtungen statt, um den Übergang zwischen Ozean und Kontinent ohne Lücken zu erfassen. Die Flugkampagne wurde in zwei Hälften geteilt. Die erste Kampagne sollte den nördlichen Teil der Übergangszone zwischen 37 Grad Süd und 39 Grad Süd erkunden, die Befliegung des anschliessenden Gebietes zwischen 39 Grad Süd und 41 Grad Süd steht noch aus. Der nördliche Teil wurde aus zwei Hauptgründen zeitlich vorgezogen: zum einen überdeckt und ergänzt die Flugkampagne mit Aerogravimetrie ein Teil des Messgebiets der FS Sonne, in dem neben marin-gravimetrischen Messungen auch seismische Messungen stattfanden, zum anderen ist dieser Teil wettermäßig einfacher zu bewältigen, da hier über eine ausgedehnte Sommerperiode hinweg günstige Flugbedingungen anzutreffen sind. So konnte im nördlichen Teil im Vergleich zu den FS Sonne Daten die Datenqualität geprüft werden und der erste Aerogravimetrieeinsatz auf einer chilenischen Twin Otter unter günstigen Bedingungen getestet werden. Das Poster zeigt die Ergebnisse der Befliegung in der geophysikalischen und geodätischen Auswertung. Symposium Subduktionszonen 95 S3P11 Bohnhoff, M. (Potsdam, GFZ), Meier, T., Becker, D., Harjes, H.-P. (Bochum, RUB) Monitoring seismicity at the convergent plate boundary offshore Crete, Greece, using Ocean Bottom Seismometer (OBS) E-Mail: [email protected] The south Aegean region with the convergent margin between the oceanic African lithosphere and the Eurasian plate offers a unique opportunity for the study of rheology and geodynamic processes at retreating subduction zones. The active continental margin is located south of Crete in the Libyan Sea and approaches the passive continental margin of northern Africa due to roll back of the Hellenic subduction zone and the convergence between Africa and Eurasia. At the eastern part of the plate boundary the collisional regime is overprinted by transtensional deep sea depressions formerly misinterpreted as deep sea trenches of the Hellenic subduction zone. There, existing structural models as well as the distribution of local seismicity pose a number of questions that cannot be answered by the existing network geometry due to large azimuthal gaps and a high detection threshold for seismicity occurring at the plate boundary. To address the open questions it is a fundamental necessity to decrease the detection threshold for local seismicity and to improve the accuracy of hypocenter determination in the area of interest. Here, we present first results of an offshore network consisting of Ocean Bottom Seismometers (OBS) that was installed directly on top of the plate boundary. 96 Abstracts S3P12 Sodoudi, F., Kind, R. (GeoForschungsZentrum Potsdam) A receiver function study in Greece and the Hellenic subduction zone E-Mail: [email protected] Data from 21 temporary seismological stations, operated in 1997 by France and 21 permanent stations, operated by the National Observatory of Athens across the Aegean islands and continental Greece were analysed using the receiver function approach. We used also data from seven additional long term broadband stations of the GFZ Potsdam on the island of Crete and in the southern Aegean Sea and one station of the MEDNET on the island of Crete. The teleseismic events recorded by these stations provided useful data to investigate the crustal and upper mantle structure beneath this region. Converted P-S energy from the Moho is clearly observed beneath mainland Greece and the Aegean Sea, while the crustal structure and Moho discontinuity in Crete and southern Aegean is very complex. The Moho beneath continental Greece is at a depth ranging from 28 to 38 km and is shallowing to 23-26 km beneath the stations on the Aegean islands. The 410 and 660 km discontinuities of upper mantle under continental Greece and Aegean Sea can be seen clearly, the 410 km and 660 km phases arrive about 1s earlier than predicted by IASP91. This corresponds to an colder upper mantle due to the proximity of the subducted slab, which is still affecting the transition zone. The thickness of the transition zone, derived from differential times of P-S conversions from 410 and 660 km discontinuities is similar to the thickness predicted by IASP91 reference model. The oceanic Moho of the subducted African plate is observed at many stations. The slab can be traced from 4 seconds beneath the sta- tion that has a short distance from the arc till 11 seconds at the station in the Sea of Crete. The depth of the subducted African plate ranging from about 30-110 km in the migrated receiver functions under the southern Aegean and island of Crete. The Moho boundary is deep beneath Crete (31-41 km) and southern Aegean, but it becomes shallower south of Crete. At stations in the forarc, located mainly in western Crete and northern central Crete this boundary disappears and at similar depth appears an inverted Moho resulting from very low mantle-shear velocity that can imply the presence of a hydrated and serpentinized forearc mantle wedge. Symposium Subduktionszonen S3P13 Bohnhoff, M. (GFZ Potsdam), Meier, T., Harjes, H.-P. (Bochum, Ruhr-Universität) Stress Regime at the Central Hellenic Arc from Focal Mechanisms E-Mail: [email protected] Fault plane solutions for earthquakes at the central Hellenic arc are analysed to determine the stress regime in the vicinity of Crete. Data from local and regional studies as well as from global catalogues were collected. In addition, 34 fault plane solutions for weaker events recorded by a local temporary network on central Crete were determined resulting in a total of 362 events. We examine the entire set of fault mechanisms for spatial clustering of slip directions and identify eight distinct regions of which the upper (Aegean) plate includes four. Whereas western Crete and the area around Karpathos exhibit clear EW-extension, eastern Crete is affected by the transtensional regime further to the southeast of the island. No predominant slip direction was identified on central Crete. Deeper earthquakes within the contact zone of upper and lower plate were separated into three regions along the Hellenic arc from West to East. These interplate earthquakes reflect shallowly NNE dipping thrust faulting with uniform orientation along the Hellenic arc. As a result the direction of convergence is orthogonal to the plate boundary at the western forearc and oblique collision at an angle of 30-40° occurs at the eastern part. Fault plane solutions for earthquakes within the dipping lithosphere have subhorizontal P axes with a wide azimuthal range of N70°290°E of which the deeper (>50km) are identified to represent slab pull as dominant force within the decoupled slab. 97 98 Abstracts S3P14 Snopek, K., Casten, U. (Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik Ruhr-Universität Bochum) Density distribution of the Hellenic subduction zone from gravity inversion E-Mail: [email protected] In the Hellenic subduction zone the African plate collides with the Eurasian one. Several attempts have been made so far to understand the tectonics of the area. The results from different geophysical investigation do not coincide with each other. An inversion of gravity data is used to test several 3D density models of this zone. The Bouguer gravity field is characterized by a regional anomaly variation from -50 to +180 mGal and very strong local horizontal gradients. The aim of the work is to find the sources of these local variations. Their shape suggests 3D density distribution, but poor coverage of seismic experiments does not allow constructing an acceptable density model. Thus, several hypotheses about Moho depth and horizontal density changes within the Earth’s crust and the mantle can be considered and tested. The analysis is made with use of recently developed inversion software based on the idea of evolution strategies. The algorithm is able to find surfaces as well as horizontal density distributions of two or more layers in respect to applied constraints and assumptions. One of the characteristics of that program is its ability to calculate different models from the same starting parameters. This gives us the possibility to compute a set of solutions to perform statistical interpretation. The inverted model consists of two layers: crust and upper mantle. The subducted slab is not taken into account; corresponding mantle density variation should reflect its effect on the anomalies. The main constraints are applied to the thick- ness of the crust in particular areas. South of Crete where oceanic crust is expected, the maximal Moho depth is set to 25 km. below the island seismological data indicate crustal thickness from 30 to 45 km. The density of the crust can vary from 2.5 to 2.9 g/cm3 ., and the range of mantle density is set from 3.2 to 3.4 g/cm3 . The different resulting models are presented. A statistical analysis is made to obtain a variation of structural parameters in three selected areas: (1) south of Crete where strong both negative and positive anomalies occur, (2) Crete with its division into the western, central and eastern part, (3) the Cretan Sea north of the island with positive regional anomalies. Significant variation of the mantle density is recognized. Partially it is due to the effect of the subducted slab, however there exists also a significant negative mantle density change southwest of Crete. The distribution of the crustal density shows a higher value in the area south of central Crete. Previous modeling suggests it can be caused by the presence of subducted oceanic crust below continental crust which includes dense limestones or marbles. Moho surface analysis indicates that the crust under central Crete is thinner in comparison to the western and eastern part of the island. The regional positive anomalies if the Cretan sea is produced by a mantle uplift. The other Moho uplift may be below the Gavdos Island. The presented models express a highly complicated tectonic situation of the Hellenic Symposium Subduktionszonen subduction zone. Interaction of oceanic and continental lithosphere causes the observed gravity anomalies can be produced by variation of Moho surface, but also by regional change of crust and mantle density. Web page: http://www.angewandtegeophysik.ruhr-uni-bochum.de 99 S4 Symposium Erdmagnetische Variationen Symposium Erdmagnetische Variationen S4A – Do.,11.3.,09:30-09:50 Uhr · H0111 Maus, S., Lühr, H., Rother, M. (GFZ) Main and crustal field modeling from CHAMP magnetic data E-Mail: [email protected] Our Potsdam Magnetic Model of the Earth (POMME) provides the main field and its secular variation to spherical harmonic degree 15, as well as the secular acceleration to degree 10. Innovative new features of the model include the representation of magnetospheric fields in a combination of Solar Magnetic (SM) coordinates for the ring current and Geocentric Solar Magnetospheric (GSM) coordinates for the time averaged outer magnetospheric field. The crustal field has now been expanded to degree 90. This improvement in resolution was achieved by several noisereducing procedures, such as subtracting the predicted signal of tidal ocean flow and incorporating a model of the polar electrojets. The model reveals interesting new details of the global crustal field, such as the signature of subduction zones. Web page: http://www.gfzpotsdam.de/pb2/pb23/SatMag/me.html 101 102 Abstracts S4B – Do.,11.3.,09:50-10:10 Uhr · H0111 Wardinski, I., Mandea, M. (IPG Paris), Holme, R. (University Liverpool) Origin of geomagnetic Jerks, Revisited E-Mail: [email protected] Over the past two decades, the secular variation of the Earth’s magnetic field shows rich temporal behaviour, most obviously the occurrence of magnetic jerks in 1991 and around 2000 observed at magnetic observatories at most locations on the Earth. In addition, a jerk has been identified in 1983 in data from some southern hemisphere magnetic observatories, without being seen elsewhere. This event may be associated with earlier features in the northern hemisphere. The extent, duration and the underlying processes causing these geomagnetic jerks are still debated. We developed time-dependent models for the secular variation and core surface flows for the period 1980 to 2000. These models are based on quiet monthly means and annual means of magnetic observatories and are fixed at the endpoints by satellite main field models. Our field model reveals finer temporal scale secular variation structure than previous models. In this study we also examine how well our flow models represent the characteristics of jerks, particularly those models which invoke core torsional oscillations. Symposium Erdmagnetische Variationen 103 S4C – Do.,11.3.,10:10-10:30 Uhr · H0111 Balasis, G., Maus, S. (GeoForschungsZentrum Potsdam), Egbert, G. D. (College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Oregon State University ) Local Time Effects on Electromagnetic Induction Studies using Satellite Magnetic Data E-Mail: [email protected] Magnetic field satellite measurements can be employed to derive electromagnetic field transfer functions between the internal (induced) and external source magnetic field variations. These transfer functions are utilized to make inferences on the electrical conductivity of Earth’s mantle. To study electromagnetic induction from magnetic satellite data it is usually assumed that external sources are uniform (due to a symmetric magnetospheric ring current), and that the Earth’s conductivity varies only with depth (1D structure). We have estimated these response functions using CHAMP scalar magnetic field data. The results show clear variation with local time, which can be explained qualitatively by a simple model for non-zonal asymmetries in magnetospheric current systems. 104 Abstracts S4D – Do.,11.3.,10:30-10:50 Uhr · H0111 Ritter, P., Lühr, H. (GFZ Potsdam), Viljanen, A. (FMI Helsinki) Ionospheric currents estimated simultaneously from CHAMP satellite and IMAGE ground based magnetic field measurements E-Mail: [email protected] One important contribution to the magnetic field measured at satellite altitude and at ground level comes from the external currents. We used the total field data sampled by the Overhauser Magnetometer on CHAMP and the horizontal magnetic field measurements of the IMAGE ground-based magnetometer network (Figure 1) to study the ionospheric Hall current system in the auroral regions. For the CHAMP data a current model consisting of a series of lines and placed at a height of 110 km is fitted to the magnetic field signature sampled on the passage across the polar region. The derived current distributions depend among others on season and on the local time of the satellite track. At dawn/dusk the auroral electrojets can be detected most clearly in the auroral regions. Their intensity and location are evidently correlated with the AE activity index. For a period of almost two years the results obtained from space and the currents determined from ground-based observations are studied. For the full IMAGE station array a newly developed method ofspherical elementary current systems (SECS) is employed to compute the 2D equivalent current distribution which gives a detailed picture of an area covering latitudes 60◦ − 80◦ N and 10◦ − 30◦ E in the auroral region. Generally, the current estimates from satellite and ground are in good agreement (Figure 2). The excellent agreement between ground and satellite results has quantitatively been demonstrated in a correlation analysis. The re- sults of this survey clearly show the average dependence of the auroral electrojet on season and local time. This is particularly true during periods of increased auroral activity. The correlation coefficient of the results is close to one in the region of sizeable ionospheric current densities (Figure 3). Also the ratio of the current densities, as determined from above and below the ionosphere, is close to unity. The main features derived from the analysis are: Figure 1: IMAGE magnetometer network (http://sumppu.fmi.fi/image/stations.html). Symposium Erdmagnetische Variationen 105 Figure 3: Correlation analysis of the CHAMP versus IMAGE current estimates. From top to bottom: correlation coefficient R, average current density, regression coefficients i.e. amplitude ratio and regression bias. It is the first time that the method of Hall current estimate from satellite has been validated quantitatively by ground-based observations. Among others, this result is of interest for magnetic main field modelling, since it demonstrates that ground-based observations can be used to predict electrojet signatures in satellite magnetic field scalar data. Figure 2: Comparison of the current densities derived from CHAMP (solid lines) and IMAGE measurements (dashed lines) between Aug 2000 (MJD 215) - May 2002 (MJD 880) on N/S profiles across the IMAGE array. The satellite crossed the region on ascending Reference: tracks; MJD = Modified Julian Days. P. Ritter, H. Lühr, A. Viljanen, O. Amm, A. Pulkkinen and I. Sillanpää: 2003, Ionospheric currents • The most important controlling factor for estimated simultaneously from CHAMP satellite the average activity is the solar zenith anand IMAGE ground-based magnetic field meagle. This is particularly evident on the surements: A statistical study at auroral latitudes, dayside. Ann. Geophys., 21, accepted. • During the winter months discrete storm/substorm events clearly stand out from the generally low background activity on the nightside. • The activity enhancement due to the Russell-McPherron effect during equinox seasons is primarily confined to the nighttime sector. 106 Abstracts S4E – Do.,11.3.,11:10-11:30 Uhr · H0111 Schwarte, J., Lühr, H. (GeoForschungsZentrum Potsdam, Magnetotellurics and Geomagnetism, Germany), Chambodut, A., Mandea, M. (Institute de Physique du Globe de Paris, Laboratoire Geomagnetisme, France), Holme, R. (University of Liverpool, Department of Earth Sciences, United Kingdom) Improved modelling of the external magnetic field E-Mail: [email protected] CHAMP vector data are used to parameterise the external magnetic field caused by magnetospheric currents. A common correction in main field modelling is done by the DST -index. There are several difficulties, especially close to the poles and while doing a local time dependent modelling. From time to time CHAMP is flying in resonance with the Earth’s rotation. It is very helpful to look at the differences between such ‘repeat tracks’, as contributions of the lithosphere and model errors are eliminated. Modelling low and mid-latitude tracks -as usually done in main field modelling- show a clear local time dependence. Therefore full orbits are used and all calculations are done in geomagnetic coordinates and in a local time frame. A commonly used description of the magnetic field of the Earth is done by using spherical harmonic analysis (SHA). In case of vector data a direct inversion is possible using two components. It is also possible to distinguish between external and internal sources. The external contribution is ascribed to the ring current and the internal to the induction effect. We have modelled the residual magnetic field in a geomagnetic-local time frame. As results we obtain a clear local time effect of the external SHA coefficients when modelling mid-latitude tracks. Minima are found in the pre noon and maxima in the evening sector. When using full orbits for modelling the local time dependence of the SHA coefficients vanishes, but for the description of the ring current quadrupole terms are required now. This new model derived from full orbits fits actual characteristics of the ring current much better. Web page: potsdam.de/pb2/pb23 http://www.gfz- Symposium Erdmagnetische Variationen 107 S4F – Do.,11.3.,11:30-11:50 Uhr · H0111 Leonhardt, R., Soffel, H.C. (LMU München) Absolute paleointensity determinations on lavas of the late Matuyama polarity interval and the Matuyama/Brunhes transition from Lanai and Maui, Hawaiian Islands E-Mail: [email protected] Thellier-Thellier paleointensity determinations are presented from volcanic units of Pleistocene age from the islands of Maui and Lanai, Hawaiian Islands. A profile across the last reversal, the Brunhes/Matuyama transition, was sampled on Maui. Fourteen lava flows recorded the pre- and post-transitional behavior of the Earth’s magnetic field. The geomagnetic field intensity is low before the reversal and increases strongly afterwards. Values of about twice the present field intensity of Hawaii are reached after the transition. Twenty-nine non-contiguous lava flows were sampled on Lanai. The lava flows formed during the Matuyama polarity chron about 1.3 Myr ago. The paleomagnetic record over the sampled succession is characterized by reversed and intermediate directions associated with low paleointensities, yielding approximately half of the present day field intensity. The radiometric age and the variable paleomagnetic record suggest a formation close to the Reunion polarity interval. The majority of the intermediate VGPs from Lanai is situated near the west coast of South America and offshore western Australia, similar to the preferred VGP clusters identified in other reversal records from lavas. 108 Abstracts S4G – Do.,11.3.,11:50-12:10 Uhr · H0111 Franke, C., von Dobeneck, T. (Universität Bremen) Der Einfluss der Lithologie auf das Signal der relativen Paläointensität: Eine statistische Analyse an pelagischen Sedimenten des Südatlantiks E-Mail: [email protected] Die Theorie der relativen Paläointensität (RPI) geht davon aus, dass die Intensität der PDRM allein von der magnetischen Feldstärke und der Konzentration der magnetischen Trägerminerale abhängt. Die Remanenz eines Sedimentes beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen der geomagnetischen partikeleinregelnden Kraft und den diesem Prozess entgegenwirkenden interpartikulären Kräften. Die Stärke dieser mechanischen und elektrostatischen Kräfte hängt jedoch von verschiedenen petrophysikalisch wirksamen Faktoren, wie z.B. der Mineralogie, der Korngröße und -form der Sedimentmatrix ab. Unsere statistische Analyse überprüft die Hypothese, wie und ob Variationen in der Sedimentlithologie das RPI-Signal beeinflussen können. Insgesamt wurden 90 Einzelproben aus spätquartären Sedimenten des subtropischen und subantarktischen Südatlantiks paläomagnetisch und sedimentologisch untersucht. Mithilfe des Fe/κ Verhältnisses wurden Proben mit Anzeichen für frühdiagenetische Magnetitlösung identifiziert und von den anschließenden statistischen Betrachtungen ausgeschlossen. Anhand von bi- und multivariaten Korrelationen des RPI-Signals mit den sedimentologischen Parametern Karbonat-, Opal- und terrigener Gehalt, sowie der Korngrößenverteilung und der Tonmineralzusammensetzung konnten die entsprechenden statistischen Signifikanzen und Korrelationskoeffizienten ermittelt werden. Wie die Tabelle zeigt ergaben sich relativ schwache, jedoch signifikante Korrelationen (p < 0,05, α > 95%) für den Tongehalt und den Chloritgehalt. Für den Opal-, Illit- und Kaolinitgehalt zeigten die Korrelationen etwas höhere Werte von hoher Signifikanz an (α = 95% bis 99%). Das Kaolinit/Illit Verhältnis weist die höchste Einzelkorrelation (r = 0,46) und Signifikanz (α > 99,9%) auf. In einer multiplen Regression erwiesen sich die drei Faktoren Opal- und terrigener Gehalt, sowie das Kaolinit/Illit Verhältnis als hochsignifikant. Die Regressionsgleichung NRM20mT /ARM20mT = Tabelle 1: Korrelationskoeffizienten r, Wahr− 0, 010 Opal + 0.002 terrigen scheinlichkeiten p und Stichprobenumfang + 0.289 Kaolinit/Illit + 0.075 N aller durchgeführten Korrelationen mit kann ca. 50% der Dynamik des RPI-Signals NRM20mT /ARM20mT erklären. Die beschriebenen Resultate zeigen, Symposium Erdmagnetische Variationen 109 Abbildung 1: Korrelationen von NRM20mT /ARM20mT mit (a) Ton-, (b) Opal-, (c) Kaolinit-, (d) Illitgehalt, (e) Kaolinit/Illit Verhältnis und (f) den Modellwerten der multiplen Regression. dass die Bildung der magnetischen Remanenz während der Einregelung der magnetischen Partikel nicht allein vom geomagnetischen Feld abhängt, sondern ebenso von den unmagnetischen relativ starken und komplexen Wechselwirkungen der magnetischen Trägerminerale mit der Sedimentmatrix. Demnach ist die Lithologie ein ernstzunehmender Faktor bei der Betrachtung von relativen Paläointensitätssignalen. 110 Abstracts S4H – Do.,11.3.,12:10-12:30 Uhr · H0111 Fabian, K., Hofmann, D., Bleil, U. (Universität Bremen) Definition der relativen Paläointensität in Sedimenten: Untersuchungen an einem stratigraphischen Netzwerk aus dem Südatlantik E-Mail: [email protected] Normiert man die an Sedimentsequenzen gemessene natürliche Remanenz (NRM) auf einheitliche Konzentration und Eigenschaften der Remanenzträger, so kann der sich ergebende Datensatz als Abbild der sich zeitlich verändernden Intensität des Erdmagnetfeldes (relative Paläointensität) gedeutet werden. Die Zuverlässigkeit dieser Rekonstruktion wird anhand intrinsischer Qualitätsparameter bewertet, die mineralogische und gesteinsmagnetische Homogenität, diagenetische Überprägung sowie Restkorrelationen zwischen rekonstruierter Feldstärke und gesteinsmagnetischen Eigenschaften berücksichtigen. Die Verlässlichkeit globaler Paläointensitätskurven versucht man durch Stapeln mehrerer unabhängiger Datensätze zu verbessern, wobei individuelle Fehler herausgemittelt werden sollen. Es wurde vorgeschlagen die als relative Paläointensität interpretierten normierten NRM Datensätze durch Vergleich mit den globalen Paläointensitätskurven zur Datierung von Sedimentkernen heranzuziehen. Daher werden Paläointensitätsparameter immer mehr auch an Kernen gemessen, deren intrinsische Qualität gering ist. Hierbei stellt sich heraus, dass die scheinbare intrinsische Qualität nur wenig mit der tatsächlichen Vergleichbarkeit der relativen Paläointensität mit den globalen Kurven zu tun hat. Diese Diskrepanz zwischen theoretischer und tatsächlicher Qualität gibt Anlass zur Sorge, da sie zeigt dass offenbar wesentliche Steuergrößen des sedimentären Remanenzerwerbs noch unbekannt sind. Hier stellen wir ein lineares Sedimentmodell vor, mit dessen Hilfe die heute übliche Vorstellung des Remanenzerwerbs und der Bestimmung der relativen Paläointensität präzise formuliert werden kann. Das Sediment wird hierbei als Mischung verschiedener lithologischer Komponenten angesehen, die sich hinsichtlich natürlichen und künstlichen Remanenzerwerbs über den Kern hinweg einheitlich verhalten, jedoch voneinander unabhängig sind (Abb. 1). Die Konzentration jeder dieser Komponenten darf linear zu einem externen Umwelt- oder Klimasignal variieren. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Einflüsse auf die Kurve der relativen Paläointensität klar voneinander getrennt werden. Reine Sedimenteigenschaften sind Unikausalität und Sedimentlinearität. Erstere bedeutet, dass nur ein einziges externes Signal die Konzentrationsvariationen der Sedimentkomponenten steuert; letztere stellt sicher, dass diese Steuerung linear ist. Darüber hinaus muß auch der Remanenzerwerb innerhalb jeder einzelnen Sedimentkomponente linear von dem äußeren Feld und der Konzentration abhängen. Eine weitere lineare Abhängigkeit besteht zwischen der Effizienz des natürlichen Remanenzerwerbs und der Effizienz äußerer (z.B. mechanischer oder thermischer) Anregungsmechanismen. Anhand dieses Modells wird gezeigt, dass sogar in einfachen Fällen das übliche Normierungsverfahren zur Bestimmung der relativen Paläointensität nicht exakt stimmt und lithologische Variationen oder unterschiedliche Anregungen Symposium Erdmagnetische Variationen 111 Abbildung 1: Das Sediment setzt sich in jeder Tiefe z aus unabhängigen Komponenten Pi mit den Konzentrationen ci (z) zusammen. Jede lineare Sedimenteigenschaft ergibt sich als mit ci (z) gewichtetes Mittel der Eigenschaften der Komponenten Pi . Abbildung 2: Hauptkomponentenanalyse der IRM-Entmagnetisierung des Sedimentkerns GeoB 6408-4. Aus den einzelnen Entmagnetisierungsschritten (a) werden die unabhängigen Differenzkurven (b) berechnet, die einer Hauptkomponentenanalyse unterzogen werden. Die Tatsache, dass die erste Hauptkomponente bereits 98.1% aller Signalformen erklärt, und nur zwei Komponenten erforderlich sind um mehr 99% als der Gesamtsignale zu erklären zeigt die Homogenität der magnetischen Fraktion. durch natürlichen und künstlichen Remanen- sikalischer oder gesteinsmagnetischer Grözerwerb nur unvollständig korrigiert werden. ßen zu vergleichen. Durch HauptkomponenAn einem stratigraphischen Netzwerk von tenanalysen sukzessiver Entmagnetisierungssieben Sedimentkernen aus dem Bereich der schritte von NRM, IRM und ARM werden alsubtropischen Front im Südatlantik wird der ternative intrinsische Qualitätsparameter defiEinfluß lithologischer Parameter auf die Kur- niert, die die Voraussetzungen für eine erfolgven der relativen Paläointensität untersucht. reiche Paläointensitätsbestimmung besser als Durch Kombination mehrerer paralleler Da- bisherige Kriterien prüfen (Abb. 2). tensätze ist es möglich, Abweichungen von einer gemeinsamen Kurve der geomagnetischen Intensität mit unabhängigen Messungen phy- 112 Abstracts S4I – Do.,11.3.,15:00-15:20 Uhr · H0111 Heunemann, C., Krása, D., Soffel, H.C. (Munich), Gurevitch, E.L. (St. Petersburg), Bachtadse, V. (Munich) Directions and intensities of the Earth’s magnetic field during a reversal: Results from the Permo-Triassic Siberian Trap Basalts, Russia E-Mail: [email protected] An extensive palaeomagnetic study was carried out on an approximately 250 Ma old reversed-to-normal transition of the Earth’s magnetic field (EMF) recorded in 86 volcanic lava flows of the Siberian Trap Basalts, North Siberia, Russia. In addition to the investigation of the directional behaviour of the field (≈ 700 specimens) a total of 298 specimens was subjected to Thellier-type palaeointensity determinations. Adding several modifications to the original Thellier-experiment, such as tests for MD tails and the additivity of partial thermoremanent magnetisation yields highly reliable palaeointensity estimates of the Late Permian/Early Triassic EMF. Transitional directions of the EMF were obtained from 20 flows. During the reversal a clustering of the virtual geomagnetic poles (VGPs) is observed (15 flows). Palaeointensity estimates suggest that this feature is not an artifact due to rapid flow emplacement since the directional cluster is associated with a well defined increase in palaeointensity from 6 to 13 µT. Subsequently, the next VGPs move towards the pole position of normal polarity. Departing in a sudden movement from normal polarity the VGPs form a second directional cluster comprising the results of 14 flows. This feature is interpreted as a post-transitional excursion but lacks the characteristic intensity variation recorded during the first transitional cluster. The rest of the section (41 flows) is of normal polarity. The characteristic features of this reversal, low intensities and di- rectional clustering during the reversal and an excursion shortly after the reversal, were also observed in records of polarity transitions of younger age. This suggests that the underlying reversal processes were similar. The mean virtual dipole moment calculated for the stable normal part of the studied section yields a rather low value of 2.2±0.9∗1022 Am2 . These findings confirm that the Mesozoic Dipole Low extends at least down to the Late Permian/Early Triassic. The geomagnetic VGP dispersion was calculated for the stable normal part of the section and yields values similar to those for the last 5 Ma. Considering that the intensity of the EMF was considerably higher in this time interval than in the Early Triassic, a direct relationship between intensity and secular variation seems unlikely. Symposium Erdmagnetische Variationen 113 S4J – Do.,11.3.,15:20-15:40 Uhr · H0111 Krása, D., Kunzmann, T., Petersen, N. (Universität München) Partial Self-Reversal of the Magnetisation of Basalts in the Course of Low-Temperature Oxidation E-Mail: [email protected] are potentially able to interact magnetically. In order to identify the geometry, composition and magnetic properties of these mineral phases we combined various microscopic techniques: The standard light-microscopy and Bitter pattern imaging was complemented by electron microprobe measurements to determine the variation of the chemical composition over single grains and by magnetic force microscopy to specify the domain state of the ferrimagnetic minerals. The present work provides new insights into the mechanisms and magnetomineralogical The emphasis of the present work was prerequisites of partial and complete selfplaced on the investigation of basalts exhibit- reversal: ing partial self-reversal of natural remanent • The phenomenon is caused by two magmagnetisation (NRM). This phenomenon is netic phases with different blocking temnot an exotic rarity but a widespread characperatures Tb which are magnetically couteristic of many basaltic rocks. However it pled. The lower Tb corresponds to the remains usually unnoticed by routine palaeoprimary titanomagnetite (mother phase) magnetic measurements as it requires special crystallising from the basaltic magma. techniques for its detection. The remanence with higher Tb is carried One of the main goals of current palaeomagnetic research is the attempt to acquire high-resolution data on palaeodirections and -intensities in order to obtain detailed information about the Earth’s magnetic field in the geological past. The material best suited for such studies are basaltic rocks. For these high-quality directional investigations and especially for palaeointensity determinations, a profound knowledge about the stability, magnetomineralogical character and the domain state of the carriers of remanence is imperative. We studied samples from Olby and Laschamp (France) and Vogelsberg (Germany) exhibiting this peculiar behaviour and present data giving evidence that in basalts the phenomenon is rather caused by partially oxidised titanomagnetites in contrast to the hemoilmenite phases causing self-reversal in more acidic igneous rocks. The partial low-temperature oxidation causes close sideby-side phase assemblages of titanomagnetite (with Curie temperatures between 137◦ C and 304◦ C) and titanomaghemite (with Curie temperatures between 409◦ C and 594◦ C) which by titanomaghemite (daughter phase) evolving from the primary titanomagnetite by partial low-temperature oxidation. The daughter phase forms narrow bands (≈ 5µm wide) along cracks in the otherwise unaffected mother phase particles. This yields a close side-byside assemblage of titanomagnetite and titanomaghemite with markedly different magnetic properties in one and the same grain. By applying the various microscopic techniques on identical grains, it was possible to directly correlate mag- 114 Abstracts netomineralogy with magnetic domain for erroneous results in Thellier-type palaeoinstructure. tensity determinations. • The experimental results indicate that the low-temperature oxidation process responsible for the formation of the second magnetic phase takes place at temperatures at or above the Tb of this daughter phase during primary cooling. This titanomaghemite phase is thus carrying a stable remanence in direction of the ambient magnetic field. Although the original titanomagnetite as the mother phase is in a strict sense the primary magnetic mineral, it does not carry the primary magnetic remanence but is at least in part magnetostatically coupled to the titanomaghemite. Therefore, its remanence is – at least in part – antiparallel to the external field. • MFM domain observations present evidence that the mother phase is in the magnetic multidomain range. Hence, its magnetic remanence is not stable and is replaced by a viscous overprint acquired at ambient temperatures. In contrast, the daughter phase has a higher coercivity due to oxidation induced stresses and an increased domain width. Due to their complex magnetomineralogy and remanence acquisition, samples exhibiting partial or complete self-reversal are not suitable for palaeointensity determinations. In order to identify and exclude such samples in the course of such experiments, a modification of the existing Thellier-Thellier method is proposed. Additionally, this new procedure is also able to detect remanence carried by multidomain (MD) particles. The method substantially improves the reliability and quality of palaeointensity estimates as multidomain behaviour is among the most common reasons Symposium Erdmagnetische Variationen 115 S4K – Do.,11.3.,15:40-16:00 Uhr · H0111 Reinders, J., Hambach, U. (Bayreuth), Sirocko, F. (Mainz) Evidence for a Time Interval with Low Palaeosecular Variation During MIS5 from Laminated Sediments from an Eifel Maar Lake (Germany) E-Mail: [email protected] A highly resolved curve of the palaeosecular variation (PSV) of the Earth’s magnetic field has been retrieved from a 50m section (70 to 125 m) of core U2 (135 m long) from the Jungfernweiher Maar (West Eifel Volcanic Field) (Figure 1). Alternating field demagnetisation was used to unveil the stable magnetisation component of almost 1200 specimen, collected with an average sampling interval of nearly 4 cm. The results of the palaeo- and rock magnetic experiments suggest that the natural remanent magnetisation is acquired after deposition (post depositional remanent magnetisation). A palaeosecular variation feature outstanding within the last 100,000 years has been used to date the sequence between 81 and 99 m through the comparison with the curves of the PSV from France and Italy (Thouveny et al. 1990, Brandt et al. 1999). This interval dates to 76 and 85 kyr bp. It is characterised by relatively steep inclinations and a low angular scatter in three European records, suggesting a time of low secular variation. The average inclination anomaly in this time-interval varies systematically with geographical latitude (figure 2) which can be explained through the field model of McElhinny et al. (1996) modified through the addition of a weak normal polarity flux patch North of the observation sites. Acknowledgements: This study was conducted in the frame work of DFG priority programme SPP1097. JR is founded through grant HA2193.7-1. The palaeomagnetic properties of almost 1200 discrete samples could kindly be measured at the GFZ Potsdam (FRG, N. Nowaczyk). Figure 2: Deviation (dI) of the geometric average of the measured inclination from the GAD-inclination as a function of the geographical latitude for the time interval of approximately 75 to 86 kyr bp. References: Thouveny, N., K.M. Creer, I. Blunk, Earth planet. Sci. Letters 97(1990) 140-161. U. Brandt, N.R. Nowaczyk, A. Ramrath, A. Brauer, J. Mingram, S. Wulf, J.F.W. Negendank, Quat. Sci. Rev. 18(1999) 961-976. M.W. McElhinny, P.L. McFadden, R.T. Merrill, J. Geophys. Res. 101(1996) 2500725027. 116 Abstracts Figure 1: Variations of the palaeomagnetic inclination with depth (time), respectively. Mind the different scales. a) The Lac du Bouchet ages (Thouveny et al.) are based on pollen zones and calibrated radiocarbon ages. b) The Jungfernweiher record against depth (subsequent 15cm average smoothed with a three point moving window). c) The Lago Grande di Monticchio record (Brandt et al. 1999) is dated through varve counting, radiocarbon and Ar40/Ar39 data. The proposed correlation is indicated by dashed lines. Vertical lines denote the respective GAD inclination. Symposium Erdmagnetische Variationen 117 S4L – Do.,11.3.,16:20-16:40 Uhr · H0111 Witt, A., Huhn, K., von Dobeneck, T., Fabian, K., Bleil, U. (Universität Bremen) Numerische Simulation des Remanenzerwerbs in marinen Sedimenten E-Mail: [email protected] Marine und limnische Sedimente speichern kontinuierlich die Intensitäts- und Richtungsvariationen des Erdmagnetfelds. Sedimentologische Paläointensitätsdaten besitzen daher eine gute zeitliche Auflösung, allerdings sind die aus ihnen erhaltenen Paläofeldinformationen nicht einheitlich. Faktoren wie Bioturbation, Kompaktion und Frühdiagenese beeinflussen die Ausrichtung und Fixierung der magnetischen Teilchen und somit die resultierenden Paläofeldaufzeichnungen. Bisher existiert aufgrund der Komplexität der beteiligten Prozesse nur eine empirische und keine physikalische Theorie der Postsedimentationsremanenz (PDRM). Erstmals wurde nun der PDRMErwerbsprozeß numerisch durch ein „diskrete Elemente Modell“(DEM) simuliert. Bei dem Modell handelt es sich um ein numerisches Granulat, ein Ensemble aus mehreren tausend kugelförmigen Teilchen. Diese befinden sich in einem 50 × 70 Mikrometer großen Modellgebiet und erfüllen die physikalischen Gesetze der elastoplastischen und elektrostatischen Wechselwirkung, der Thermodynamik, der Gravitation und des Magnetismus. Es werden eine Ansammlung magnetischer sowie unmagnetischer Sedimentpartikel betrachtet, die zunächst unter Einfluß eines äußeren Magnetfelds absedimentieren. Während dieses Vorgangs sind die Partikel zusätzlich Brownscher Molekularbewegung und London-van-der-Waals Kräften ausgesetzt. Haben sich alle Partikel abgesetzt, wird das Sediment von einer von oben auf das Sediment drückenden Wand, stellvertretend für das aufliegende Sediment, sukzessiv kompaktiert. In diesem festen Gefüge können die Einflüsse von Bioturbation und chemischen Lösungsprozessen auf die Aufzeichnung von Feldvariationen untersucht werden. Dabei zeigt sich, daß ein Absedimentieren ohne Brownsche Molekularbewegung zu einer unnatürlich guten Ausrichtung der magnetischen Partikel führt. Außerdem scheint Bioturbation auch auf bakteriellem Maßstab mit und ohne Feldumkehr eine Remagnetisierung bei verringerter Ausrichtung der magnetischen Partikel zu bewirken, während chemische Lösungsprozesse an Matrixpartikeln (z.B. Karbonaten) zu einer verbesserten Neuausrichtung der magnetischen Partikel führen. Die numerische Simulation ermöglicht den vollen Zugriff auf Zustands- und Lageinformationen jedes Teilchens über den gesamten Prozeß hinweg. Wie aus der Abbildung ersichtlich, lassen sich Statistiken über freie und eingeschlossene Teilchen erstellen. Die Güte der Ausrichtung der Teilchen nach dem Feld ist für jeden einzelnen Partikel bekannt, Kontaktkräfte können sichtbar gemacht werden und die Intensität des PDRM-Erwerbs wird mitverfolgt. Der PDRM-Prozeß ist durch die numerische Simulation erstmalig in diesem Detail quantitativ untersuchbar und beobachtbar geworden. Ziel der Arbeit ist es, durch Verfeinerung der Prozeßsteuerung das Modell realitätsnäher zu gestalten, die entscheidenden Prozesse im Mikrogefüge zu identifizieren und fundierte 118 Abstracts Abbildung 1: Momentaufnahme einer numerischen Simulation des PDRM-Erwerbs. a) Modellgebiet mit ca. 200 magnetischen Teilchen (dunkelgrau) und ca. 800 unmagnetischen Teilchen (hellgrau). Die schwarzen Linien stellen die zwischen den Teilchen wirkenden Kontaktkräfte dar. b) PDRM Erwerbskurve. Aufgetragen ist die normierte Magnetisierung gegen die Zeit. c) Statistik der Ausrichtung der Teilchen im Magnetfeld. 0° entspricht einer Ausrichtung mit dem Feld, antiparallel ausgerichtete Teilchen liegen bei 180°. Die meisten Teilchen sind hier gut im Feld ausgerichtet. d) Statistik der freien und fixierten Teilchen. Dargestellt ist die Differenz der das Teilchen festsetzenden Drehmomente zu dem Drehmoment, das es durch das Magnetfeld erfährt. Teilchen mit negativem resultierenden Moment sind in der Statistik grau dargestellt und können sich im Sediment noch bewegen. Fixierte Teilchen sind in der Statistik schwarz dargestellt. Kriterien zur Beurteilung von Paläointensitätsdaten aufzustellen. Symposium Erdmagnetische Variationen 119 S4M – Do.,11.3.,16:40-17:00 Uhr · H0111 Breuer, M., Harder, H., Hansen, U. (Münster, Institut für Geophysik) Die Bedeutung von mechanischer Trägheit für Konvektionsströmungen im äußeren Erdkern E-Mail: [email protected] Der äußere Erdkern besteht im wesentlichen aus flüssigem Eisen. Die hier auftretenden Konvektionströmungen erzeugen über den sogenannten Dynamoprozess das Erdmagnetfeld. Dabei scheinen zwei unterschiedliche Antriebsmechanismen eine Rolle zu spielen, die diese Strömungnen aufrecht erhalten. Beide Antriebsmechanismen basieren auf dem stetigen Ausfrieren des Erdkerns. Dem einen liegt thermischer Auftrieb zugrunde, der durch einen superadiabatischen Temperaturgradienten hervorgerufen wird. Der zweite Antriebsmechanismus ist von chemischer Natur und wird durch leichtere Eisenlegierungen hervorgerufen, die während der Auskühlung an der Grenze vom festen inneren zum flüssigen äußeren Kern entstehen. Es ist bisher jedoch noch unklar, inwieweit die Strömungen im Erdkern durch thermischen oder chemischen Auftrieb dominiert werden und welchen Einfluss dies auf den Dynamoprozess hat. Im äußeren Erdkern unterscheiden sich die Größen der molekularen Diffusionen der Komponenten Temperatur und Konzentration deutlich voneinander, wobei die thermische Diffusivität DT etwa um einen Faktor 1000 größer ist als die chemische Diffusivität DC . Dies hat Einfluss auf einen bedeutenden Parameter für Konvektionsströmungen, die Prandtlzahl Pr = ν/D. Sie beschreibt das Verhältnis von kinematischer Viskosität ν zu thermischer Diffusivität bzw. der chemischer Diffusivität. Man kann zeigen, dass die Prandtlzahl die Stärke der mechanischen Trägheit in der Bewegungsgleichung so beeinflusst, dass die Strömung mit steigender Prandtlzahl weniger träge auf Dichteänderungen reagiert. Im Hinblick auf die Konvektion im äußeren Erdkern bedeutet dies, dass die Prandtlzahl eine Größenordnung von O(10−1 ) hat, wenn man thermisch getriebene Konvektion betrachtet, wohingegen sie bei chemischen Antrieb mit einer Größenordnung von O(102 ) abgeschätzt werden kann. Nimmt man an, dass die Konvektion im äußeren Erdkern hauptsächlich thermisch angetrieben wird, bedeutet dies, dass die Trägheit eine wichtige Rolle in dessen Strömungsdynamik spielt. Bei chemischem Antrieb reagiert die Strömung jedoch deutlich trägheitsloser auf Dichtevariationen. Anhand einer numerischen Studie gehen wir der Frage nach, welchen Einfluss mechanische Trägheit auf die Strömungsdynamik im äußeren Erdkern hat. Dabei interessiert uns vor allem das Verhalten verschiedener Strömungseigenschaften, wie differentielle Rotation und Helizität, die für den Dynamoprozess, d.h für die Generierung von planetaren Magnetfeldern, von großer Bedeutung sind. 120 Abstracts S4N – Do.,11.3.,17:00-17:20 Uhr · H0111 Stadelmann, A., Glassmeier, K.-H. (IGM Braunschweig), Vogt, J. (IU Bremen), Kallenrode, M.B. (Universität Osnabrück), Sinnhuber, M. (Universität Bremen), Glatzmaier, G.A. (University of California) Auswirkungen einer Magnetfeldumkehr auf Magnetosphäre und Atmosphäre E-Mail: [email protected] Während einer geomagnetischen Feldum- les Modell zur Bestimmung von Transportkehr unterscheidet sich das Magnetfeld der und photochemischen Prozessen innerhalb Erde in Konfiguration und Stärke vom heuti- der Meso- und Stratosphäre dienen. gen Zustand. Dies wirkt sich nicht nur auf die Magnetosphäre und ihre Stromsysteme aus, sondern auch auf die Verteilung hochenergetischer Teilchen, die in die mittlere Atmosphäre gelangen und dort die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflussen. Magnetfeldbeobachtungen der letzten Jahrhunderte, sowie paläomagnetische Messungen deuten darauf hin, daß der heute dominierende Dipolanteil schwindet und höhere Multipole eine größere Rolle spielen. Die Gesamtfeldstärke nimmt währenddessen ab. Dieses Verhalten kann auch durch numerische Simulationen von z.B. Glatzmaier und Roberts (1996) bestätigt werden. Für einzelne Zeitschritte während einer Magnetfeldumkehr wollen wir die Wirkungen auf das System Erde untersuchen. Zur Beschreibung des internen Magnetfeldes verwenden wir Ergebnisse aus oben erwähnten numerischen Simulationen. Das magnetosphärische Magnetfeld wird durch MHDSimulationen oder auch analytische Modelle bestimmt. Die Bewegungen hochenergetischer, geladener Teilchen innerhalb der Magnetosphäre können verfolgt werden, so daß man Teilchenverteilungen, bzw. -flüsse, in der Atmosphäre angeben kann. Hieraus werden durch Monte-CarloSimulation Ionisationsprofile errechnet, die als Eingangsgrößen für ein zweidimensiona- S5 Symposium Seismische Abbildungsverfahren 122 Abstracts S5A – Mi.,10.3.,09:30-09:50 Uhr · H0112 Buske, S. (Berlin) Einführung in das Symposium Symposium Seismische Abbildungsverfahren 123 S5B – Mi.,10.3.,09:50-10:10 Uhr · H0112 Trappe, H., Coman, R., Gierse, G., Pruessmann, J. (TEEC - Trappe Erdöl Erdgas Consultant) Seismic imaging practise with the CRS method E-Mail: [email protected] Imaging in complex geology environments faces numerous problems like rapid lateral changes, discontinuous reflectors, a high noise level, and multiple contamination. Reliable velocity models often cannot be defined, neither in time nor in depth, since primary reflections are hardly visible in the prestack data, or cannot be discriminated from multiples. Moreover, target structures below high impedance sediments generally render a weak seismic reflection signal which is additionally obscured by multiples from the high impedance section. As a consequence, the seismic image of the target structure is often characterized by some discontinuous portions of the reflectors that are otherwise buried in the noise. Both, acquisition and processing techniques are used to improve the image quality. Common technical strategies increase the fold and aperture in acquisition, and use more accurate prestack imaging techniques with more reliable background models in processing. However, both these strategies require a large effort. As an alternative and complement, the Common Reflection Surface (CRS) stacking technique combines some advantages of both strategies, at even reduced cost and time requirements. The CRS method belongs to the macromodel independent imaging techniques (e.g. Hubral, 1999), which do not require an imaging parameter field or velocity model as input to the imaging process. The method assumes local reflector segments in the subsur- face, which are characterized by their location, dip, and curvature. The CRS method strongly increases the processing fold, and contributes to both, improved images, and accurate subsurface models. This has allowed to use the CRS method as a standard tool in many processing projects, and with special success in cases of difficult noisy data, and complex geological settings. The local data-driven optimization of the CRS imaging process implies several advantages: • High signal-to-noise ratio, • Enhancement of faults at a general increase of reflector continuity, • Excellent imaging of dipping and curved reflectors due to explicit incorporation in CRS assumptions, • Good depth imaging in combination with poststack depth migration, • Automatic derivation or improvement of a stacking velocity model, • CRS velocities and travel time curves for an improved AVO analysis, • Additional information from CRS parameters. The highly detailed subsurface information of the CRS parameters can be transformed into many types of well-resolved subsurface models, e.g. for spherical divergence, Fresnel zone, and even interval velocity in depth. The accurate velocity-depth models derived 124 Abstracts from CRS parameters constitute another link to depth processing, since they improve both the poststack depth imaging, and reduce the costly model building effort for prestack depth migration. The strength of the CRS technique is demonstrated in case studies by comparison to conventional processing methods. References Hubral, P. (Editor), 1999, Macro model independent seismic reflection imaging. J. Appl. Geoph. 42 (3,4) Web page: http://www.teec.de Symposium Seismische Abbildungsverfahren 125 S5C – Mi.,10.3.,10:10-10:30 Uhr · H0112 Chávez Zander, P., Mann, J., Duveneck, E., Hertweck, T., Jäger, C. (Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe) Anwendung des Common-Reflection-Surface stack auf reflexionsseismische Daten E-Mail: [email protected] Einleitung. Im Rahmen der reflexionsseismischen Datenverarbeitung wird üblicherweise eine so genannte zero-offset (ZO) Sektion simuliert. Diese Simulation, die eine Geschwindigkeitsanalyse voraussetzt, dient einerseits der Datenreduktion und andererseits der Verbesserung des Signal/RauschenVerhältnisses. Eine klassische Methode hierzu ist die Sequenz NMO/DMO/stack. Die Leistung moderner Rechner erlaubt inzwischen die Verallgemeinerung dieses Abbildungsverfahrens. Ein solches verallgemeinertes Verfahren stellt der Common-Reflection-Surface (CRS) stack (siehe z. B. Mann, 2002) dar. Seine Grundlagen und Vorteile werden im Folgenden kurz erläutert. Die CRS stack-Methode. Im Gegensatz zu NMO/DMO/stack berücksichtigt die CRS stack-Methode explizit die lokalen Eigenschaften von Reflektoren im Untergrund. Dies erlaubt eine flächenhafte Approximation der Reflexionslaufzeiten in der Umgebung eines zu simulierenden ZO sample. Bei 2D-Datenakquisition wird die Stapelfläche durch drei Parameter, so genannte kinematische Wellenfeldattribute, beschrieben. Diese Attribute können für zahlreiche Anwendungen herangezogen werden. Dazu zählen z. B. die Abschätzung des geometrischen Ausbreitungsverlusts und der Größe der projizierten Fresnelzone, eine automatische approximative Zeitmigration oder die Bestimmung eines Geschwindigkeitsmodells zur Tiefenmigration (siehe z. B. Duveneck, 2004). Insbesondere die letztgenannte Anwendung profitiert hinsichtlich Stabilität und Arbeitsaufwand von den Wellenfeldattributen verglichen mit Inversionsverfahren wie Dix-Inversion oder konventioneller Reflexions-Tomographie. Datenbeispiele. Mit dem Ziel, Verbesserungen bzw. Erweiterungen an den angewendeten Methoden vorzunehmen, wurde der CRS stack auf einen seismischen Realdatensatz angewendet. Das Resultat kann so mit den Ergebnissen der konventionellen, NMO/DMO/stack-basierten Verfahren verglichen werden. Mit Hilfe der Wellenfeldattribute wurde durch eine tomographische Inversion ein glattes Geschwindigkeitsmodell bestimmt. Anschließend wurde mit diesem Modell eine prestack und eine poststack KirchhoffTiefenmigration durchgeführt. In diesem Beitrag werden die angewendeten Methoden präsentiert und die Ergebnisse der Datenverarbeitung vorgestellt. Danksagung. Wir danken den Sponsoren des Wave Inversion Technology (WIT) Consortium für Ihre Unterstützung. Der OMV AG, Wien, und der Petro-Tech, Peru, danken wir für die Datenbeispiele. Referenzen Duveneck, E. (2004). Velocity model estimation with data-derived wavefront attributes. Geophysics, 69(1). In print. Mann, J. (2002). Extensions and Applications of the Common-Reflection-Surface Stack Method. Logos Verlag, Berlin. 126 Abstracts S5D – Mi.,10.3.,10:30-10:50 Uhr · H0112 Hertweck, T., Duveneck, E., Mann, J., Jäger, C., Heilmann, Z. (Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe) A seismic reflection imaging workflow based on the CRS stack: a data example from the Oberrheingraben E-Mail: [email protected] Introduction. The Common-ReflectionSurface (CRS) stack method is a generalized multi-dimensional and multi-parameter stacking velocity analysis tool based on coherence measures. In its application, emphasis has so far mainly been put on its ability to produce simulated zero-offset (ZO) sections of high signal-to-noise (S/N) ratio. However, the method also yields additional information in terms of wavefield attributes with which an entire seismic reflection imaging workflow can be established (see Figure 1). This includes the CRS stack itself, the determination of a velocity model, and a depth migration process. The involved methods are presented and the workflow is demonstrated on a seismic 2D data example, starting from the preprocessed multicoverage data and leading to the final depth image. The measurements were conducted in the Oberrheingraben near Karlsruhe along two seismic lines of about 12 km length each. Three vibrator sources (source spacing 50 m) were used to generate a seismic signal with frequencies in the range 12 - 100 Hz. Applied methods. The CRS stack (see, e. g., Mann, 2002) was applied to the preprocessed multicoverage dataset in order to simulate a ZO section in a completely automated and data-driven manner. That way, the method can be seen as an alternative to the conventional normal moveout (NMO)/dip moveout (DMO)/stack approach. However, instead of the usual stacking velocity, the process yields an entire set of kinematic wavefield attributes. These attributes can be utilized for several purposes, one of these being a tomographic inversion to determine a velocity model, see Duveneck (2004) for details. The input for the inversion is obtained by picking in the CRSstacked section and extraction of the associated wavefield attributes. Neither picking in the prestack data nor picking along reflection events over adjacent traces is required. The tomographic inversion yields a smooth interval velocity model that is well suited for raytracing applications. The models derived in this way for the data examples were subsequently used to determine traveltime tables for a Kirchhoff depth migration process. One of the prestack depth migration results is shown in Figure 2. This image was obtained by stacking individually migrated common-offset sections in the depth domain. Figure 1: Integration of the CRS stack into the Discussion. For the above-mentioned seismic reflection imaging workflow. data examples, the CRS-stack-based imaging Symposium Seismische Abbildungsverfahren 127 Figure 2: Stack of prestack depth-migrated common-offset sections. The shading has been chosen to emphasize the fault structures. The horizontal extent is about 12 km. workflow demonstrated its potential to pro- tions of the Common-Reflection-Surface Stack vide all information required to successfully Method. Logos Verlag, Berlin. transform prestack data in the time domain into a structural image in the depth domain. The approach was applied in a highly automated manner with minimum human interaction. The migrated sections show much more structural details than the geological map that has been available so far, especially concerning the number of faults observed in this region of the Oberrheingraben. Acknowledgments. The authors thank the sponsors of the Wave Inversion Technology (WIT) Consortium for their support. In addition, they are grateful to HotRock EWK Offenbach/Pfalz GmbH and Deutsche Montan Technologie GmbH, Germany, for providing the data and for the fruitful cooperation. References Duveneck, E. (2004). Velocity model estimation with data-derived wavefront attributes. Geophysics, 69(1). In print. Mann, J. (2002). Extensions and Applica- 128 Abstracts S5E – Mi.,10.3.,11:10-11:30 Uhr · H0112 Jäger, C., Hertweck, T., Spinner, M. (Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe) Topography and acquisition footprint in true-amplitude Kirchhoff migration E-Mail: [email protected] Introduction. Migration is an important step in the processing of seismic reflection data. In the last decades, migration techniques have been developed that do not only “migrate” reflection events to their correct spatial location but yield output amplitudes that are related to the angle-dependent reflection coefficient. This is achieved by compensating for geometrical spreading in the so-called true-amplitude (TA) migration process. In addition to providing a structural image of the subsurface, a prestack TA migration can serve as input for further analyses, such as amplitude-versus-angle (AVA) studies. Obtaining reliable amplitude information is a challenging task, especially when processing data recorded on a non-horizontal measurement surface and/or data acquired with an irregular geometry. Although methods exist to adjust the measured data to a flat datum (e. g., static corrections or redatuming), it is sometimes advantageous or even mandatory to migrate the data directly from topography in order to get high-quality migrated images. Kirchhoff migration is a suitable tool to handle such kind of data in an efficient and amplitudepreserving way. Mathematically, the TA Kirchhoff migration process is expressed as an integration over the recorded wavefield and reads in the 3D case (Schleicher et al., 1993) ZZ ∂U dξ1 dξ2 W , (1) V (M) = ∂t t=τD ter migration and U(ξ,t) denotes the data in the time domain (seismograms). The vector ξ = (ξ1 , ξ2 ) is the so-called configuration parameter and represents the trace position. The factor W (ξ, M) is the TA weight function, required to compensate for the geometrical spreading. The stacking surface t = τD (ξ, M) is the diffraction traveltime surface corresponding to the depth point M. The time derivative ∂U/∂t is needed in order to correctly recover the source pulse. In all practical implementations of Kirchhoff migration, the double integral in equation (1) is realized by a summation process, the variables of integration dξ1 dξ2 are replaced by the discrete quantity Δξ1 Δξ2 : ∂U V (M) = ∑∑ Δξ1 Δξ2 W . (2) ∂t t=τD Irregular acquisition geometry. For migration of data recorded with an irregular measurement geometry and/or on a non-flat measurement surface, several aspects have to be considered: • For the computation of the traveltimes (necessary for the construction of the stacking operator τD ) the actual topographic measurement surface must be taken into account. This is fundamental, no matter if one is interested in “true” amplitudes or if a purely kinematic migration is to be performed. • The TA weight function must refer to the actual measurement surface. The derivation of such a weight function was carried out by where V (M) is the value assigned to one Spinner (2003), see also Jäger et al. (2003). diffraction point M in the depth domain af- A suitable description of the topography Symposium Seismische Abbildungsverfahren is required in order to calculate the actual weight which depends on the local dip of the measurement surface. • Irregular acquisition geometries result in a non-constant Δξ1 Δξ2 . From equation (2), it is obvious that this quantity affects the amplitudes of the migration result V (M). Therefore, during the stack each input trace has to be weighted, in addition to the TA weight function, by a local estimate of Δξ1 Δξ2 in order to obtain reliable output amplitudes. Canning and Gardner (1998) have shown that setting Δξ1 Δξ2 to the area of the Voronoi cell associated with each input trace can significantly reduce acquisition footprints and distortion of amplitudes in the migration output. One way to compute these Voronoi cells is to make use of a Delaunay triangulation. This triangulation has the further benefit that it can be directly used to estimate the local dip of the measurement surface, required for the calculation of the TA weight. The above-mentioned aspects have been tested using a synthetic 3D model with smoothly varying topography (difference in elevation: approx. 700 m). Figure 1 shows the picked amplitudes (2D slice) along a key Figure 1: Comparison of amplitudes after 3D poststack TA migration with analytical value. 129 reflector after 3D TA poststack Kirchhoff migration; for the calculation of the input seismogram shot-/receiver positions were distributed randomly on the topography. It can be easily observed that the approach based on the Voronoi cells (black curve) yields much more reliable amplitude information than only taking into account average trace spacings (gray curve). Conclusions. By properly taking topography and irregular acquisition geometry into account, TA Kirchhoff migration is able to yield not only a structural image of the subsurface but also physically meaningful amplitudes. This improves further analyses like, e. g., AVA and, thus, helps to gain information about rock properties. Acknowledgments. The authors thank the sponsors of the Wave Inversion Technology (WIT) Consortium for their support. References Canning, A. and Gardner, G. (1998). Reducing 3-D acquisition footprint for 3-D DMO and 3-D prestack migration. Geophysics, 63:1177–1183. Jäger, C., Hertweck, T., and Spinner, M. (2003). True-amplitude Kirchhoff migration from topography. In Expanded Abstracts, 73rd Ann. Internat. Mtg., Soc. Expl. Geophys., Session MIG 2.1 Schleicher, J., Tygel, M., and Hubral, P. (1993). 3-D true-amplitude finite-offset migration. Geophysics, 58:1112–1126. Spinner, M. (2003). True-amplitude Kirchhoff migration from topography—theory and application. Master’s thesis, Karlsruhe University. 130 Abstracts S5F – Mi.,10.3.,11:30-11:50 Uhr · H0112 Lüth, S. (Berlin, Freie Universität), Goertz, A. (Los Angeles), Buske, S. (Berlin, Freie Universität), Müller, C., Bohlen, T., Landerer, F. (Kiel, Christian-Albrechts-Universität), Giese, R. (Potsdam, GeoForschungsZentrum) Fresnel Migration von 3-Komponenten Daten in inhomogenem Geschwindigkeitsmodell E-Mail: [email protected] In diesem Beitrag präsentieren wir eine Erweiterung der Drei-Komponenten (3K) Kirchhoff Prestack Migration mit einer Beschränkung des Migrationsoperators auf das Fresnel-Volumen eines spekulativen Wellenpfades. Die Notwendigkeit, den Migrationsoperator auf den Bereich des Bildvolumens zu beschränken, der für eine Reflektion physikalisch relevant ist, ergibt sich insbesondere bei der Auswertung seismischer Messungen mit stark eingeschränkter Apertur, wie dies zum Beispiel bei VSP oder untertägigen Messungen entlang eines Tunnels der Fall ist. Das Kirchhoff-Migrations Integral wird um das Fresnel-Kriterium erweitert, das den Wert 1 annimmt, wenn ein Bildpunkt im Fresnel-Volumen eines spekulativen Wellenpfades liegt und 0, wenn dies nicht der Fall ist. In einem homogenen Geschwindigkeitsmodell lässt sich das Fresnel-Volumen eines geraden Strahlweges mit Hilfe geometrischer Überlegungen bestimmen (Goertz et al., 2003). Diese resultieren in einer Bedingung für den Öffnungswinkel zwischen der in den Daten gemessenen Polarisationsrichtung und der aufgrund des betrachteten Bildpunktes erwarteten Polarisationsrichtung. In einem inhomogenen Geschwindigkeitsmodell ist die Geometrie eines Wellenpfades zwischen zwei Punkten komplizierter, und damit auch sein Fresnel-Volumen. Insbesondere für die Konstruktion des Fresnel-Volumens des Wellenpfades einer Reflektion/Diffraktion ist die Berechnung von Strahlwegen zwischen zwei bekannten Punkten (two-point ray tracing) erforderlich, was die Migration umfangreicher Datensätze in großen Bildvolumina stark verlangsamt. Alternativ dazu konstruieren wir, ausgehend von der in den Daten bestimmten Polarisationsrichtung einen einzelnen Strahl und dessen Fresnel-Volumen in paraxialer Näherung (Cerveny und Soares, 1992), wobei diese geringfügig vereinfacht wird, was in einem kreisförmigen FresnelVolumen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls resultiert. Für jeden Bildpunkt wird, ausgehend von Abbildung 1: Prinzipskizze zur Konstruktion des Fresnel-Volumens in der Umgebung des Reflektionspunktes M. Statt des FresnelVolumens des reflektierten/diffraktierten Wellenpfades SMR wird das Fresnel-Volumen des Wellenpfades von S’ nach R konstruiert. Liegt der betrachtete Bildpunkt D im Innern dieses Volumens, erfolgt eine Summation, anderenfalls nicht. Symposium Seismische Abbildungsverfahren seiner Zwei-Weg-Laufzeit (TWT) in der 3KSpur die Polarisationsrichtung und davon ausgehend die Ausbreitungsrichtung am Empfänger bestimmt. Mit dieser Ausbreitungsrichtung als Startbedingung wird ein Strahl in das heterogene Medium vom Empfängerpunkt bis zu dem Punkt propagiert, an dem er die Ein-Weg-Laufzeit erreicht, die der Zwei-WegLaufzeit des Bildpunktes entspricht. Der Reflektionspunkt ist der Schnittpunkt der TWTIsochrone mit dem Strahl. In der Umgebung dieses Punktes ist das Fresnel-Volumen des direkten Strahls nahezu identisch mit dem Fresnel-Volumen des reflektierten Strahlweges. Ist nun der Abstand des Bildpunktes vom Strahl größer als der entsprechende Radius des Fresnel-Volumens, erfolgt keine Summation. Ist sein Abstand kleiner als der Radius des Fresnel-Volumens, wird summiert. Tests mit synthetischen Daten ergaben nicht nur eine drastische Reduktion von Migrationsartefakten, insbesondere in Bereichen mit eingeschränkter Apertur, sondern auch eine effiziente Trennung von am Empfänger registrierten P- und S-Wellen-Phasen. Literatur: Cerveny, V. und J.E.P. Soares. Fresnel volume ray tracing. Geophysics 57(7):902-915, 1992. Goertz, A., C. Müller, S. Buske und S. Lüth. Fresnel-volume multicomponent migration. EAGE 65th Conference & Exhibition Abstracts, Stavanger, Norway, 2003. 131 132 Abstracts S5G – Mi.,10.3.,11:50-12:10 Uhr · H0112 Müller, C., Bohlen, T. (Kiel, CAU), Perron, G. (Montreal, Canada, Mira Geoscience), Milkereit, B. (Toronto, Canada, University of Toronto) Enhancing Seismic Images of Subsurface Discontinuities and Isolated Objects with Diffraction Coherency Migration (DCM) E-Mail: [email protected] Standard seismic processing and imaging techniques commonly assume that the subsurface is composed from laterally continuous lithological contacts. However, a real geological environment is also characterized by discontinuities and isolated, embedded structures, which diffract and scatter the seismic wavefield. Often these seismic signatures are considered as noise. A variety of processing methods have been designed in the past to enhance the image of subsurface discontinuities. Kanasewich et al. (1988) presented the ”Common Fault Point (CFP)” stacking technique as a complementary approach to the CMP method. A comparable approach called ”CFP-migration” was investigated by Hoffmann et al. (1995) who accounted for the dynamic characteristics of diffracted seismic energy in prestack migration. With their ”D-section” method, Landa and Keydar (1998) proposed and applied semblance as a coherency measure to extract scattered and diffracted seismic energy from seismic sections. In this paper we introduce the concept of Diffraction Coherency Migration (DCM), which implements coherency measures into prestack Diffraction Stack Migration (DSM) in order to enhance the image of discontinuities and isolated object on migrated sections. The idea behind the method is simple: Scattered and diffracted energy show quite different kinematic behavior compared to that of reflections. The wavefield emerging from a point scatterer contributes coherent energy to the whole scattering hyperbola (we neglect amplitude and phase variations with scattering angle for simplicity). However, the reflected wavefield only contributes energy to the scattering hyperbola, where the reflection condition is satisfied. Thus, by measuring the coherence, e.g. semblance, of seismic energy along the full aperture of the scattering hyperbola and using this measure as weight in the migration process or directly as image amplitude, we obtain an image of the subsurface that emphasizes the position of scatterers and diffractors over that of reflectors. Coarse grid 2-D marine seismic surveys were conducted between 1997 and 1998 in the northern Kiel Bay in the Baltic Sea by the Institute of Geophysics, Christian-AlbrechtsUniversitaet Kiel, Germany (Müller et al., 2002). The data were acquired in an area with shallow waters, were gas has accumulated in Holocene unconsolidated sediments. An electrodynamic subbottom profiling source was used in conjunction with a 100 m, 48 channel streamer. Diffraction coherency migration (DCM) is applied to an example selection from these marine seismic data sets. ”Unnormalized Cross Correlation” (CC-DCM) and ”Semblance” (NE-DCM) were used as coherency measures. DCM effectively enhances the image of these scattering centers compared to Diffraction Stack Migration and thus facilitates the interpretation process. It was concluded that Symposium Seismische Abbildungsverfahren 133 Figure 1: Top: Traditional diffraction stack; Bottom: Diffraction coherency migration (DCM) image. ”Unnormalized Crosscorrelation” was used as coherency measure. Scattering and diffraction centeres are pronounced on the CC-DCM section. observed scattering and diffraction responses are predominantly caused by a discontinuos layer of biogenic gas accumulations. CCDCM shows less scattering centers compared to NE-DCM, but ”reflector noise” is stronger in NE-DCM images. References Hoffman, H.J. 1995. Objektorientierte Analyse und Migration diffraktierter Wellenfelder unter Verwendung der Strahlenmethode und der Edge-Wave-Theorie. Ph.D. thesis, Kiel University. Kanasewich E.R. & Phadke, S.M.. 1998. Imaging Discontinuities on Seismic Sections. Geophysics, 53, 334-345. Landa, E., & Keydar, S. 1998. Seismic Monitoring of Diffraction Images for Detection of Local Heterogeneities. Geophysics, 63, 1093-1100. Müller, C., Milkereit, B., Bohlen, T. & Theilen, F. 2002. Towards high-resolution 3D marine seismic surveying using Boomer sources. Geophysical Prospecting, 50(5), 517-526. Web page: kiel.de/ http://www.geophysik.uni- 134 Abstracts S5H – Mi.,10.3.,12:10-12:30 Uhr · H0112 Bauer, K. (GFZ Potsdam), Haberland, Ch. (Universität Potsdam), Pratt, R.G., Hou, F. (Kingston), Ryberg, T., Weber, M.H. (GFZ Potsdam) Seismische Tomographie in Gashydraten - Ergebnisse aus dem Mallik 2002 Crosshole Experiment E-Mail: [email protected] Die Gashydratvorkommen im Mackenzie Delta in NW Kanada gehören zu den weltweit bedeutendsten Anreicherungen, die unter Permafrostbedingungen gebildet worden sind. Umfangreiche Vorkenntnisse aus langjähriger Forschungstätigkeit sowie die vergleichsweise gute Zugänglichkeit bildeten ideale Voraussetzungen für ein neues internationales Bohrprojekt zur Erforschung der gashydratführenden Sedimentschichten im äusseren Deltabereich. Dabei wurden eine Hauptbohrung bis 1188 m sowie 2 jeweils 42 m entfernte Beobachtungsbohrungen bis 1160 m abgeteuft. Im Rahmen des Geotechnologien-Programmes waren auch mehrere universitäre und ausseruniversitäre Gruppen aus Deutschland beteiligt. Ziel des deutschen Beitrages war hierbei die Etablierung eines in-situ Forschungslabors zur Bestimmung der sedimentologischen, geochemischen und physikalischen Eigenschaften der Gashydratsedimente. Dadurch kann zu Fragestellungen der aktuellen Gashydratforschung wie z.B. Detektion und Quantifizierung, Stabilitätsbedingungen und Kohlenwasserstoffkreislauf beigetragen werden. Die untersuchte Mallik-Lagerstätte ist an eine Antiklinalstruktur gebunden, die sich unterhalb einer 600 m mächtigen Permafrostschicht befindet. Als Speichergesteine dienen fluviatile, deltaische Sande mit Porositäten um 3040 Prozent. Aus frühreren Untersuchungen ist bekannt, dass die Gashydrate in mehreren porösen Sandschichten im Tiefenintervall zwischen 900 und 1100 m vorkommen. Die unte- re Begrenzung der Gashydratzone deckt sich dabei erwartungsgemäss mit der theoretischen Stabilitätsgrenze. Die obere Begrenzung bei 900 m Tiefe ist dahingegen deutlich innerhalb des Stabilitätsfensters. Obwohl frühere Interpretationen von seismischen Daten eine lithologische Begrenzung nach oben vermuten lassen, befindet sich der Übergang zwischen den Haupteinheiten (Mackenzie Bay Sequenz im Hangenden, Kugmallit Sequenz im Liegenden) bei etwa 935 m Tiefe. Die hydratisierten Kohlenwasserstoffe sind höchstwahrscheinlich thermogenen Ursprungs und wurden aus grösseren Tiefen zugeführt. Während der Mallik 2002 Feldkampagne wurde zum ersten Mal ein crossholeseismisches Experiment direkt innerhalb eines Gashydratvorkommens durchgeführt. Zusammen mit Oberflächenseismik, VSP, BohrlochSonic und seismischen Messungen an Kernproben wird damit eine umfassende Datenbasis zur Charakterisierung von Gashydraten bereitgestellt. Die Messungen erfolgten zwischen den beiden Beobachtungsbohrungen im Tiefenbereich zwischen 800 und 1160 m, wobei piezokeramische Vibratorquellen sowie Hydrophonaufnehmer zum Einsatz kamen. Durch diese Konfiguration wurden sowohl die Gashydratzone selbst als auch die unmittelbar angrenzenden Sedimentschichten, einschließlich potentiell zu erwartender Gasreservoire unterhalb der stabilen Hydrate, seismisch durchstrahlt. Die gewonnenen Daten sind von guter Qualität und eignen sich zur Symposium Seismische Abbildungsverfahren Bestimmung verschiedener seismischer Parameter wie P Wellengeschwindigkeit, Anisotropie, anelastischer Dämpfung, und Reflektivität. Auf der Basis von Erstankunftszeiten wurden tomographische Schnitte der P Wellengeschwindigkeitsverteilung abgeleitet. Hierfür wurden zunächst Strahlen-basierte Vorwärtsrechnungen sowie ein gedämpftes LeastSquares Inversionsverfahren für isotrope Medien eingesetzt. Mit diesem Verfahren konnte der Gesamtfehler zwischen vorhersagten und gemessenen Laufzeiten deutlich reduziert werden. Allerdings zeigen die individuellen Fehler für das beste isotrope 2-D Modell eine spezifische Abhängigkeit von der Durchstrahlungsrichtung. Dieses Phänomen wird häufig in geschichteten Sedimenten beobachtet und ist auf Anisotropie mit ungefähr vertikaler Symmetrieachse zurückzuführen. Tatsächlich konnte durch Inversion für horizontale und vertikale Geschwindigkeiten eine gleichmässige Fehlereduktion für alle Beobachtungsrichtungen erreicht werden. Weiterhin wurden die Spektren in einem um die Ersteinsatzphase zentrierten Zeitfenster ermittelt. Dabei ergaben sich deutliche Unterschiede bezüglich der Spektralcharakteristik für Messungen innerhalb und ausserhalb der Gashydratsedimente. Die veringerten Amplituden bei hohen Frequenzen für Strahlen innerhalb der Gashydratzone weisen auf eine stark dämpfende Wirkung dieses Materials hin. Für alle Ersteinsatzsignale oberhalb des Rauschniveaus wurde jeweils ein lineares Spektrum in der logarithmischen Darstellung modelliert und ins Verhältnis zu einem angenommenen Quellspektum gesetzt. Hieraus wurde schliesslich ein 2-D Modell der Dämpfungsverteilung mittels gedämpfter Least-Squares Inversion abgeleitet. Die Ergebnisse der Geschwindigkeits- und 135 Dämpfungstomographie korrelieren sehr gut mit den aus Bohrlochuntersuchungen bekannten lithostratigraphischen Verhältnissen. Die Gashydratzone wird in den Tomogrammen deutlich wiedergegeben. Im gesamten Tiefenintervall variieren die Geschwindigkeiten und Dämpfungswerte vor allem in vertikaler Richtung. Es werden aber auch signifikante lateraler Variationen der seismischen Parameter abgebildet. Als wichtigstes Resultat wurde gezeigt, dass die Gashydrat-führenden Sedimente durch deutlich erhöhte P Wellengeschwindigkeiten und starke Dämpfung gekennzeichnet sind. Diese seismischen Anomalien korrelieren auch mit stark erhöhten Gashydratsättigungswerten, wie sie aus der Differenz zwischen NMR und Dichteporosität berechnet wurden. Die positive Korrelation zwischen Geschwindigkeit und Dämpfung ist nicht intuitiv und deutet möglicherweise auf eine besondere Mikrostrukturierung der Gashydratführenden Sedimente hin. Unterhalb der Gashydrate werden keinerlei Anzeichen für freies Gas beobachtet (normale Geschwindigkeiten, normale Absorptionswerte). Der Vergleich der Tomogramme mit reflexionsseismischen Abbildern der Gashydrate liefert wichtige Anhaltspunkte für die Interpretation von Oberflächendaten. 136 Abstracts S5I – Mi.,10.3.,15:00-15:20 Uhr · H0112 Rabbel, W., Beilecke, T. (U Kiel), Borm, G. (GFZ Potsdam), Bram, K. (GGA Hannover), Fischer, D., Frank, A. (U Kiel), Gebrande, H. (LMU München), Hasenclever, J. (U Kiel), Lüschen, E. (LMU München), Smithson, S. (U Wyoming), Trela, Chr. (GFZ Potsdam) Vertical seismic profiling at the KTB super-deep drill hole: Seismic close-up view of a major thrust zone down to 8.5 km depth E-Mail: [email protected] We present an overview on seismic investigations of the lowermost section of the super-deep borehole of the Continental Deep Drilling Program (KTB, Germany) performed during the last years based on vertical seismic profiling from 3 to 8.5 km depth. In its lowermost part, between 7 and 8.5 km depth, KTB drillhole intersects a major cataclastic fault zone which can be traced back to the earth surface where it forms the Franconian line, a lineament of regional importance. At depth this fault zone seems to be split into several branches one of which, known as SE1reflection, had already been detected by 2D and 3D reflection seismics prior to drilling. To determine the seismic properties of the SE1zone in situ was one of the major goals of the project. For the measurements a newly developed HP/HT borehole geophone was applied capable to withstand temperature and pressure up to 250 deg C and 140 MPa, respectively. The velocity- depth profiles and reflection images resulting from the VSP are of high spatial resolution due to a narrow geophone spacing of 12.5 m. Compared to the upper part of the borehole, we found more than 10 % decrease of the P-wave velocity in the deep, fractured metamorphic rock formations. P-wave velocity is about 5.5 km/s at 8.5 km depth compared to 6.0-6.5 km/s at shallow levels above 7 km. In addition, seismic anisotropy was observed to increase significantly within the deep frac- ture zone connected with strong S-wave polarization anomalies. In order to quantify the effect of fractures on the seismic velocity in situ we computed a reference velocity-depth profile in comparison to which zones of anomalous velocity could be identified. This reference profile simulates P- and S-wave velocities to be expected if the rocks were isotropic and free of cracks. The reference velocities were computed as a function of depth on the basis of laboratory measurements and of the observed mineral composition (derived by Xray diffraction from rock cuttings as a function of depth). The comparison of reference versus in situ velocities enabled us to identify fractured and solid rock sequences. It shows that the P-wave velocity is much stronger influenced by the fracturing than the S-wave velocities. In terms of a penny-shaped-crack model we need several percent crack porosity in order to explain the observed velocity reduction. The opening of significant pore space around 8 km depth can only be maintained by differential tectonic stress combined with intense macroscopic fracturing. VSP reflection imaging based on PP- and PS-converted reflected waves showed that the major fault system at the KTB is wider and more complex than previously known. The so-called SE1-reflection previously found in 2D and 3D surface seismic surveys is only the upper branch of an approximately 1 km wide fault system. The lower branches were Symposium Seismische Abbildungsverfahren not illuminated by surface seismic acquisition geometry. VSP imaging shows that the fault zone comprises of two major and a number of smaller SE dipping fault planes and many conjugate fractures. The previously recognized upper branch is not associated with a strong velocity anomaly but indicates the depth below which the dramatic velocity decrease starts. Regarding the complexly faulted crustal section of the KTB as a whole we found that fluctuation spectra of rock composition and seismic velocity show similar patterns. We could verify that a significant amount of P-wave energy is continuously converted into shear-energy by forward scattering and that multi-pathing plays an important role in signal formation. The media behaves effectively smooth only at wavelength larger than 150 m. It was shown by moving source profiling that the media is orthorhombic on a regional scale. The tilt of the symmetry axes of anisotropy varies with depth following the dip of geological structure. 137 138 Abstracts S5J – Mi.,10.3.,15:20-15:40 Uhr · H0112 Rauch, K. (FU-Berlin) Tektonik des Peru-Chile-Grabens zwischen 35 und 40 Grad S E-Mail: [email protected] Im November 2001 führte die BGR (Hannover) im Rhmen des SPOC Projektes reflexionsseismische Messungen vor der Küste Chiles durch. Aus dem registrierten Datensatz wurden der FU-Berlin die Rohdaten von drei Profilen zur Verfügung gestellt. Die Processing-Ergebnisse im Zeit- und Tiefenbereich, sowie eine strukturelle Interpretation werden vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf der Betrachtung tektonischer Erscheinungen im Tiefseegraben liegt. Symposium Seismische Abbildungsverfahren 139 S5K – Mi.,10.3.,15:40-16:00 Uhr · H0112 Yoon, M. (FR Geophysik, FU Berlin), Stiller, M. (GFZ Potsdam), Buske, S., Lüth, S. (FU Berlin), Krawczyk, C. (GFZ Potsdam), Wigger, P., Shapiro, S.A. (FU Berlin) Pre- and Poststack images of the Southamerican subduction zone at 38◦ S. E-Mail: [email protected] The multi-disciplinary offshore project SPOC (Subduction Processes Off Chile), located between 36◦ and 39◦ S, was complemented by an onshore extension consisting of different active and passive seismic experiments, with the seismogenic coupling zone at 20-40km depth as the major target. In this paper, we present both, the poststack depth section (Krawczyk et al. 2003) and the first results from Kirchhoff prestack depth migration of this onshore near-vertical seismic reflection land experiment. The survey was designed as a pilot study - in addition to the more largescale 2D/3D wide-angle land experiments to image the subduction zone with high resolution. Three receiver spread set-ups (180 geophone groups along 18km length each) recorded ten explosive shots within the 54km long active spread as well as two far-offset shots in the Pacific Ocean and two far-offset shots east of the spread, resulting in an 87km long east-west oriented 2D reflection line. The preprocessing sequence of the prestack migration flow consisted of correction for geometrical spreading, bandpass filtering, airblast removal, an application of automatic gain control (AGC) and top and bottom muting. The processing sequence of the classical poststackmigration approach contained CMP-binning, amplitude corrections, static correction and frequency filtering. Besides that deconvolution, coherency enhancement and a waveequation based poststack depth migration had been applied to yield the final depth section. The velocity model used in both se- quences was provided from refraction seismic data analysis (Lüth et al, 2003). The poststack and prestack processing yielded images of the offshore-onshore transition zone along ∼ 38.2◦ S, extending from 18km west of the coast to the Longitudinal Valley in the east and down to a depth of more than 60 km crossing the region of the Valdivia 1960 Magnitude 9.5 earthquake. The poststack depth section shows several strong ∼ 20◦ east-dipping reflection structures at different crustal levels, whereas the prestack section reveals two parallel reflections bands with steeper east dipping and a shallower west-dipping component at 10km and 20km depth. Extensive signal enhancement applied in the classical processing approach revealed structures in the eastern part of the poststack section, which are not well resolved in the prestack section. Those features are interpreted as a Permo-Triassic accretionary wedge. References: Krawczyk, C. & the SPOC Team. Amphibious seismic survey images plate interface at 1960 Chile earthquake. EOS, 84 (32), 301, 304-305, 2003. Lüth, S. et al., Subduction Processes Off Chile (SPOC) - results from the amphibious wide-angle seismic experiment across the Chilean subduction zone. 10th Congreso Geologico Chileno, Concepcion, 2003, Extended abstracts. S6 Symposium Geophysik in den Schulen Symposium Geophysik in den Schulen 141 S6A – Di.,09.3.,09:30-09:50 Uhr · H0111 von Oertzen, A. (MHSG Berlin) Professionelle Herstellung von E-Learning Materialien in Kooperation mit der Hochschule 142 Abstracts S6B – Di.,09.3.,09:50-10:10 Uhr · H0111 Dreisbach, C. (FU Berlin) ScienceFair Berlin - Forschung zum Anfassen Symposium Geophysik in den Schulen 143 S6C – Di.,09.3.,10:10-10:30 Uhr · H0111 Arnold, W. (Universum Science Center Bremen), von Dobeneck, T. (Universität Bremen) „Gesteinsmagnetismus entdecken“ - ein virtuelles Buch mit interaktiven Experimenten und Animationen für den Projektunterricht in der gymnasialen Oberstufe E-Mail: [email protected] Die Grundlagen und Anwendungen des Gesteinsmagnetismus werden üblicherweise erst im fortgeschrittenen Geophysikstudium behandelt. Jedoch eignet sich dieses Gebiet auch ausgezeichnet als Projektthema in der gymnasialen Oberstufe, da es Querverbindungen zwischen den Fächern Physik (Ferromagnetismus), Geografie (Plattentektonik) und Biologie (Magnetorezeption) schafft und zudem attraktiv und unverbraucht ist. So stiess das Thema bei zwei Gesteinsmagnetik-Kursen im „Universum Schullabor“ derUniversität Bremen auf rege Nachfrage und sehr positive Resonanz. Der Wunsch der Fachlehrer, dieses Bildungsangebot zeitlich und örtlich flexibel in den Unterricht einbinden zu können, war Ausgangspunkt zur Entstehung der nun vorliegenden Multimedia-DVD „Gesteinsmagnetis- mus entdecken“. Realisiert wurde die konzeptionell, technisch und gestalterisch aufwendige Eigenproduktion im Rahmen einer geophysikalischen Diplomarbeit mit mediendidaktischem Schwerpunkt. In einem mit einfachen Mitteln eingerichteten Filmstudio wurden zahlreiche neuartige Visualisierungen und Experimente entwickelt, aufgenommen und für die interaktive Erkundung aufbereitet. Zusätzliches DatenBild- und Videomaterial erhielten wir dankenswerterweise von Kollegen aus München, Tübingen und Bremen sowie von der Firma Stresstech, Westerburg. Die leistungsfähige Multimediaprogrammierung (Macromedia Director MX) versteckt sich in einem zunächst sehr klassisch anmutenden „virtuellen Buch“ in dem es sich auf Abbildung 1: Unter der Wirkung eines starken Magneten reagieren die schwimmenden dia-, para- und ferrimagnetische Minerale und natürlich auch die sie enthaltenen Gesteine höchst unterschiedlich. Abbildung 2: Ein „virtuelles Mikroskop“ mit Auflicht-, Durchlicht- und Polarisationseinrichtung zeigt im Dünnschliff, dass Magnetit in den meisten magnmatischen Gesteinen einfach identifiziert werden kann. 144 Abstracts Abbildung 3: Der magnetischen Hysterese liegt ein komplexer Magnetisierungsprozess mit Wandverschiebungs- und Rotationsprozessen zugrunde, die hier am Beispiel eines Magnetnadelmodells anschaulich dargestellt und quantitativ ausgewertet werden. Abbildung 4: Das Barkhausenrauschen verschiedener natürlicher Materialien konnte erstmals mit einer der industriellen Stressmessung entliehenen Sensorik hörbar gemacht werden. dem Bildschirm per Maus genüsslich herumblättern lässt. Erst beim Anklicken spezieller Icons (zum Experiment, zum Mikroskop, zum Film) erwachen die liebevoll gestalteten Abbildungen zum Leben, starten Videosequenzen oder entführen in realitätsnah inszenierte Laborumgebungen. Die DVD befasst sich in neun geheimnisvoll überschriebenen Hauptkapiteln in unterhaltsamer Weise mit geologischen, mineralogischen, physikalischen und biologischen Aspekten des Gesteinsmagnetismus; weitere Hintergrundinformationen und Weblinks finden sich im Anhang. So wird z.B. vorgeführt, - wo und wie man Magnetit in der Natur einfach finden kann, - auf welche Weise Magnetismus und Erdmagnetfeld im alten China entdeckt wurden, - wonach sich dia-, para- und ferrimagnetische Minerale unterscheiden lassen, - warum sich magnetische Domänen ausbilden, - wie es klingt, wenn Domänenwände springen, - wie eine Hystereseschleife entsteht, und was uns das alles über die Kontinentalverschiebung verrät. Das Nebeneinander von modellierten und registrierten Magnetisierungsprozessen verdeutlicht die Komplementarität dieser zwei wichtigen geophysikalischen Ansätze. Jedes Kapitel verfügt über eine Einleitung, einen experimentellen Hauptteil und eine gründliche Nachbereitung. Dieses Konzept ermöglicht eine Integration in den Schulunterricht, aber auch das eigenständige Selbststudium. Für die Verlegung werden derzeit verschiedene Optionen überprüft; zudem ist eine englische Sprachversion in Planung. Symposium Geophysik in den Schulen 145 S6D – Di.,09.3.,10:30-10:50 Uhr · H0111 Heubeck, Ch., Götze, H.-J., Schmidt, S. (FU Berlin), von Oertzen, A. (MHSG, Berlin) Die CD ”Die Erde” - Universitätswissen für Einsteiger E-Mail: [email protected] Die zweisemestrige Veranstaltung ”Die Erde - Zusammensetzung, Struktur und Prozesse” an der FU Berlin ist eine fachübergreifende Ringvorlesung, an welcher sich 57 Dozenten pro Semester beteiligen. Zielgruppen sind Erst- und Zweitsemester des B.Sc.-Studienganges ”Geologische Wissenschaften”, für die der Besuch dieser Veranstaltung obligatorisch ist, sowie Nebenfachhörer aus einem breiten Spektrum anderer Fächer. Die Vorlesung vermittelt dicht gedrängtes Übersichtswissen mit Betonung auf Prozeßverständnis (z.B. Gesteinskreislauf, Klima, Gebirgsbildung, Erdgeschichte, Risiken und Potentiale etc.) und hat den Anspruch, ein gemeinsames Studienobjekt (die feste Erde) durch die Vernetzung von Methoden und fachspezifischem Wissen allseitig zu beleuchten und dadurch den Studierenden in transparenter und zugleich konzentrierterer Form darzustellen. In der ”Erde” wird dieser multidisziplinäre Ansatz mit integrativem, fachübergreifendem Denken zum einen durch wechselseitige Bezüge zwischen den Lehrmaterialen verschiedener Dozenten und zum anderen durch vereinheitlichte Darstellungsweise (z.B. Format, Vorlesungsaufbau etc.) dieses Lehrmaterials geschaffen. bessern, und den Studenten eine zeit- und raumunabhängige Vorbereitung und Nacharbeit des Lehrmaterials zu ermöglichen. Insgesamt waren etwa 10 Dozenten über etwa 18 Monate an der Erstellung der digitalen Inhalte beteiligt. Die multimediale Erstellung durch htmlSeiten bot die Möglichkeit der Vernetzung durch zahlreiche Querverweise auf Themen anderer Unterrichtseinheiten. Diese verhindern Unter- und Überlappungen, ermöglichen die nahtlose Fortsetzung des Gedankenganges bei Dozenten- und Fachwechsel, und bieten die Möglichkeit, Daten und Material von KollegInnen zu übernehmen und für eigene Zwecke zu modifizieren. (Dabei ist das Lernen des/r Dozenten/in ein nicht unwesentlicher Nebeneffekt.). Wesentlich war, einen didaktisch hohen Standard durch zahlreiche interaktive Möglichkeiten (animierte GIFs, QuicktimeMovies, Javascript modules etc.) zu gewährleisten, um die CD ein deutlich unterschiedliches Profil im Vergleich zu einem herkömmlichen Skript zu geben. Dies gelang durch die enge Einbindung von Informatik- und Webdesign-Fachkräften. Die bei der großen Anzahl von universitäten Autoren sich fast zwangsläufig entwickelnde Vielfalt von inhaltlichen und gestalterischen Stilen Aufgrund dieses Anspruchs und durch wurde durch ein straffes Layout-Management die Förderung durch die hochschulwisseneingegrenzt. verwertende Gesellschaft MHSG erstellten die Dozenten der Ringvorlesung im Jahre 2002 Webseite: http://userpage.fueine gemeinsame CD. Diese hatte das Ziel, berlin.de/ amadeusm ”Erde”-Lehrinhalte besser aufeinander abzustimmen und miteinander zu vernetzen, die Konzept- und Methodenvermittlung zu ver- 146 Abstracts S6E – Di.,09.3.,11:10-11:30 Uhr · H0111 Patzig, R., Dahm, T. (Hamburg) Amateurseismologische Station am Gymnasium in Oldenburg E-Mail: [email protected] Die amateurseismologische Station der Universität Hamburg am Alten Gymnasium Oldenburg läuft momentan im Testbetrieb. Derzeit werden die Signale auf ihren Rauschpegel untersucht und die Software zur Signalübertragung und -bearbeitung entwickelt und getestet. Ebenfalls wird noch der Stationsaufbau optimiert. Die Station soll zum einen Schülern und Schülerinnen zeigen, wie in der Seismologie Daten gewonnen werden, und welche Schritte alle notwendig sind, bis Bebensignale aus dem Rauschen erkannt werden können. Zum anderen soll die Station helfen eine Lücke im seismischen Stationsnetz zu füllen. In Norddeutschland existieren nur wenige seismologische Stationen, da der sedimentäre Untergrund nicht so geeignet ist seismologische Signale weiterzuleiten, wie ein felsiger Untergrund. Die von einem Erdbeben ausgehenden Wellen führen dazu, daß Felsen als großer Block gehoben und gesenkt werden, daher führen sie die Wellen relativ unverfälscht zum Geophon weiter. Ein Untergrund aus sedimentären Lagen (Sandschichten oder Sandstein), der sogar noch durch Salzstöcke gestört ist, führt zu Nebeneffekten durch Reflexionen und Streuungen. Daher wird ein solcher Untergrund von Seismologen zum Stationsaufbau gemieden. Zwar genügt die Stationszahl in Deutschland, um im weltweiten Netz dazu beizutragen starke Beben zu messen, jedoch fehlen in Norddeutschland Daten bezüglich kleinerer Beben (Magnitude < 3). Es kann nicht gesagt werden, ob solche Beben in Norddeutschland nicht stattfinden, oder ob sie lediglich aus Stationsmangel nicht gemessen werden. Die Station basiert auf einem Konzept von K.-G. Hinzen (Univ. Köln) und besteht aus einem handelsüblichen PC, der um einen Funkuhr - Empfänger (Steckkarte) erweitert wurde und am Netzwerk angeschlossen ist. Am PC ist ein Analog-Digital - Wandler (ADWandler) angeschlossen, an welchem sich das Geophon befindet. Symposium Geophysik in den Schulen S6F – Di.,09.3.,11:30-11:50 Uhr · H0111 Schneider, S. (IMGF, Frankfurt am Main) Geophysik - Nicht nur Erdbeben Im vergangen Jahr wurden am Institut für Meteorologie und Geophysik verschiedene Unterrichtseinheiten zu Themen der Geophysik entworfen und getestet. Das Angebot das so entstanden ist reicht von einfachen Vorträgen an Schulen über Schulbesuche am Institut und am Observatorium bis hin zu einer Projektwoche mit Methoden der Angewandten Geophysik. Der Titel bezieht sich auf die immer wieder in Erscheinung tretende Meinung, dass die Geophysik nur mit Erdbeben und Vulkanen in Verbindung gebracht wird. Um dem entgegen zu wirken, wurden Themen wie "Das Erdmagnetfeldöder "Methoden der Angewandten Geophysikïn diesem, als Pilotversuche anzusehenden Projekt, verstärk Beachtung geschenkt. In diesem Kurzvortrag sollen einige der bereits getesteten und durchweg mit großem Erfolg durchgeführten Einheiten vorgestellt werden. 147 148 Abstracts S6G – Di.,09.3.,11:50-12:10 Uhr · H0111 Schüler, N. (Anna Schmidt Schule, Frankfurt), Schneider, S. (Frankfurt am Main) Auf den Spuren der Römer in Hessen - Eine Geophysikalische Projektwoche Im Oktober 2003 wurde an der Anna Schmidt Schule in Frankfurt in Zusammenarbeit mit dem Geophysikalischen Institut der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt eine Projektwoche mit Methoden der Angewandten Geophysik angeboten. Ziel war es, die im physikalischen Unterricht der Schulen erlernten Grundprinzipien in den Arbeitsmethoden der Angewandten Geophysikwiederzufinden und sie so in einem neuen Kontext aufzuzeigen. Auf einem Gelände westliche von Darmstadt, in dem die Archäologen der frankfurter Universität einen römischen Burgus untersuchen, sollten magnetische und geoelektrische Kartierungen sowie der Einsatz des Bodenradars vorgestellt, von den Schülern selbst durchgeführt und gezielt auf eine archäologische Fragestellung angewandt werden. Es hat sich gezeigt, daß der ungewohnte Einsatz einfacher, physikalicher Prinzipien sowohl bei den Schülern als auch bei den beteiligten Lehrern auf großes Interesse gestoßen ist. Das hier gezeigte Poster ist die abschließende Zusammenfassung, die die Schüler für eine kleine Präsentation in ihrer Schule entworfen haben. Symposium Geophysik in den Schulen S6P01 Patzig, R., Dahm, T. (Hamburg) Amateurseismologische Station am Gymnasium in Oldenburg E-Mail: [email protected] Dieses Poster wird auch als Vortrag (siehe Nummer S6E) präsentiert. 149 150 Abstracts S6P02 Schüler, N. (Anna Schmidt Schule, Frankfurt), Schneider, S. (Frankfurt am Main) Auf den Spuren der Römer in Hessen - Eine Geophysikalische Projektwoche Dieses Poster wird auch als Vortrag (siehe Nummer S6G) präsentiert. AG Archäogeophysik 152 Abstracts AGP01 Erkul, E., Rabbel, W., Stümpel, H. (Institut für Geowissenschaften, Universität Kiel) Entwicklung eines mobilen Multi-Sensor-Systems E-Mail: [email protected] In der Archäologie rückt die Erforschung der Lebensumstände der Bevölkerung im Altertum mehr und mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Dazu begibt man sich quasi von den Höhen der Akropolis hinab in die Niederungen der antiken Unterstädte und des Umlandes der Städte. Die Weiträumigkeit dieser Untersuchungsareale stellt jedoch neue Anforderungen an die Untersuchungsmethodik. Für die archäologische Prospektion gilt es nicht allein, grabungswürdige Objekte aufzufinden, sondern Siedlungsräume als Ganzes großflächig zu erfassen. Für diese Aufgaben sind geophysikalische Prospektionsmethoden besonders gut geeignet. Eine besondere wissenschaftlichtechnische Herausforderung besteht nun darin,ein geländetaugliches Messverfahren zu entwickeln, das (1) über ein cm-genaues Auflösungsvermögen verfügt, (2) für die Kartierung Hektar bis Quadratkilometer grosser Areale tauglich ist und (3) möglichst viele Sensoren auf ökonomische Weise gleichzeitig zum Einsatz bringt. In unserem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt wird daher ein motorisiertes geophysikalisches MultisensorSystem entwickelt (Abb.1), bei dem auf einem Geräteträger drei verschiedene Messverfahren montiert werden: Das neu entwickelte Multi-Sensor-System wird für die Lokalisierung und Kartierung alter Siedlungen, Befestigungen und Kultanlagen sowie von Gräbern bzw. Grabbauten eingesetzt. Hinzu kommt die Erfassung alter Wirtschafts- und Infrastruktureinrichtungen wie Bewässerungs-kanäle, Brunnenschächte bzw. Zisternen. Die Prospektionsergebnisse sind somit nicht nur für die Archäologie sondern auch, zum Beispiel, für Kultur- und Wirtschaftsgeographie oder Landschaftsökologie von Bedeutung. Der synchrone Einsatz unterschiedlicher Prospektionsverfahren an einem Objekt ist wichtig, da erst durch die Erfassung verschiedener physikalischer Eigenschaften des Untergrunds eine differenzierte Materialansprache ermöglicht wird. Die Kartierungen müssen gleichzeitig erfolgen, damit die Kosten der Vermessung gering gehalten werden und unterschiedliche Witterungseinflüsse auf die Messungen ausgeschlossen werden können. Als Geräteträger wurde ein Messzug konstruiert (Abb.1), der auch unter erschwerten Gelände-bedingungen eine kontrollierte Fortbewegung im Feld sicherstellt. Der Messzug besteht aus einem kleinen Allradschlepper als Zugmaschine und einem Anhänger als Sensorträger. Der Sensorträger muss dabei unmagnetisch sein und so konstruiert sein, dass sich Abbildung 1: Multi-Sensor-System im Einsatz Archäogeophysik 153 die Sensoren nicht untereinander beeinflussen. realisiert wird, das den Anforderungen einer Um Störeffekte von der Zugmaschine auf die modernen GeoArchäologie der Lebensräume Magnetikmessungen zu minimieren, werden gerecht wird. die Fluxgate-Sonden am hinteren Ende des Sensorträgers ca. 5.50 m hinter der Zugmaschine geführt. Eine im cm-Bereich genaue Positionsbestimmung wird durch das satelliten-gestützte GPS-Navigationssystem erreicht. Die neu entwickelte Software NavTreck überträgt die GPS-Koordinaten der Fahrspur in Echtzeit auf den Bildschirm eines Notebook- Computers, so dass der Fahrer stets über die bereits vermessenen Fläche informiert ist. Synchron werden die Sensordaten gespeichert. In Zusammenarbeit mit archäologischen Forschergruppen wird das Multi-SensorSystem zur Zeit an den folgenden fünf Grabungsstätten praktisch erprobt und optimiert: (1)Hethitische Stadtanlage Sarissa in Kappadokien, Türkei (Vorgeschichtliches Seminar der Philipps-Universität Marburg) (2)Griechische Stadtanlage Milet in Westanatolien, Türkei (Archäologisches Institut der Ruhr Universität, Bochum) (3)Griechische Kolonie Selinunte in Sizilien, Italien (Deutsches Archäologisches Institut, Rom) (4)Früh-Neuzeitliche Schanzenanlage in Oberhessen (Vorgeschichtliches Seminar der Philipps-Universität Marburg) (5)Erdwerk Plate in MecklenburgVorpommern (Landesamt für Bodendenkmalpflege Mecklenburg-Vorpommern) Die fünf Testgebiete repräsentieren ein breites Spektrum von archäologischen Denkmalsgattungen, Erhaltungs- und Bodenbedingungen. Die geophysikalische Prospektion wird durch archäologische Ausgrabungen und bodenkundliche Untersuchungen begleitet, so dass hier ein integrales Forschungskonzept 154 Abstracts AGP02 Lübke, M., von Hartmann, H. (TU Clausthal) Geophysikalische Messungen auf dem Gelände der ehemaligen Kaiserpfalz in Pöhlde E-Mail: [email protected] Einleitung In Zusammenarbeit mit dem Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege wurden im Laufe des Jahres 2003 geophysikalische Messungen auf dem Gelände der ehemaligen Kaiserpfalz von Pöhlde (Landkreis Osterode am Harz) durchgeführt. Pöhlde liegt im südwestlichen Harzvorland zwischen dem Harzrand und einem vorgelagerten Höhenzug, dem Rothenberg. Auf dem Gelände des heutigen Pfarrgartens und des Pfarrhauses befand sich im Mittelalter eine Kaiserpfalz. Angrenzend an das Pfalzgelände lag eine Klosteranlage, deren Standort durch die heutige Kirche von Pöhlde gekennzeichnet wird. In den 70er Jahren wurden bei archäologischen Ausgrabungen die Grundmauern des Haupthauses der Pfalzanlage sowie Reste des Kreuzganges und angrenzender Gebäudeteile freigelegt, dokumentiert und zur besseren Erhaltung wieder verschüttet. Weitere Ausgrabungen waren ohne Erfolg. Die lokalisierten Fundamente und der Grundriss des Pfarrhauses bzw. der Kirche sind in Abbildung 1 dargestellt. Die 2003 vom Institut für Geophysik der TU Clausthal durchgeführten Messungen auf dem ehemaligen Pfalzgelände sollten Aufschluss darüber geben, ob sich noch weitere Gebäudeteile lokalisieren lassen. Zusätzlich sollte geklärt werden, welche der eingesetzten Verfahren sich besonders gut zur Erkundung oberflächennaher Objekte eignen. Da die schon ergrabenen Bereiche zum Teil für die geophysikalischen Messungen zugän- gig sind, ist es möglich zu überprüfen, ob sich die Mauern mit den verwendeten Verfahren auflösen lassen. Geophysikalische Messungen Die in Pöhlde eingesetzten Verfahren waren Geoelektrik, Radar, Magnetik und Refraktionsseismik. Die jeweiligen Verfahren bilden die Verteilungen physikalischer Parameter in unterschiedlicher Auflösung im Untergrund ab. Ausgehend von Modellannahmen können so die Interpretationsmöglichkeiten eingeschränkt und genauere Aussagen über bauliche Reste im Untergrund gemacht werden. Die geoelektrischen Messungen wurden mit einer Multielektrodenapparatur mittels der Dreielektrodenanordnung durchgeführt. Es wurden mehrere parallele Profile mit einem Abstand von 1 m gemessen, die anschließend 2D und 3D ausgewertet wurden. Neben den geoelektrischen Messungen wurde auf einem 1*1 m2 Raster der magnetische Gradient aufgenommen. Zusätzlich wurden zur Messpunktverdichtung quasikontinuierliche Messungen auf Profilen im Abstand von 0.5 m mit einem Abtastintervall von 0.5 s, das entspricht etwa 25 cm, durchgeführt. Für die Radarmessungen wurde eine abgeschirmte Antenne mit einer Frequenz von 250 MHz verwendet. Mit dem Radargerät wurden ebenfalls parallele Profile mit einem Abstand von 0.5 m gemessen. Der Spurabstand der jeweiligen Linien betrug 5 cm. Bei den seismischen Refraktionsmessungen wurden Scherwellen mit einem maximalen Offset von 37 m und 1 m Geophonabstand aufgenommen. Archäogeophysik Auswertung Der Untergrund in Pöhlde besteht aus Kiesschichten, die durch Auelehme und Kulturhorizonte überdeckt werden. Für die Mauern der Kaiserpfalz wurden Steine aus den Schotterablagerungen verwendet und mit Lehm abgedichtet. Durch die Verwendung der ortüblichen Materialien für den Bau der Pfalz ergeben sich nur geringe Kontraste zwischen den baulichen Resten und den oberen Bodenschichten. Außerhalb der Bebauung spiegeln die geoelektrischen, seismischen und Radarmessungen den vertikalen Aufbau des Bodens im obe- Abbildung 1: Lageplan des Ausgrabungsgebietes in Pöhlde: Oben das ehemalige Pfalzgelände, unten die Ausgrabungsfunde des Klosters (Claus, 1983). 155 ren Bereich wieder. Die Kiesschichten werden mit Mutterboden und Auelehme überdeckt. Innerhalb der Bebauung lassen sich in diesen Strukturen laterale Unterschiede in den physikalischen Parametern der genannten Messverfahren erkennen, die mit den schon bekannten Bauresten korreliert werden können. Zusätzlich lassen sich Korrelationen zwischen der Verteilung der Messwerte und der derzeitigen Nutzung und Veränderung der Bodenstruktur durch Ausgrabungs- und Bautätigkeiten erkennen, z.B. ergeben sich bei den Radarmessungen glatte Reflektoren außerhalb der Ausgrabungszonen und unruhige Strukturen innerhalb der Grabungsgebiete. Auch die Magnetik weist deutlich ruhigere Strukturen außerhalb auf. Verlässliche Aussagen über die Strukturen und Objekte im Untergrund ließen sich erst nach einer umfangreichen Bearbeitung und Inversion der unterschiedlichen Messdaten machen. Die Schwerpunkte liegen im Erkennen lateraler Inhomogenitäten. Auf dem Poster werden die Ergebnisse der einzelnen Verfahren dargestellt und miteinander verglichen. Literatur Claus, M., Fansa, M., 1983: Materialhefte zur Ur- und Frühgeschichte Niedersachsens. Verlag August Lax, Hildesheim. 156 Abstracts AGP03 Bilgili, F., Rabbel, W., Stümpel, H., Müller, C. (Kiel, Inst. für Geowissenschaften, Abt. Geophysik) Variogrammanalyse in der magnetischen Prospektion von archäologischen Stätten E-Mail: [email protected] Geophysikalische Prospektionsmethoden gewinnen in der Archäologie immer mehr an Bedeutung, weil sie im Vergleich zu einer Ausgrabung die Reste der früheren Kulturen zerstörungsfrei und kostengünstig erfassen. Die Datenerfassungsgeschwindigkeit in der Archäogeophysik ist in den letzten Jahren rasant gestiegen. So werden mittlerweile Systeme entwickelt, die mit DGPS ausgerüstet über die zu prospektierende Flächen fahren und parallel mehrere geophysikalischen Verfahren durchführen. Geoinformationssysteme (GIS) werden benutzt, um die gemessenen Daten zu visualisieren und miteinander in Beziehung zu setzen. Während GIS in den letzten Jahren zu wirkungsvollen Werkzeugen in Bezug auf die Kombination unterschiedlicher Informationsschichten geworden sind, muss jedoch weitere Entwicklungsarbeit bei der Datenverarbeitung geleistet werden, besonders in Hinblick auf die Automatisierung der Interpretation und Reklassifizierung großflächiger zweidimensionaler geophysikalischen Kartierungen. In dieser Arbeit wird ein Bearbeitungsschema dargestellt, das zur Reklassifizierung geomagnetischer Pläne dient. Ziel dieser Bearbeitung ist die Identifikation von Siedlungsflächen, die weniger durch klar erkennbare Gebäudereste als vielmehr durch diffuse, kleinräumige Anomaliemuster gekennzeichnet sind. Dabei besteht ein qualitativer Zusammenhang zwischen der ’Intensität’ des Musters und Häufigkeiten von Tonscherben im Untergrund. Die magnetischen Daten, die in dieser Arbeit Verwendung finden, wurden in einer hethitischen Stadtruine in Zentralanatolien aufgenommen. Für die Prospektion wurden Fluxgate-Gradientensonden eingesetzt. Fünf Sonden wurden im Abstand von 0,2 oder 0,4 m an an ein Tragegestell montiert. Während eines Meßvorganges lassen sich entsprechend ein oder zwei Meter Profilbreite abdecken. Die Auflösung liegt bei 0,5 nT. Für die hochauflösende Prospektion wird die Meßgeschwindigkeit in Profilrichtung so gewählt, daß ca. alle fünf Zentimeter ein Meßwert aufgezeichnet wird. Der hier gewählte ReklassifizierungsAnsatz benutzt eine zweidimensionale Variogramm-Analyse mit gleitendem Fenster. Ein Variogram gibt die mittlere Streuung der Differenzen zwischen zwei Zufallsvariablen und ist damit ein Maß für den räumlicher Zusammenhang dieser beiden Variablen. Streuen die Werte der Differenz der beiden Zufallsvariablen stark, so bedeutet dies, ihr räumlicher Zusammenhang klein ist. Die Funktion, die dem empirischen Variogramm angepaßt wird und als Schätzer für das Variogrammgilt, wird theoretisches oder Modell Variogramm genannt. Der Abstand, bei dem das Variogramm asymptotisch einen Schwellenwert (’sill’) erreicht, wird Aussageweite (’range’) genannt. Geomagnetische Flächen mit unterschiedlichen Besiedlungssgrad werden exemplarisch mit verschiedenen Fenstergrößen nach ihren Archäogeophysik A 25 B 157 2 1.5 50 20 50 1 15 100 N [m] N [m] 5 0.5 100 10 150 0 150 0 −0.5 −5 −1 200 200 −10 −1.5 −15 250 50 100 150 200 250 250 50 100 E [m] C 5 D −2 250 5 SILL 4 4 3.5 3.5 3 3 2.5 2.5 2 2 1.5 1.5 SILL 1 0.5 0.5 0 0 200 4.5 Variability Variability 4.5 1 150 E [m] RANGE 10 20 30 40 50 distance 60 70 80 90 0 0 RANGE 10 20 30 40 50 distance 60 70 80 90 Abbildung 1: A) Eine Beispielfläche ohne Siedlungsspuren, B) mit Siedlungsspuren, C) Variogramm von A, D) Variogramm von B. Range- und Sillwerten untersucht. Die ersten Analysen zeigen gute Ergebnisse bei der Unterscheidung der bebauten Flächen von unbebauten. Die Ergebnisse werden mit magnetischen Modellrechnungen verifiziert und der Bearbeitungsweg auf seine Automatisierbaarkeit hin untersucht. 158 Abstracts AGP04 ElBassiony, A. (Institut fuer Geophysik, Technische Universitaet Clausthal) Modelling of magnetic field data for archaeological structures in Saqqara-Egypt E-Mail: [email protected] The measurement of the vertical gradient of the vertical component of the magnetic field using the fluxgate gradiometer has many advantages in the archaeological prospection. It is regarded as a high pass in-situ measurements and a high resolution method. The field measurements were acquired with the Fluxgate gradiometer FM36. The lower sensor was 30 cm above the surface and the higher sensor separated from the lower one by 50 cm. The area had a dimension of 100 m by 100 m. The measurements were performed with a sensitivityof 0.1 nT in zigzag traverses separated by 0.5 m and a sample interval of 0.5 m along traverses. Fig.1 shows the result of the measurements and the location of a test profile (P1W). The archaeological features in the north ceme- tery of Saqqara, also known as „The Great Archaic Tombs“, were built from sun-dried mudbricks and were covered with sands. At the surface there were many small pottery pieces that had a relatively high noise level inherent in the measurements. The modelling of this vertical gradient measurement is required in order to make appropriate interpretation of the buried archaeological structures. The second vertical derivative of the total magnetic field is computed for simple geometrical bodies (Spheres). The advantage of using spheres as a modelling unit is that they are finite units and their three dimensional field could be easily and quickly calculated. Most of the common archaeological structures could be approximated by a combination of spheres of different volumes, depths and lateral offsets. Information concerning the approximate depth and dimensions of the buried features in the northern cemetery of Saqqara were gathered from other nearby excavated sites. The magnetic susceptibility of the collected samples shows high susceptibility contrast between the mudbricks (about 6000·10−6 SI) and the sand overburden (about 360 · 10−6 SI). This susceptibility contrast (about 5640 · 10−6 SI) was used in modelling the vertical gradient measurements. The surface noise represented by the pottery pieces was simulated by very tiny spheres (about 10 cm in diameter) located few centimeters below the surface having high magnetic suscepFigure 1: The vertical gradient of the verti- tibility (about 19000 · 10−6 SI) as measured cal component (Bzz) over the studied area in in the laboratory. The archaeological feaSaqqara, Egypt tures were approximated by the combination Archäogeophysik 159 Figure 2: Modelling the vertical gradient of the archaeological structures using spheres of different dimensions, depths and lateral offsets of spheres of different sizes, depths and lateral offsets. The modelling with such technique was evaluated by comparing the synthetic field with a measured vertical gradient profile (Fig. 2). The results show realistic and adequate similarities. The study of the effect of the shallow or surface pottery pieces on the measurements of the vertical gradient in Saqqara is very important. The superposition of this surface noise on the archaeological anomalies changes the shape of the original anomaly because of the high magnetic susceptibility of the fired clay and being near to the lower sensor. The profile selected for the modelling procedure included archaeological anomalies that were severely affected by surface noise in order to represent the flexibility of this modelling technique. 160 Abstracts AGP05 Nordsiek, S., Weller, A. (TU Clausthal) Spektrale induzierte Polarisation an Torfproben E-Mail: [email protected] Das in den Landkreisen Vechta und Osnabrück liegende Campemoor ist seit 1999 Ziel von Untersuchungen des Niedersächsischen Landesamtes für Denkmalpflege (NLD). Besondere Aufmerksamkeit wird den neolithischen Bohlwegen geschenkt, deren Holz im Moor über mehrere tausend Jahre konserviert wurde. Das Referat Archäologie des NLD hat unter der Torfdecke bereits drei Bohlwege aus den Jahren 4700, 3850 und 2930 vor Christus lokalisieren können. Um zu klären, ob die spektrale induzierte Polarisation helfen kann, den weiteren Verlauf dieser Trassen zu finden, wurden Proben vom Holz der Bohlwege und den umgebenden Bodenarten entnommen und mit einer SIP-Fuchs-Apparatur im Labor untersucht. Das durchmessene Frequenzspektrum reicht von 1,4 mHz bis 750 Hz. Beim Bodenmaterial handelt es sich um die im Campemoor angetroffenen unterschiedlichen Nieder- und Hochmoortorfe sowie eine Probe des mineralischen Bodens unterhalb der Torfschichten. Einen Überblick über die Herkunft der Proben gibt Tabelle 1. Als Beispiel für die Ergebnisse der SIPMessungen im Labor sind in Tabelle 2 der spezifische elektrische Widerstand und die Phasenverschiebung für zwei ausgewählte Frequenzen (11,4 mHz und 2,9 Hz) angegeben. Tabelle 1: Zugehörigkeit und Teufe der Proben Bei der Betrachtung des spezifischen Widerstands ist für beide Frequenzen eine Zunahme mit der Teufe zu erkennen. In der Phasenverschiebung tritt der Wollgrashorizont mit leicht höheren (für 11,4 mHz) bzw. niedrigeren (für 2,9 Hz) Phasenwerten hervor. Eine gute Unterscheidung der einzelnen Torfschichten mit Hilfe der Phasenmessung scheint nicht möglich zu sein. Die Differenzierung zwischen Torf und dem mineralischen Untergrund anhand der Phase ist aber deutlich. Abbildung 1 zeigt jeweils ein Phasenspektrum für jede Torfart. Die Hochmoortorfe (Weiss- und Schwarztorf) heben sich von den anderen Proben durch ein klar erkennbares Phasenmaximum im Bereich zwischen 10 und 100 Hz ab. Die meisten Kiefernholz-Proben aus dem Campemoor besitzen je nach Orientierung der Probe im niederfrequenten Bereich (1 bis 10 mHz, axial) oder bei Frequenzen zwischen 0,1 und 10 Hz (radial) ein auffälliges Phasenmaximum mit 20 bis 40 mrad, so dass eine Unterscheidung zwischen Torf und Holz möglich sein sollte. Archäogeophysik 161 Tabelle 2: spezifischer elektrischer Widerstand und Phasenverschiebung für zwei ausgewählte Frequenzen Abbildung 1: Phasenspektren der Torfproben 162 Abstracts AGP06 Wunderlich, J. (Universität Rostock), Müller, S. (Innomar Technologie GmbH) Hochauflösendes Fächer-Sediment-Echolot zum Auffinden eingesandeter archäologischer Objekte E-Mail: [email protected] Ehemalige küstennahe Siedlungsgebiete befinden sich durch das Ansteigen des Meeresspiegels in den vergangenen Jahrhunderten heute oft unterhalb der Wasseroberfläche und sind teilweise einsedimentiert. Eine Untersuchung der Fundstellen mit Tauchern ist oft durch schlechte Sichtbedingungen erschwert und ohne weitere Hilfsmittel können nur Objekte oberhalb der Bodenoberfläche gefunden werden. Zunehmend werden akustische Verfahren zur Fernerkundung, wie Seitensichtsonare und Sedimentecholote, eingesetzt. Seitensichtsonare geben einen Überblick über einen größeren Abschnitt der Bodenoberfläche und sind hervorragend zum Auffinden von aus dem Boden herausragenden Objekten geeignet. Eine Eindringung in den Boden ist jedoch wegen der hohen Sendefrequenzen kaum möglich. Zum Auffinden und Vermessen von eingesandeten Objekten können Sedimentecholote eingesetzt werden. Herkömmliche Sedimentsonare arbeiten überwiegend mit linearer Akustik und strahlen die Schallimpulse senkrecht zum Boden ab. Für ein genaues Abbild sind möglichst hohe vertikale und laterale Auflösungen notwendig. Die erreichbare Eindringung und vertikale Auflösung hängt von der Sendefrequenz und der Impulslänge ab. Für eine hohe laterale Auflösung sind eine kleine beschallte Bodenoberfläche, kurze Impulse und eine hohe SendeimpulsWiederholrate erforderlich. Die Breite der Schallkeule und damit die Größe der beschall- ten Fläche ist abhängig von der Sendefrequenz und der Größe des Schallwandlers. Mit linearer Akustik sind kleine Öffnungswinkel bei den für die Eindringung in den Boden erforderlichen tiefen Frequenzen nur mit großen Schallwandlern zu erreichen. Dies schränkt neben dem durch die geringe Systembandbreite verursachten Nachschwingen der Sendeimpulse den Einsatz linearer Sedimentecholote in sehr flachen Gewässern, wie sie für die Unterwasserarchäologie typisch sind, ein. Einen Ausweg bietet die Verwendung nichtlinearer (parametrischer) Echolote. Dabei werden mindestens zwei benachbarte Frequenzen ( f1 , f2 ) mit hohem Schalldruck gleichzeitig abgestrahlt. Im Wasser bilden sich dann weitere Frequenzen aus. Für die Sedimentecholotung wird die Differenzfrequenz ( f2 − f1 ) genutzt. Der Öffnungswinkel des Schallwandlers und damit die beschallte Fläche ist nur von den Primärfrequenzen und der Wandlergröße abhängig. Insbesondere bei hohen Primärfrequenzen lassen sich kleine Schallwandler einsetzen, die auch auf kleinen Messfahrzeugen verwendet werden können. Es sind sehr kurze Schallimpulse ohne Nachschwingen möglich. Für die Differenzfrequenz treten keine unerwünschten Nebenkeulen auf. Diese Eigenschaften machen nichtlineare Sedimentecholote besonders geeignet für die Objektortung in flachen Gewässern. Selbst stark wassergetränkte Holzteile, deren akustische Eigenschaften sich nur unwesentlich von denen ihrer Umgebung unterscheiden, sind zu detektieren. Archäogeophysik Bei möglichst lückenloser flächenhafter Erfassung des zu untersuchenden Gebietes können Rückschlüsse auf Lage und Geometrie von Objekten gewonnen werden. Nachteilig wirkt sich dabei die geringe Suchbreite bei kleinem Öffnungswinkel des Schallwandlers und geringen Wassertiefen aus. Wird der Schallwandler jedoch als Array ausgeführt, kann der Schallstrahl durch phasenverschobene Ansteuerung der einzelnen Arrayelemente elektronisch geschwenkt werden und die Suchbreite wird bei gleichbleibender Auflösung erheblich vergrößert. Dieses Prinzip wird von Fächerloten genutzt, die jedoch nur die Bodenoberfläche abtasten. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine ausreichende Eindringung in den Boden bei einer Strahlschwenkung im Bereich ±45 Grad möglich ist. An der Universität Rostock wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsvorhabens („Fächerfähiges Sedimentecholot SES-2000“; FKZ 03KR9LV2) von der Forschungsgruppe Hydroakustik ein FanSubbottom-Profiler großer Suchbreite als Erprobungsmuster realisiert. Das System nutzt die Vorteile nichtlinearer Akustik und es können Differenzfrequenzen zwischen 4 kHz und 15 kHz bei Primärfrequenzen um 100 kHz abgestrahlt werden. 163 (Bodenoberfläche, Schichtgrenzen) befinden. An diesen Grenzflächen werden die Schallstrahlen vor allem vom Empfänger weg gerichtet reflektiert. An im Verhältnis zur Wellenlänge kleinen Objekten tritt dagegen eine starke Rückstreuung auf, so dass sich das Nutzsignal/Reverberations-Verhältnis gegenüber einem senkrechten Schalleinfall vergrößert. Im Online-Betrieb werden von den einzelnen Schallstrahlen herkömmliche Echogramme in Echtzeit berechnet. Eine dreidimensionale Darstellung des Untergrundes wurde im Post-Processing realisiert. Eine räumliche Vorstellung von den untersuchten Objekten ist besonders für die anschließenden archäologischen Untersuchungen von Bedeutung. Auf Grundlage der bisher gesammelten Erfahrungen entwickelt die Innomar Technologie GmbH1 zur Zeit ein komerziell verfügbares Sediment-Fächer-Echolot. Ein solches Sonar kann zur effektiven und lückenlosen Suche sowie zur 3D-Darstellung einsedimentierter kleinskaliger Objekte in einem größeren Areal eingesetzt werden. Es ist über archäologische Aufgabenstellungen hinaus z.B. für Suche und Monitoring von Dükern, Kabeln, Pipelines, Fundamenten, Hindernissen für Baggerarbeiten (z.B. Steine) und zum Aufspüren von Schadstellen in Kanal- und Deichsohlen geeignet. http://www-nt.e-technik.uniDas SES-2000 wurde erfolgreich zusam- Webseite: rostock.de/ntie/ men mit Dr. Willi Kramer vom Archäologischen Landesamt Schleswig-Holstein (ALSH) im wikingerzeitlichen Hafengebiet von Haithabu erprobt. Dabei wurden auch Messungen mit einem Seitensichtsonar gemacht. Mit den schrägen Schallstrahlen des FächerSediment-Sonars sind Objekte kleiner Abmessungen besonders gut zu erfassen. Es ist möglich, auch noch Einzelobjekte aufzulösen, die sich in der Nähe ebener Grenzflächen 1 www.innomar.com BP Bohrlochgeophysik/Petrophysik Bohrlochgeophysik/Petrophysik 165 BP01 – Fr.,12.3.,09:30-09:50 Uhr · H0112 Hartmann, A., Rath, V., Clauser, C. (RWTH Aachen) Thermal conductivity from Core and well log data from the German Molasse Basin E-Mail: [email protected] A number of attempts have been made to determine thermal conductivity from well log data, including direct empirical relationships between measured properties and more complex models based on mixing laws. The latter require interpretation of well log data in terms of lithology and porosity prior to thermal conductivity estimation. The second approach can always be applied, in principle, but requires calibration for each geological setting all the same. We present data and interpretations from the German Western Molasse Basin, an Alpine foreland basin. A nearly continuous core section was available from 550 - 800 m depth in a geothermal well. The drilled sequence consists of typical Molasse sediments: sand- to siltstones with various amounts of calcareous components and clays. Clay, in particular makes the acquisition and interpretation of measurements a challenging task. A total of 170 samples was taken from the borehole. We measured thermal conductivity, sonic velocity, heat capacity, and bulk density in the laboratory on dry and water saturated samples. This mixture yields information on thermal conductivity and diffusivity as well as their relation to parameters measured in conventional well logging. Well log data from the same borehole is interpreted in order to obtain a rock model for the borehole. Using laboratory and well log data, a thermal conductivity and thermal diffusivity log can be computed. The ability to predict thermal parameters correctly is reviewed for several functional relationships and their differences are reviewed. Once a relationship is established, it can be applied to other sites. For this purpose, a number of wells have been analysed. We calculate thermal conductivity for selected formations for these wells to study the spatial variability of this parameter. 166 Abstracts BP02 – Fr.,12.3.,09:50-10:10 Uhr · H0112 Lotz, B., Förster, A. (GeoForschungsZentrum Potsdam) Thermal conductivity of Permocarboniferous rocks in the Northeast German Basin: a database for basin modelling and geothermal exploration E-Mail: [email protected] In recent years, the Northeast German Basin (NEGB) was the target of a multifaceted geoscientific research effort (including seismic, magnetic, and gravimetric investigations) that succeeded former work in academia to interpret in a global realm the geodynamic origin of the basin in late Variscan time and of its postVariscan structural modification. Other recent projects focused on applied issues as the exploration for hydrocarbons and geothermal energy. One subject however still needs research and this is the investigation of the cause and effect of geothermal anomalies. Knowledge of the thermal structure and heat flow in the basin are vital parameters in geophysics and geology and are useful tools for studying the detailed crustal and lithospheric structures. Common to these previous studies in the NEGB is that they relied to different degree on knowledge of the physical properties of the rocks constituting the sedimentary fill of the basin and its basement. Properties of interest were porosity, density, thermal conductivity, and radiogenic heat production. Despite the numerous efforts made in the past to model the basin, little effort was made in new in-depth investigations of the rock properties involved. Thus, the investigation of petrophysical properties is far behind the capabilities of sophisticated modelling techniques applied in the past in the basin and for which these data serve as an input. Imbedded in a study on the heat-flow density in the basin, we investigated the thermal conductivity and radiogenic heat pro- duction of sedimentary and volcanic rocks through laboratory measurements. Here we report the results on thermal conductivity (TC) that was measured in 329 samples using an optical-scanning device. 196 samples are Rotliegend sedimentary rocks, 53 samples are Pre-Permian sedimentary rocks, and 80 samples are Permocarboniferous igneous rocks. Samples not measured under saturated conditions were corrected to saturated conditions using a porosity value and the geometric mean model. TC values were first derived for different lithotypes including different cementation. Approaches for the estimation of formation thermal conductivity from well logs were tested but did not prove successful for several reasons. This is mostly because of the large variability in lithology of the Rotliegend sediments reflecting different geological environments and thus impeding the derivation of a meaningful empirical equation based on porosity and sonic velocity. The measured TC varies considerably within lithotypes and in dependence on the sample orientation during measurement. In clastic rocks and in carbonates, mean TC measured perpendicular to bedding (λ⊥ ) is lowest in mudstone and siltstone ranging from 2.3 to 3.6 W/m/K. At the upper bound of this range of values is the TC of conglomerate (3.23.4 W/m/K). The largest variability of TC is observed in the sandstones (2.6-4.8 W/m/K), which also exhibit the highest values measured. The few carbonate samples investigated show an intermediate value of 2.5 W/m/K. Bohrlochgeophysik/Petrophysik In general, except for the carbonates, the TC of each lithotype varies largely depending on mineralogy (cementation) and porosity. The Permocarboniferous magmatic rocks investigated comprise granitoids and volcanic rocks (rhyolite, andesite, basalt, dolerite, dacite, and trachyte). The granitoids with a mean TC of 3.1 W/m/K show the highest values measured perpendicular to foliation followed by the rhyolites with a mean of 2.9 W/m/K. The lowest values are in basalt (2.2 W/m/K) and in dolerite (2.0 W/m/K). This decrease in TC may be related to a decrease in the SiO2 content: in rhyolite 72 wt.%, in trachyte and dacite about 65 wt.%, in andesite 55 wt.%, in basalt 47 wt.% and in dolerite 43 wt.%. TC measured parallel to bedding or foliation (λ ) clearly shows higher values for clastic rocks and carbonates. This result was expected and is in concordance with observations made on anisotropic rocks worldwide. However, the anisotropy of TC in our samples in general is small. Anisotropy is highest in mudstone and siltstone ranging from 1.08 to 1.27 (and 1.101.26, respectively), which can be attributed to the orientation of the phyllosilicates. Slightly less is the anisotropy of carbonates (1.051.13), sandstones (1.02-1.10), and conglomerates (1.03-1.08). The volcanic rocks and granitoids practically show no anisotropy (1.011.04 and 1.08) with one exception, the dacites (mean anisotropy of 1.27). Most sedimentary rock samples in this study are gathered from depths between 30004000 m. These rocks are consolidated so that expected changes in porosity due to burial depth should be small. Although a weak trend of porosity decrease with increasing depth may be deciphered for the Rotliegend sandstones and siltstones, there is no trend in TC versus depth Thus, most of the variability in TC can be attributed to changes in mineral 167 compositions (grains and cements). Formation thermal conductivity was determined by upscaling the TC derived for the different lithotypes. First, the percentage of rock type in the formations was determined using the rock descriptions from the litho-logs, the GR logs, and partially available additional well-logging data. The lithology then was subdivided into four main groups (lithotypes): sandstone, siltstone, mudstone, and halite. In a second approach, cementation and facies conditions were taken into account. Although the effects of cementation on TC are substantial for a particular rock type, the effect of considering or not considering it on the formation TC is small at each borehole location (±0.2 W/m/K in most cases) not exceeding 0.5 W/m/K. TC of the Elbe Subgroup ranges from 2.9 to 3.7 W/m/K. Boreholes located in the central part of the basin show a formation TC between 2.9 and 3.1 W/m/K. At the basin’s margin, the coarse-grained sediments (and in places a strong quartz cementation) yield higher formation TC. Similar effects can be reported for the Havel Subgroup (TC ranges from 3.2 to 4.3 W/m/K). The higher values compared to the Elbe Subgroup are a result of dominating coarse-grained rocks with quartz cementation. The formation TC determined for the two Rotliegend subgroups and the TC of the volcanic rocks is much higher then previous estimates used in regional basin models and would alter these substantially. The new data bring new aspects into the geothermal resource evaluation by pointing at a higher heat flow at the basis of the sedimentary fill than expected. 168 Abstracts BP03 – Fr.,12.3.,10:10-10:30 Uhr · H0112 Bhandari, R. P. (Montan University Leoben) Conventional Well Log Interpretation of Kathmandu Valley E-Mail: [email protected] The Kathmandu valley is an intermontane basin lies in a large syncline of Lesser Himalaya. This paper enhance the knowledge of interpreting well logs i.e. Gamma-ray log, Spontaneous Potential (SP) log and Resistivity log in a qualitative term; particularly from the wells in the northern part of the basin. The implications of these logs are basically in defining the depositional environment, hydrogeology and petrofacies differentiation. In so doing, attention has been focused on the manifestation of gamma ray response in natural Gamma-ray log, since this remains the momentous element through it’s bearing on the determination of Vshale, correlation and grain size distribution. Unlikely, the natural Gamma- ray logs has contentious to explain these issues due to it’s heterogeneously unrecognizable presence of K-feldspar and the other K- bearing minerals in the host formations. Despite the fact, the coherence use of the natural Gamma-ray logs from petrofacies standpoint, when the requirements of genesis of sediments, derived from different source rocks, which can be applied directly to the Petrofacies differentiation, has been qualitatively explained. Moreover, the SP log gave rise to a preliminary pictures of an ancient depositional environments by an easy visualization of vertical variation of grain size in a log profile. The shallowing of the lake showed clearly the coarsening upward (regressive sequence) of the grain size in SP and resistivity response. The finding of permeable horizon using Self Potential log for production hydrogeologist might plays a greater im- portance to the water well industry in a valley. The SP log is regarded as the first hand log for correlation. There are four different areas; has been distinctly recognized by SP and Resistivity log correlation namely as Manohara, Dhobikhola, Bansbari and the Kathmandu city. All of these areas are consists of varying numbers of log recognizable horizons influenced by different depositional environment. Web page: http://www.unileoben.ac.at Bohrlochgeophysik/Petrophysik 169 BP04 – Fr.,12.3.,10:30-10:50 Uhr · H0112 Reinicke, A., Zimmermann, G. (GFZ Potsdam), Burkhardt, H. (TU Berlin), Huenges, E. (GFZ Potsdam) Veränderung hydraulischer Eigenschaften nach Stimulationsexperimenten Rotliegend der Geothermie-Forschungsbohrung Groß Schönebeck E-Mail: [email protected] Bei der 50 km nordöstlich von Berlin gelegenen Bohrung Groß Schönebeck 3/90 handelt es sich um eine Gasexplorationsbohrung, die 2000 zur Nachnutzung wiederaufgewältigt wurde. Sie erreicht eine Teufe von 4309m mit einem Open-Hole-Bereich von 380m. Die Fluidtemperatur liegt bei 150°C. In diesen Tiefen weisen die Speichergesteine erfahrungsgemäß eine zu geringe Permeabilität auf, um eine wirtschaftliche Nutzung der Thermalwässer zu gewährleisten, so dass hydraulische Stimulationsmaßnahmen zur Permeabilitätssteigerung notwendig sind. In der Bohrung Groß Schönebeck 3/90 sind daher sowohl Stimulationsmaßnahmen als auch Fördertests zur Veränderung bzw. Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des Reservoirs durchgeführt worden. Die im Sommer 2002 durchgeführten moderatem Pumptests hatten eine möglichst zuverlässige Bestimmung der hydraulischen Parameter zum Ziel. Daher wurde über einen großen Zeitraum mit konstant geringer Förderrate eine große Menge Formationsfluid gefördert, so dass der Test den idealisierten Bedingungen nahe kommt und die Grundlage für eine optimale Auswertung geschaffen ist. Technische Probleme mit dem PumpEquipment führten während des ersten Tests (PT1) zu einem Wechsel aus Druckaufbauund Druckabbauphasen (s. PT1 in Abb.1a). Diese Probleme wurden im zweiten Test (s. PT2 in Abb.1a) behoben, so dass eine nahezu kontinuierliche Förderung möglich war. Nach im der Pumpphase ist zuerst ein Packer im Bohrloch gesetzt worden und der Druckwiederanstieg wurde unter Shut-In-Bedingungen beobachtet. Im Anschluss wurde der Druckaufbau durch eine Pegelmessung registriert. Für die Auswertung von Pumptests wird im Allgemeinen das Horner-Verfahren (Dake [1978]) verwendet. Das Horner-Verfahren abstrahiert das Reservoir als homogenen Porenfluidleiter mit laminarem Fließen und radialer Anströmung. Ferner setzt es eine kontinuierliche Fluidförderung, die insbesondere in PT1 nicht gewährleistet war, voraus. Aus diesem Grund wird zur Auswertung der Pumptestdaten eine verallgemeinerte Form des HornerVerfahrens herangezogen, das im Weiteren modifiziertes Horner-Verfahren genannt wird. Diese Methode ist bei Earlougher [1977] beschrieben. Earlougher berechnet die Druckantwort pw des Reservoirs durch Superposition der Lösungen der Einzelwirkungen qn zu den Zeiten tn . Diese Summe wird genutzt, um die Druckdaten in einem Superpositions-Plot darzustellen. Jeder Fließratenbereich stellt in diesem Plot eine Gerade dar, deren Steigung b und Achsenabschnitt a zur Berechnung der Reservoirparameter Transmissibilität T und Skin S verwendet werden. Ein weiterer Vorteil des modifizierten Horner-Verfahrens ist die Möglichkeit Pumptests mit variabler Fließrate bereits während der Förder- bzw. Injektionsphase auszuwerten, so dass einerseits nicht das Ende des Tests für Ergebnisse abgewartet werden muss. Anderer- 170 Abstracts Abbildung 1: Testverlauf und Auswertung der moderaten Pumptests PT1 und PT2 seits kann die Druckabhängigkeit der Permea- gute Anbindung des Reservoirs an die Bohbilität durch Auswertung von Stufentests ab- rung, hervorgerufen durch die Stimulationsgeschätzt werden. maßnahmen. Der Unterschied zwischen den beiden Auswertungen ist bedingt durch die Die Auswertung von Test PT1 und PT2 unterschiedliche Testdauer von PT1 und PT2. mit dem modifizierten Horner-Verfahren ist in Als Primärtest ist 2001 ein Stickstofflifttest Abb.1b gezeigt, wobei die Packer- und Lein Groß Schönebeck durchgeführt worden und velmessungen einzeln betrachtet worden sind. die Transmissibilität wurde mit 20mDm beDie für die Bestimmung von Transmissibilistimmt. Bedenkt man, dass aus solch einem tät und Skin notwendigen Größen µ, c, φ, rw Test aufgrund seiner kurzen Testdauer stets und h sind in Abb.1c angegeben. In Abb.1d zu große Transmissbilitäten bestimmt werden, sind die Ergebnisse der Testauswertungen aufso ist durch die Stimulationsmaßnahmen eigelistet. Die Transmissibilität, berechnet aus ne deutliche Erhöhung der Transmissibilität in den Packer-Daten, ist deutlich zu groß, da zu der Bohrung Groß Schönebeck 3/90 erreicht frühen Zeiten der Druckverlauf von Effekten worden. wie dem Borhlochspeicher und dem Skin dominiert wird. Hingegen kann die Transmissibilität von 33mDm, die aus den Pegelmessungen von PT2 bestimmt wurde, aufgrund der guten Testbedingungen und der verwendeten Auswertemethode als bisher beste Abschätzung der Transmissibilität fürdas Rotliegend in der Bohrung Groß Schönebeck 3/90 angesehen werden. Der Skin wird in allen Auswertungen mit ca. -6 bestimmt, dies spricht für die Bohrlochgeophysik/Petrophysik 171 BP05 – Fr.,12.3.,11:10-11:30 Uhr · H0112 Fabian, M. (Uni Bonn) Transient Pump Induced Tilt and Pore Pressure Changes with Applications to Surface Deformation Imaging above Reservoirs E-Mail: [email protected] Induced surface deformations are often detectable above pumped ground water reservoirs. A new, easy to use and cost effective method for deformation measurements is provided by the use of shallow tiltmeters in the surrounding area of production wells (with parallel recordings of the well head in nearby observation wells). Using a cluster of several tiltmeters the surface deformation field above a pumped reservoir can be imaged as a tilt field, Fig.1. Inspection of the time dependency of single pump induced tilt responses (and the well head response) at individual positions uncovered some unexpected transient signal types of non monotonous response to monotonous withdrawal. The tilt signals show in their amplitudes jumps and inversions. Pore pressure recordings report the Noordbergum effect. Figs.2,3 show examples of non monotonous signal response. Tilt hodographs show elliptic like patterns. These observations confirm the time dependency of amplitudes and shape of the surface deformation field. The transient signals bear useful information about subsoil response to pumping already after a short time of withdrawal. This will allow experiments with a short duration. The shape of the induced deformation field can be strongly influenced by buried inhomogeneities, i. e. structures in the subsoil become identifiable. Modelling the transient signals on the basis of poroelasticity turned out that comparatively small variations of the poroelastic parame- ters in deeper layers correspond to measurable changes in the response signals of shallow tilt and pore pressure. This sensitivity of the observations to parameter changes in the subsoil may allow a monitoring of the subsoilquality of fluid reservoirs during ongoing pump activity. The new method of surface deformation imaging seems useful to e. g. prevent reservoirs from overexploitation and to optimize Figure 1: Example of a surface deformation image drawn from shallow tilt measurements at the site Oberelvenich in the Lower Rhine Embayment, Germany. Tiltmeters were at positions Tn, production wells at Bn and observation wells at Pn, where n holds for the position number. Contour lines show the tilt amplitudes in µrad, the arrows direction of strike. Ground water production is through well B1. The inset shows the surrounding area. 172 Abstracts Figure 2: Initial response of near surface tilt at two shallow places T1 and T2, and of the well head from the shallow ground water, GW1, to pumping from a deeper aquifer, GW2. Tilt is depicted for two perpendicular directions. T1R and T2R point radial towards the active well tapping GW2. T1T and T2T are the perpendicular components to the latter both. In a homogeneous subsoil pump induced tilt in T1T and T2T would vanish. T2R shows a jump and an inversion of the signal course. A faint rise in well head, GW1, around 12:00 indicates the Noordbergum effect. withdrawal. Figure 3: Another type of non monotonous induced tilt response in the radial components of two tiltmeters T8R, T9R pointing to an activ well tapping GW2. This signal type was previously predicted by Wang & Kümpel (2003). References: M. Fabian (2004). Near surface tilt and pore pressure changes induced by pumping in multi-layered poroelastic half-spaces. Diss. thesis (in progress), Math.-Nat. Fak., Univ. Bonn, download: http://www.shakeronline.com/, Shaker Verlag, Aachen. M. Fabian & H.-J. Kümpel (2003). Poroelasticity: observations of anomalous near surface tilt induced by ground water pumping. Journal of Hydrology, 281(3), 191–209. R. Wang & H.-J. Kümpel (2003). Poroelasticity: Efficient modelling of strongly coupled slow deformation processes in multi-layered half-space. Geophysics, 68(2), 705–717. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 173 BP06 – Fr.,12.3.,11:30-11:50 Uhr · H0112 Jahr, T., Letz, H., Jentzsch, G. (Jena) Das Neigungsmesser-Array an der KTB: Sind Fluid-induzierte Deformationen messbar? E-Mail: [email protected] Schon seit den 70er Jahren ist bekannt, dass ASKANIA Bohrlochneigungsmesser (ABNM) äußerst empfindlich auf PorendruckVariationen und damit auf die umgebende Fluid-Situation reagieren. Die Neigungsmesser können 0.2 msec (ca. 1 nrad) auflösen und zählen somit zu den sensibelsten Neigungsmessern weltweit. Der Nachweis von Grundwasser-Effekten in den Neigungssignalen konnte sowohl für Installationen im Sediment (Kümpel, 1989) als auch im Kristallin (Weise, 1992) erbracht werden. Allerdings waren die damaligen Untersuchungen auf lokale Effekte (10er Meter Skala) beschränkt. Im Rahmen der für 2004 geplanten Injektionstests in der KTB-Vorbohrung soll jetzt erstmalig versucht werden, das Fluid-induzierte Deformationsfeld im Kilometer-Maßstab mittels eines ABNM-Arrays zu beobachten. Zu diesem Zweck wurden im Jahr 2003 an fünf Abbildung 2: Geophon-Anordnung, die in Kooperation mit dem GFZ realisiert wurde, auf dem Kopf eines Neigungsmessers. Lokalitäten Bohrungen in der Umgebung der KTB, die Teufen von 30 m bis 46 m erreichten, niedergebracht (Abb. 1). In die stahlverrohrten Bohrungen wurden von Juli bis Oktober 2003 die ABNM installiert und ihre Orientierung gegen Nord eingemessen. In unmittelbarer Nachbarschaft zur Instrumentenbohrung ist jeweils eine Grundwasser-Messstelle angelegt, um die lokale Grundwasser-Situation kontrollieren zu können. In enger Kooperation mit dem gleichzeitig laufenden Seismologie-Projekt (Asch et al., 2003) wurden die Köpfe der ABNM mit Geophonen ausgestattet (Abb. 2). Auf diese Weise Abbildung 1: Neigungsmesser-Stationen in ist es einerseits möglich, die sehr rauscharme der Umgebung der KTB; die Entfernung Ei- Bohrloch-Situation auch für die seismologiglasdorf - KTB beträgt 2.4 km. schen Beobachtungen zu nutzen. Andererseits 174 Abstracts Abbildung 3: Erwarteter radialer Neigungseffekt für eine vierwöchige Injektion (POEL2 von Wang, pers. Mitt.); die Entfernungen der Stationen vom Injektionspunkt sind durch weiße Linien markiert. können die Daten der ABNM über das „wireless LAN“der Seismologie elegant zur KTB und dann nach Jena weitergeleitet werden. Parallel zu den umfangreichen Geländearbeiten wurden numerische Modellierungen mittels der Finite-Elemente-Methode (ABAQUS, Hibbitt et al., 1997) und einem poroelastischen Algorithmus von Wang and Kümpel (2003) vorgenommen. Abb. 3 zeigt den radialen Neigungseffekt für eine 4 wöchige Injektion mit 180 Liter pro Minute. Es ist der zeitliche Verlauf über der Entfernung zum Injektionspunkt aufgetragen. Für den 4-Schicht-Untergrund wurden „KTBtypische“Parameter von Schulze (2002) und Endom und Kümpel (1994) verwendet. Das Ergebnis zeigt, dass die maximal auftretende Neigung von ca. 10 nrad nach etwa 800 Stunden für eine Entfernung von ca. 2 km berechnet wird. Diese, sowie auch die FE-Modellierungen zeigen, dass die erwarteten, Fluid-induzierten Neigungen mit dem ABNM-Array nachweisbar sein müssten. Literatur Asch, G., Kind, R., Rabbel, W., Shapiro, S. A., 2003: Seismological Monitoring of the KTB Pumping/Injection Project. Bericht, Antrag, ICDP (unveröff.) Endom, J. and Kümpel, H.-J., 1994: Analysis of natural well level fluctuations in the KTB-Vorbohrung: parameters from poroelastic aquifer and single fracture models. Sientific Drilling, 4, 147-162. Hibbitt, Karlsson and Sorensen, 1997: ABAQUS, Inc., Pawtucket, RI, USA, Version 5.7. Kümpel, H.-J., 1989: Verformung in der Umgebung von Brunnen, Habil.-Schrift, Univ. Kiel, 198 S. Schulze, K. C., 2002: Charakter von Fluidpegel- und Porendruckschwankungen in Tiefbohrungen, Diss., Univ. Bonn. Wang, R. and Kümpel, H.-J., 2003 : Poroelasticity: Efficient modeling of strongly coupled, slow deformation processes in a multilayered halfspace. Geophysics, Vol. 68, No. 2. Weise, A., 1992: Neigungsmessungen in der Geophysik - Ergebnisse von der 3Komponenten-Station Metsähovi, Diss., TU Clausthal. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 175 BP07 – Fr.,12.3.,11:50-12:10 Uhr · H0112 Buckup, P., Buckup, K., Buckup, M. (Magdeburg) Möglichkeiten eines kontinuierlichen Monitorings mit bohrlochgeophysikalischen Methoden E-Mail: [email protected] Obwohl es technologisch aus verschiedenen Gründen nicht möglich ist, mit geophysikalischen Verfahren Genauigkeiten chemischer Analysen zu erreichen, besteht doch der Bedarf für ein kontinuierliches Monitoringverfahren, das in-situ eingesetzt werden kann und eine weite Palette an nachweisbaren Elementen und Stoffen sowohl für Boden und Fluid e abdeckt. Mit einer modifizierten ImpulsNeutron-Neutron-Technik steht nunmehr eine derartige Möglichkeit zur Verfügung. Die Testphase ist abgeschlossen und bei verschiedenen Einsätzen konnten die Möglichkeiten des Verfahrens aufgezeigt und Erfahrungen für eine Nutzung gesammelt werden: 1. Ein kontinuierliches INN-Monitoring kann unter verschiedenen Bedingungen faktisch unbegrenzt eingesetzt werden, 2. Das Verfahren ist besonders zum Erkennen jeglicher Art von Änderungen geeignet, 3. Neben Schwermetallen sind organische Materialien gleichzeitig detektierbar, 4. Eine Datenübertragung über ein GSM-Terminal ist gewährleistet, 5. Die Messdaten stehen als EXCELTabelle zur Verfügung, eine spezielle Software mit Datenfilterung erlaubt die Nutzung der Standardmathematik und eine Einzelwertbearbeitung Bisher ermittelte Ansprechschwellen für einzelne Komponenten machen einen Einsatz auch für Trinkwasserüberwachungen möglich, weitere Einsatzgebiete könnten u.a. sein: Sprengstoffdetektierung, - Gepäckkontrollen auf Flugplätzen, - Zementdickenbestimmun- gen. Modellarbeiten und Korrelationen mit Probeanalysen haben erbracht, dass sowohl abgeleitet Parameter wie TAU oder SIGMA in ihrer zeitlichen Änderung verfolgt werden können, wie auch die Änderungen der Zählraten. Die Zählraten in den einzelnen ansprechbaren Regstrierfenstern reagieren hochempfindlich auf Vorkommnisse im Bereich der Eindringtiefe des Verfahrens. Monitoringinstallation auf einem Ponton im Rhein bei Koblenz Aus den bisherigen Erfahrungen heraus wird das INN-Monitoring zur weiteren Anwendung empfohlen. Fortführende Arbeiten laufen gegenwärtig in einem EU-Projekt. 176 Abstracts Abbildung 1: Entwicklungsarbeiten am Übertageteil der Monitoringeinheit Abbildung 2: Monitoringinstallation auf einem Ponton im Rhein bei Koblenz Bohrlochgeophysik/Petrophysik 177 BP08 – Fr.,12.3.,12:10-12:30 Uhr · H0112 Stoll, J.B. (ANTARES Datensysteme GmbH, Stuhr) Transformation von Drehraten in Raumrichtungen mithilfe von Quaternionen E-Mail: [email protected] Bohrlochmessungen dienen dazu physikalische Größen einer Gesteinsformation wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit, die Magnetisierung, die seismische Geschwindigkeit u.a. als Funktion der Tiefe zu bestimmen. Bei Anwendung der Wireline Messtechnik führt die Messsonde jedoch Rotationen um ihre Längsachse aus. Bohrlochneigungen erzeugen zusätzliche Abweichungen von der Lotrichtung. Durch diese Einflüsse ist die Raumlage der Bohrlochsonde während der gesamten Messung unbekannt. Um die Drehrate des im Raum rotierenden Messsystems zu erfassen, werden mechanische Kreisel und seit einigen Jahren auch optische Kreisel eingesetzt. Durch geeignete Transformation kann aus der Kenntnis der Drehraten die Raumlage eines Messsystems gegenüber einem Inertialsystem abgeleitet werden. Zur Darstellung der durch die Rotationen im Raum auftretenden drei Freiheitsgrade werden genau drei Winkel benötigt. Die Parametrisierung mit Hilfe von Eulerwinkeln besitzt jedoch den Nachteil von Singularitäten. Hier ist es besser, die Drehungen mit Hilfe von Quaternionen-Elementen zu beschreiben, wobei 4 Parameter vewendet werden. Ein Quaternion besteht aus einem Skalar (hier: Drehwinkel im Raum) und einem Vektor (hier: 3 Komponenten des Drehratenvektors). Diese Vorgehensweise ist zwar weniger anschaulich, weist aber nicht die Nachteile von Singularitäten auf und hat sich deswegen auch weitgehend durchgesetzt. Getestet wurde diese Methode der Raumlagenbestimmung mit dem Göttinger Bohrlochmagnetometer, das neben einem Fluxgate Sensor- tripel ein faseroptisches Kreiseltripel zur Bestimmung der Drehraten vewendet. Mithilfe dieser Kreisel wurden die Drehungen um jede Raumachse als Funktion der Zeit bzw. Teufe erfasst und durch die Transformation die Raumrichtungen der Magnetfeldkomponenten abgeleitet. Es zeigt sich, dass dieses System sehr sensitiv von der Sensordrift abhängt. Webseite: http://www.antares-geo.de 178 Abstracts BP09 – Fr.,12.3.,12:30-12:50 Uhr · H0112 Hanstein, T. (Köln), Strack, K. M. (Houston) Elektromagnetische Induktion mit einer toroidalen magnetischen Antenne E-Mail: [email protected] Eine toroidale magnetische Antenne besteht aus einem Torus, um den ein Stromkabel gewickelt ist. Der Strom wird zeitlich variiert und erzeugt ein Magnetfeld. In der Bohrlochgeophysik wurde dieser Antennentyp bereits vor einigen Jahren vorgestellt. Eine spezielle Anwendung findet sich ist beim LoggingWhile-Drilling, wobei die Antenne um das Bohrlochgestänge gewickelt wird. Dieses Log wird als Widerstandsmessgerät geführt. Die toroidale magnetische Antenne kann als Sender oder als Empfänger verwendet werden. In dieser Untersuchung wird das physikalische Prinzip der Antenne gedeutet, welches auf den ersten Blick nicht so eindeutig ist. Die toroidale magnetische Antenne wird in physikalischen Lehrbüchern gerne verwendet, um mit dem Amperschen Gesetz zu demonstrieren, daß hier nur ein Magnetfeld innerhalb des Torus existiert, und ausserhalb das Magnetfeld verschwindet. Wendet man nun die zweite Maxwell Gleichung an, entsteht leicht der voreilige Schluß, daß eine Induktion nicht stattfindet, da kein Magnetfeld im Aussenraum vorhanden ist. Wendet man aber das Faradaysche Induktionsgestez in Integralform an, so stellt man fest, daß aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses ausserhalb des Torus ein elektrisches Feld existiert. In einem leitfähigen Medium erzeugt dieses induzierte elektrische Feld einen Strom mit einem dazugehörigen Magnetfeld. Das unendlich lange Solenoid zeigt dieselben Eigenheiten wie die toroidale magnetische Antenne, d.h. in einem Nichtleiter wie Luft existiert ausserhalb der Wicklung kein Magnetfeld. Erst wenn das Solenoid in einem leitfähigen Medium eingebettet ist, fließt aufgrund des induzierten elektrischen Feldes ein Strom. Aufgrund der einfachen Symmetrie, eignet sich diese Antenne zur Erklärung des elektromagnetischen Induktioneffekts. Es zeigt sich, daß bei einem horizontalen Solenoid oberhalb eines leitfähigen Halbraums die elektromagnetischen Felder nicht an den leitenden Untergrund ankoppeln. Wird dieses Solenoid allerdings in einem trockenem Bohrloch versenkt, koppeln die Felder an das Medium an, und es existiert wieder ein Magnetfeld im Aussenraum. Die toroidale magnetische Antenne eignet sich nicht für Oberflächenmessungen, da die elektromagnetischen Felder nicht an den Untergrund ankoppeln. Befindet sich diese Antenne dagegen in einem leitfähigen Bohrloch, so eignet sich diese Antenne zur elektromagnetischen Sondierung der Umgebung. Die toroidale magnetische Antenne kann als ein vertikaler elektrischer Dipol gedeutet werden, der induktiv an das Medium angekoppelt ist. Es wird untersucht, welche Vorteile dieser Antennentyp gegenüber Antennen hat, die den Strom galvanisch in den Untergrund einspeisen. Einer Frage wird nachgegangen, ob diese Antenne noch funktionstüchtig ist bei einer schlechtleitenden Bohrflüssigkeit. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 179 BPP01 Schleifer, N., Jäger, A. (Montanuniversität Leoben), Nordsiek, S., Weller, A. (TU Clausthal), Fritz, I. (Geologisch-Mineralogischer Landesdienst, Graz) Petrophysikalische Untersuchung der Vulkanite der Steiermark (Österreich) E-Mail: [email protected] Die Lithothek der TU Graz ist eine umfangreiche Datenbank mit einer detaillierten petrographischen Beschreibung der in Österreich vorkommenden Gesteine. Das Ziel des zur Zeit laufenden Projektes „Lithothek“, das vom Verein für Angewandte Lagerstättenforschung Leoben (VALL) gefördert wird, ist die Aufnahme von petrophysikalischen Parametern in diese Datenbank. Im Hinblick auf die Durchführung geophysikalischer Messungen und deren Interpretation ist die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Zur Zeit konzentrieren sich die Untersuchungen auf die vulkanischen Gesteine der Südoststeiermark, welche zwei Epochen zugeordnet werden. Die erste Vulkanphase vor ca. 16 Mio. Jahren war an in Nord-Süd-Richtung verlaufende Störungssysteme gebunden und baute bis zu 1200 m hohe, heute aber größtenteils von Sedimenten begrabene Schildvulkane auf. In einem erdgeschichtlich jungen Zeitabschnitt von vor 1.7 bis 3.8 Mio. Jahren fällt die zweite Vulkanphase im Oststeierischen Raum. Dieser silikatarme Vulkanismus dokumentiert sich durch drei große Lavaausflüsse und ca. 30 bis 40 Tuffschlote. Die Folge ist eine große Variation an Basalten und Pyroklastika. Aus sieben Aufschlüssen wurden 15 Varietäten entnommen und an den Instituten für Geophysik der Montanuniversität Leoben und der TU Clausthal petrophysikalisch untersucht. Die Messungen umfassen die Bestimmung der Porosität, der seismischen Geschwindig- keiten, der spektralen induzierten Polarisation (SIP), der thermischen Wärmeleitfähigkeit und der magnetischen Eigenschaften. Parallel zu den petrophysikalischen Untersuchungen wurde die mineralogische Zusammensetzung der Proben ermittelt. Erste Resultate zeigen, dass die Porositäten der Gesteinsproben zwischen 4 und 63 % liegen. Als Folge variieren die spezifischen Widerstände der wassergesättigten Proben erheblich und reichen von 70 bis 3300 Ohm-m, wobei die Basalte Werte über 600 Ohm-m und die Asche-Lapilli-Tuffe im Allgemeinen Widerstände um 100 Ohm-m besitzen. Die mit der SIP ermittelten Phasenspektren erlauben eine klare Trennung zwischen den Lithotypen. Einzelne Asche-Lapilli-Tuffe zeigen nahezu ein Cole-Cole-Verhalten mit einem ausgeprägten Phasenmaximum. Aus den ersten Ergebnissen lässt sich ableiten, dass sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften für eine Unterscheidung der Lithotypen eignen. Neben der Bedeutung für die geophysikalische Erschließung der wirtschaftlich genutzten Vulkanite der Steiermark, soll der umfangreiche petrophysikalische Datensatz und die begleitenden mineralogischen Untersuchungen zu einem besseren Verständnis des Einflusses von Porenraum, Textur und Mineralbestand auf die physikalischen Gesteinseigenschaften beitragen. Webseite: http://www.unileoben.ac.at 180 Abstracts BPP02 Wirth, H. (BGR, DB Berlin), Olea, R. (Lawrence, Kansas, USA), Hoth, P., Krull, P. (BGR, DB Berlin) Lithologische und petrophysikalische Charakterisierung von Tonstein-Formationen Eine Methodik zur Beurteilung von Barriere- und Wirtsgesteinseignung E-Mail: [email protected] Tonsteine und Tonstein-Formationen fanden in der Vergangenheit zumeist nur als Muttergesteine für Kohlenwasserstoffe direktes ökonomisches Interesse. Vor allem aufgrund ihrer Barriereeigenschaften bei den verschiedenen möglichen Nutzungen des Untergrundes, wie z.B. der Untergrundspeicherung von Erdgas, einer möglichen CO2 -Speicherung, der Trinkwassergewinnung sowie der Verbringung und Endlagerung von Abfällen, gewinnen sie immer mehr an ökonomischer Bedeutung. Alternativen zu Gorleben weitere Standorte in unterschiedlichen Gesteinsformationen auf ihre Eignung überprüfen. In diesem Rahmen ist eine Evaluierung der Tonstein-Formationen in Deutschland notwendig. Da bei der Endlagerung radioaktiver Abfälle in Deutschland das Konzept der Endlagerung in tiefen geologischen Formationen verfolgt und das Endlager als Bergwerk errichtet werden soll (siehe AkEnd - Arbeitskreis Auswahlverfahren Endlagerstandorte 2000), müssen die entsprechenWeltweit werden sehr unterschiedliche Ge- den Ton/Tonsteinformationen generell folgensteinsformationen auf ihre Eignung für die de Grundanforderungen erfüllen: Endlagerung radioaktiver und insbesondere • eine Mindestmächtigkeit der Formation hochradioaktiver Abfälle untersucht. Trotz der von 100 m bei gleichzeitiger großflächilangjährigen intensiven Forschung und des ger Verbreitung, großen Finanzeinsatzes gibt es derzeit weltweit noch kein Endlager für abgebrannte • eine Tiefenlage des Endlagerniveaus von Brennelemente aus Kernkraftwerken und den mehr als 300m (Sicherheitsabstand zu bei der Wiederaufbereitung anfallenden hochSchutzgütern), radioaktiven Abfällen. In Abhängigkeit von dem natürlichen geologischen Angebot an po• eine Tiefenlage der Formation bis zu matentiellen Wirtsgesteinen werden in mehreximal 1500 m (wirtschaftliche und georen Ländern (z.B. Belgien, Schweiz, Franktechnologische Tiefenbegrenzung). reich) derzeit tonige Gesteinsformationen untersucht und favorisiert. Deutschland verfügt Die Beurteilung der Eignung toniger über zahlreiche Erfahrungen mit der Endla- Gesteinsformationen als Barriere- und/oder gerung von schwach radioaktiven Abfällen in Wirtsgesteine für die Endlagerung radioSalzgesteinen sowie über generelle Untersu- aktiver Abfälle in Deutschland folgt einem chungen der Möglichkeiten zur Endlagerung Auswahlprozess. In einem ersten Stadium im Kristallin. Basierend auf der Vereinbarung sind die Gebiete ausgehalten worden, in mit den Energieversorgungsunternehmen aus denen Tonsteine die entsprechenden Mindem Jahre 2000 will die Bundesregierung als destanforderungen erfüllen. Die weiteren Bohrlochgeophysik/Petrophysik Stadien erfordern eine komplexe lithologische, petrophysikalische und darüber hinaus auch geochemische Analyse dieser Gesteinsformationen und die Ableitung von Eignungskriterien. Anhand von Bohrungs-, Bohrlochmessungs- und seismischen Daten verschiedener Untersuchungsregionen ist eine Methodik zur lithologischen und petrophysikalischen Charakterisierung von Tonstein-Formationen abgeleitet worden. Für die Beurteilung der Homogenität der Tonsteinfolgen wurde dabei zusätzlich ein Expertensystem zur Korrelation und Interpretation von Bohrlochmessungen verwendet, welches bisher insbesondere bei Fragen zur Korrelation von Speicherhorizonten im Rahmen der Kohlenwasserstofferkundung und der Kohlenwasserstoffproduktion sowie bei speziellen lithostratigrafischen Korrelationen von Sedimenten und Sedimentgesteinen seine Anwendung fand. (Doveton 1994, Olea 2002). Dabei erfolgt die Bestimmung von Korrelationen zwischen Bohrlochmessungen verschiedener Bohrungen nach dem Prinzip der Maximierung von gewichteten Korrelationskoeffizienten, wobei 2 Logtypen pro Bohrung genutzt werden. Ein Correlation Log (meist Widerstandslog oder Akustiklog) dient der Korrelation der Bohrungen untereinander und das Shale Log (meist Gamma-Log) wird zur Charakterisierung der Lithologie verwendet. Das zur Auswertung bestimmte Expertensystem besteht aus den vier folgenden Hauptbausteinen: Datenbasis mit allen verfügbaren Korrelationen, Abfragealgorithmen zur Analyse und Prüfung der Datenbasis, einer Verknüpfung zu geologischen Basisdaten sowie einem interaktivem Kommunikationsmodul. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass sowohl regional als auch stratigrafisch große 181 Unterschiede in der Homogenität und den petrophysikalischen Eigenschaften der Tonsteine auftreten. Aus Kombinationen von spektralen Gamma-Messungen, Dichtelogs und Neutron-Neutron-Logs lassen sich zusätzlich gute Aussagen zur stofflichen Zusammensetzung von Tonsteinen treffen. Entsprechende komplexe Messungen stehen aber meist nur für die Zielhorizonte der Tiefbohrungen (Kohlenwasserstoffspeicher, Geothermiespeicher, Salz- und Erzhorizonte) und somit zumeist kaum für die Tonsteine zur Verfügung. Schlussfolgerungen hinsichtlich der weiteren Evaluierung von Tonformationen in Hinblick auf ihre Eignung zur Endlagerung radioaktiver Abfälle werden diskutiert. 182 Abstracts BPP03 Debschütz, W.G. (TU Clausthal) Untersuchungen zur Abhängigkeit des NMR-Relaxationszeitverhältnis T1 /T2 von anderen petrophysikalischen Eigenschaften E-Mail: [email protected] Eine gebräuchliche Methode zur Abschätzung der Permeabilität aus Bohrlochmessungen ist die Messung der NMR-Relaxationzeit. Man unterscheidet zwischen der longitudinalen und transversalen Relaxationszeit, die beide wesentlich vom Porendurchmesser des Gesteins bestimmt werden. Während die longitudinale Relaxation nur von den Relaxationseigenschaften des Porenfluids und der Porenweite bestimmt ist, wird die transversale Relaxation gegenüber der longitudinalen Relaxation durch Diffusionsprozesse im Porenraum und dort vorhandene lokale Magnetfeldgradienten weiter verkürzt. Eine Permeabilitätsabschätzung sollte demnach ausschließlich aus der longitudinalen Relaxationszeit erfolgen. Da diese jedoch messtechnisch durch Bohrlochmessungen nicht erfasst wird, verwendet man die transversale Relaxationszeiten unter der Annahme, dass diese um einen konstanten Faktor (ca. 1/1.5...1/2) gegenüber der longitudinalen Relaxationszeit verkürzt ist. Labormessungen haben gezeigt, dass diese Annahme nicht generell gültig ist, sondern dass deutlich stärkere Unterschiede (bis < 1/10) auftreten. Diese Beobachtung hat uns veranlasst, die Einflüsse auf das T1 /T2 Verhältnis systematisch zu untersuchen. Neben den für die Relaxationszeit relevanten petrophysikalischen Standardparametern innere Oberfläche und Permeabilität wurden auch die Konstriktivität aus hydraulischen Untersuchungen und die magnetische Suszeptibilität bestimmt. Zusätzlich wurde der Einfluss des Echoabstands der Puls-Echo-Messung auf die Bestimmung der transversalen Relaxationszeit mit betrachtet. Die Relaxationszeiten wurden als gewichtetes logarithmisches Mittel aus einer Exponentialverteilung mit 128 fest vorgegebenen Relaxationszeiten oder einer freien Anpassung mit maximal 5 Relaxationszeiten berechnet. Die Mittelung erfolgt einerseits über das gesamte Verteilungsspektrum und andererseits nur über Relaxationszeiten >33ms, also den Relaxationszeitbereich, der für Sandsteine empirisch dem freien Porenvolumen zugeordnet wird. Da das T1 /T2 -Verhältnis als unbekannt angenommen wird, erfolgt keine Unterscheidung dieser zeitlichen Untergrenze für T1 bzw. T2 . Als Kontrolle für die Vergleichbarkeit der Porenanteile der freien Flüssigkeit wurden die anteiligen Amplituden für diesen Zeitbereich in die Betrachtungen mit einbezogen. Durch die Komplexität der inneren Struktur eines Gesteins und der Schwierigkeit, Gesteine mit gezielter Variation nur eines Einflussparameters zu selektieren, können die Ergebnisse bisher nur als erster Anhaltspunkt für die innere Zusammenhänge betrachtet werden. Insgesamt wurde für ca. 120 Sandsteinproben das T1 /T2 -Verhältnis bestimmt, für 30 Proben konnte die Konstriktivität und Suszeptibilität bestimmt werden. Die Untersuchungen zum Einfluss des Echoabstands wurden bisher an 15 Sandsteinproben mit Echoabständen zwischen 100 .... 4000 µs durchgeführt. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 183 BPP04 Ter Heege, J.H. (Ruhr-Universität Bochum) The Role of Water in Ductile Deformation of Polycrystalline Halite E-Mail: [email protected] Although it has been long recognised that water plays a key role in the deformation of halite, quantification of the effect of water on the rheology of halite is difficult to assess. At least part of the problem comes from difficulties in isolating the effect of water from that of other rock properties that may influence deformation. In this study, we investigated the mechanical behaviour and microstructural evolution of synthetic polycrystalline halite samples that are similar except for differences in water content (determined using FTIR analysis). The samples were deformed to natural strains of 0.07-0.46 at 50 MPa confining pressure, strain rates of 5 · 10−7 -1 ·10−4 s−1 and temperatures of 75-240°C, resulting in flow stresses of 7-22 MPa. Samples with a water content below 5 ppm (´dry´) showed continuous work hardening and development of a clear subgrain structure. Samples with a water content of 946 ppm (´wet´) showed oscillating flow stress accompanied by progressive subgrain rotation and massive grain boundary migration. Flow stresses of wet halite were much lower than those of the dry material at all strains investigated. The flow stresses of the dry and wet material were evaluated against results from quantitative analysis of the microstructure, including measurement of the full grain size distributions. This analysis revealed that before the onset of grain boundary migration the difference in flow stress between dry and wet halite can be explained by differences in active deformation mechanisms, i.e. only dislocation creep in the dry material and combined dislocation and solution-precipitation creep in the wet material. At higher strains, water influenced the strength by facilitating grain boundary migration, which lowers the flow stress due to continuous removal of strain hardening substructure. Under the investigated condi- Figure 1: Estimate of flow stresses and deformation rates of halite rock in nature using the piezometric relation and flow law calibrated for wet polycrystalline halite. Piezometric relations from previous studies are included for comparison. 184 Abstracts tions, grain boundary migration was absent in the dry material. A flow law, calibrated for wet polycrystalline halite, yields deformation rates that are much faster (approximately one order of magnitude for T=125°C) than predicted by flow laws calibrated in previous studies on polycrystalline halite. This difference is probably due to variations in water content and strain achieved in samples for which the flow laws have been calibrated. It demonstrates the importance of considering water content and strain when applying flow laws to constrain deformation of polycrystalline halite in nature. Analysis of the full recrystallized grain size distributions of wet polycrystalline halite was performed, yielding a piezometric relation that can constrain stresses associated with deformation of halite rock in nature. By combining the flow law and piezometric relation, deformation of wet polycrystalline halite in nature can be fully described using the grain size distribution of the natural halite rock and an independent estimate of temperature (see Figure). Bohrlochgeophysik/Petrophysik 185 BPP05 Spangenberg, E., Kulenkampff, J. (GFZ Potsdam) Der Einfluss des Gashydratgehalts von Sedimenten auf ihre seismischen Eigenschaften E-Mail: [email protected] Für die Erkundung von Gashydratakkumulationen spielen die seismischen und elektrischen Verfahren der Geophysik wohl die bedeutendste Rolle, da die seismischen und elektrischen Sedimenteigenschaften stärker durch die Gegenwart von Gashydraten beeinflusst werden als andere. Aus diesem Grunde wurden in verschiedenen Forschungsbohrungen im Rahmen von ODP und der Mallik - Projekte versucht, den Gashydratgehalt aus elektrischen und akustischen Bohrlochmessungen abzuleiten. Die Interpretationsansätze wurden dabei aus der Erdöl- und Erdgasexploration übernommen und basieren auf der Zeitmittelgleichung für die seismischen und der Archie-Gleichung für die elektrischen Messungen. Beides sind semiempirische Ansätze, die die gemessenen Größen wie Laufzeit und Widerstand in volumetrische Eigenschaften des Sediments wie Porosität und Wassersättigung transformieren. Inwieweit die Anwendung dieser Interpretationsmodelle auf Sedimente mit Gashydratführung gerechtfertigt ist, konnte in Ermanglung experimenteller Daten bislang nicht geprüft werden. Der Mangel an experimentellen Daten entspringt dem einfachen Umstand, dass bei der Entnahme von Bohrkernen aus Hydratformationen die Probe in der Regel aus ihrem Stabilitätsfeld herausgebracht wird und das Hydrat in Methan und Wasser zerfällt. Für die Gewinnung, den Transport, die Lagerung und die Untersuchung von natürlichen Gesteinsproben mit Gashydratführung müssen spezielle Methoden und Instrumentarien entwickelt werden, die die Probe ständig in ihrem Stabilitätsfeld hal- ten. Auch die Herstellung künstlicher Hydratproben gestaltet sich schwierig. Es gibt Versuche künstlich Hydratprobekörper aus Mischungen von Sand, Eis- und Hydratpulver zu pressen, bei denen es jedoch fraglich ist, ob die so erzeugten Gefüge mit denen der natürlichen Proben vergleichbar sind. Im Rahmen der durch das Geotechnologien Programm des BMBF und der DFG geförderten Gashydratprojekte wurden Voraussetzungen geschaffen, physikalische Eigenschaften an Bohrkernen aus Hydratformationen unter simulierten in situ Bedingungen zu messen, beziehungsweise im Porenraum künstlicher Sedimentproben Hydrat gezielt aus der mit Methan gesättigten Wasserphase abzuscheiden und die damit verbundene Veränderung der Eigenschaften zu erfassen. Das Problem dieses experimentellen Vorgehens ergibt sich aus der sehr geringen Löslichkeit von Methan in Wasser, was zu einer sehr geringen Bildungsgeschwindigkeit von Porenraumhydrat und damit zu einer sehr langen Versuchsdauer führt. Der Ansatz, Hydrat in einer Sedimentprobe aus der Wasserphase abzuscheiden, kommt der natürlichen Bildung von Vorkommen mit Porenraumhydrat sehr viel näher als die Methode der Mischung der Einzelkomponenten. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Mikrostruktur der künstlich erzeugten Probe und von natürlichen Hydratproben, die während des Mallik Projektes gewonnen wurden, zeigen die gleichen spezifischen Merkmale. Die gute Übereinstimmung bezüglich der mikrostrukturellen Besonderheiten stimmt uns optimistisch, was die Übertragbarkeit der 186 Abstracts im Labor gewonnenen Daten auf die natürlichen Vorkommen angeht. Die Ergebnisse von Labormessungen an natürlichen gashydrathaltigen Sedimenten aus der Mallik-Bohrung zeigen eine sehr geringe Variabilität des Kornmaterials und der Hydratsättigung. Sie eignen sich deshalb nicht für Aussagen über die Sättigungsabhängigkeit der Meßparameter. Außerdem sind die Proben durch Gashydratzersetzung während des Kerngewinns verändert, so dass erst mit Hilfe künstlich nachgezüchteter Gashydrate auf die wahren in situ Bedingungen geschlossen werden kann. Akustische Bohrlochmessungen und auch eine seismische cross-hole Tomografie während des Mallik Projekts zeigen ein eigentümliches Verhalten der Sedimentformationen mit Hydratgehalt. Diese Besonderheit besteht darin, dass sich diese Formationen gegenüber vergleichbaren ohne Hydratgehalt durch erhöhte Geschwindigkeiten und gleichzeitig deutlich erhöhte Dämpfung auszeichnen. Diese Beobachtung im seismischen bzw. akustischen Frequenzbereich wurde durch Untersuchungen an Kernmaterial im Ultraschallfrequenzbereich bestätigt. Die systematische Untersuchung der Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit vom Hydratgehalt während der Abscheidung von Methanhydrat in einem Glaskugelsediment ergab ebenfalls, dass mit Zunahme des Hydratgehalts die Geschwindigkeit und anfänglich auch die Dämpfung anwachsen. Für hohe Hydratgehalte beginnt dann jedoch die Dämpfung wieder abzunehmen. Ein weiteres Ergebnis der Laboruntersuchungen besteht darin, dass sich die im Experiment beobachtete Abhängigkeit der Geschwindigkeit vom Hydratgehalt nicht durch die Zeitmittelgleichung oder eines ihrer Derivate beschreiben lässt. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 187 BPP06 Wotschke, P., Friedel, S., Hermanns-Stengele, R. (ETH Zürich, IGT) A novel pneumatic borehole tool for the geophysical and geochemical investigation of the shallow subsurface E-Mail: [email protected] Efficient hydrologic and environmental investigation of brownfields and contaminated sites requires economic acquisition of borehole data. In this paper, we introduce a new borehole tool capable of performing both geophysical and geochemical testing. In particular, the tool combines tomographical imaging techniques with in-situ analysis of pore air. The probe avoids any permanent installations of metal parts inside the borehole, allowing electrical resistivity tomography (ERT) and Figure 1: Basic components of the novel pneumatic probe in the dedicated casing. A) Overview of the setup of the probe with its inflatable stabilisers (1), position detector (2) and sensor spikes (3). B) Detail of the spikes (3), pushed through the weak rings in the casing. downhole ground penetrating radar (GPR) to be applied in the same borehole. The modular design of the spike tool is open to be adapted to other in-situ analysis techniques, such as Laser Induced Fluorescence based on fibre optic transferred signals. Figure 2: Laboratory results of the chemical sensors: a) time series with contamination switchend on and off (various concentrations) b) linear fit of sensor response as a function of VOC concentration. 188 Abstracts Essential parts of the new tool (patent pending, EPO Munich) are 5 cm long metal spikes, pushed pneumatically through windows in conventional plastic filter casings. The spikes can serve as electrodes for in-hole, hole-to-surface und cross-hole electrical resistivity tomography, but also as hollow sampling noses for the extraction of pore air. The tool is modular, one to ten spike units may be combined to form a multi-functional unit. During a pilot study, the tool operated in a typical 13.3 cm PVC casing equipped every 0.25 m with weak ring areas of softer material (Styrodur), which can easily be penetrated by the spikes. To detect the position of the rings reliably, we use a fine tuning winch and a magnetic position sensor at the top of the tool. The field test of the application of the probe for ERT cross-hole tomography is described in a separate paper (Friedel et al., 2004, this issue). Here we focus on the implementation of an in-situ detector for volatile organic contaminants (VOCs) complementing the geophysical imaging data with detailed geochemical information on the subsurface. Hagleitner et al. (2001) described a chemical sensor chip comprising three measuring principles: capacitive, mass-sensitive and calorimetric to measure quantitatively the concentration of various VOCs. The three micro system sensors are coated with selected polymers that allow preferential adsorption and show sensitivity to specific VOCs. We adapted this principle for the use with the pneumatic borehole tool. Pore air of the surrounding soil is sucked by a micro pump across the microchip sensor inside the probe where it is analyzed. During a laboratory study, we compared several polymers coatings with respect to their sensitivity and stability in detectig two of the most widespread organic contaminants: TRI and PER. The most suitable Polymer coating was PDMS (Polydimethylsiloxan). Figure 2 shows the a laboratory calibration cycle for TRI and PER on a PDMS substrate. The sensor response, a frequnency shift, is recorded while contamination is switched on and off with various concentrations (fig. 2a). A linear function is fitted to the data to calibrate the sensitivity of the sensor to the concentration of the VOCs (fig. 2b). In the laboratory scale calibration experiment, we showed that the microchip sensor adapted to the probe is capable of detecting two of the most abundant VOCs in contaminated ground reliably and in the order of magnitude of Swiss environmental regulations. Future work will focus on widening the sensor spectrum of detectable contaminants by incorporating additional sensoric principles (mass sensitive and thermo sensitive) and pattern recognition software as suggested by Hagleitner et al. (2001). Furthermore, other sensoric principles may be adapted to the design of the pneumatic spike tool design. Friedel, S., Wotschke, P. & Hermanns Stengele, R. 2004. Electrical resistivity tomography using a novel pneumatic borehole tool. Proceedings 64. DGG Tagung, Berlin, this issue. Hagleitner, C., Hierlemann, A., Lange, D., Kummer, A., Kerness, N., Brand, O. & Baltes, H. 2001. Smart single-chip gas sensor microsystem. NATURE, vol. 414, pp. 293-296. Bohrlochgeophysik/Petrophysik 189 BPP07 Friedel, S., Wotschke, P., Hermanns-Stengele, R. (ETH Zürich, IGT) Electrical resistivity tomography using a novel pneumatic borehole tool E-Mail: [email protected] Wotschke et al. (2004, this issue) have introduced a novel design of a multi-functional borehole tool for the combination of geophysical imaging and in-situ geochemical testing of pore air in the shallow subsurface. We report results of a first field test. A common problem during the borehole applications of electrical resistivity tomography (ERT) and ground penetrating radar (GPR) is that both cannot easily be used in the same borehole. Except in solid rock and in the saturated zone, ERT usually requires permanent cables to be installed. As GPR would be affected by unwanted reflections, the subsequent application of this method is inhibited. The probe presented here avoids any permanent installations of metal parts, allowing ERT and GPR to be applied in the same borehole. Essential parts of the new tool are 5 cm long metal spikes, pushed pneumatically through windows in conventional plastic filter casings, where they serve as electrodes. For a pilot study on a brownfield site in Zurich, we assembled two electrode tools (1.60 m length and 16.5 kg), each comprising 5 spike units. The tools were operated in typical 13.3 cm PVC casings previously equipped every 25 cm with weak ring areas of softer material (Styrodur), which can easily be penetrated by the spike electrodes. Using a Geotom (GEOLOG) multi-electrode device various measurements of single-hole- (vertical profiling), hole-to surface and cross-hole type were acquired. Figure 1 shows the results of a data set comprising 900 hole-to-surface measurements using 25 surface electrodes (1 m spacing) and 40 subsurface electrode positions (25 cm spacing) in two 10 m deep boreholes, 6 m apart. Inversion results were obtained using RES2DINV and a special starting model derived from the hole-to-surface pseudosection. Results were compared with borehole logs, cone penetration tests and cross-hole radar tomography (RAMAC, 100 MHz and 250 MHz). The ERT image shows an extremely high resolution of the subsurface and very good agreement with the borehole logs. In particular a narrow sand band (1 m) embedded in clay at about 8.50 m depth could be resolved. It could not be detected in surface measurements but was also seen in a vertical parallel radar sounding. The field test showed that the novel multifunctional pneumatic borehole tool can be used to derive high-resolution resistivity images of subsurface. A new quality of integrated on-site investigation arises from the fact, that the tool can also be adapted to the in-situ analysis of pore air (Wotschke et al. 2004, this issue). Wotschke, P., Friedel, S. & Hermanns Stengele, R. 2004. A novel pneumatic borehole tool for the geophysical and geochemical investigation of the shallow subsurface. Proceedings 64. DGG Tagung, Berlin, this issue. 190 Abstracts Figure 1: Comparison of different geophysical measurements. A) Radargram of a vertical cross-hole profiling, 250 MHz transmitter and receiver were lowered simultaneously. First arrivals on the time axis depict the travel time of the EM wave between the boreholes. Due to high attenuation no signal is transmitted in silty or clayey layers. B) 100 MHz cross-hole radar tomogram depicting average EM wave velocity, which is mainly a function of water content between the boreholes. C) ERT image derived from pole-dipole surface-to-hole measurements using a pseudosection starting model. Borehole data are included in all figures. EM Elektromagnetik 192 Abstracts EM01 – Do.,11.3.,16:20-16:40 Uhr · H0110 Hoffmann, N. (BGR, Berlin), Horejschi, L., Jödicke, H. (Universität Münster) Magnetotellurische Sondierungen im Norddeutschen Becken – ein Beitrag zur Verbreitung potentieller präwestfalischer Erdgas-Muttergesteine E-Mail: [email protected] Der tiefere Untergrund des Norddeutschen Beckens hat in den letzten 15-20 Jahren mit fortschreitender Verlegung der Kohlenwasserstoff-Exploration in immer größere Tiefen zunehmend wirtschaftliches Interesse gewonnen. Daraus resultiert die Notwendigkeit, die generellen Kenntnisse über den geologisch-tektonischen Bau des tieferen Untergrundes ständig zu erweitern und zu versuchen, Gesetzmäßigkeiten des Beckenbildungsprozesses sowie der damit im Zusammenhang stehenden Fragen zur zeitlichräumlichen Verteilung und Genese der Kohlenwasserstoffe besser zu verstehen. Die in den 70er und 80er Jahren von verschiedenen Institutionen durchgeführten magnetotellurischen Sondierungen erbrachten den überraschenden Nachweis einer gut leitenden Schicht im präsalinaren Untergrund. Die teilweise extrem hohe intergierte Leitfähigkeit wurde zunächst auf fluidgefüllte Poren und Klüfte zurückgeführt. Dieser elektrolytische Leitungsmechanismus würde aber einen in dieser Tiefe unrealistisch großen Porenraum erfordern. Leitfähigkeitsuntersuchungen an Schwarzschiefern des Unterkarbons der Bohrung Münsterland 1 zeigten, dass als Ursache für die hohe Leitfähigkeit die hochinkohlte und damit quasi-metallisch leitende organische Substanz anzusehen ist (elektronischer Leitungsmechanismus). Neuere petrophysikalische Untersuchungen des GFZ Potsdam an Schwarzschiefern derselben Bohrung verdeutlichen darüber hinaus, dass neben der organischen Substanz auch die Vernetzung mit Sulfiden für die hohen Leitfähigkeiten verantwortlich ist. Damit wird erklärlich, dass auch in Bereichen relativ niedriger Inkohlung gut leitende Schichten auftreten können. Da Schwarzschiefer bekanntlich als potentielles Erdgas-Muttergestein angesehen werden, ist ihr Nachweis durchaus von wirtschaftlichem Interesse. Auf diesem Kenntnisstand aufbauend, wurde 1993 seitens der BGR eine flächenhafte magnetotellurische Neuvermessung gestartet, die bisher 225 Punkte umfasst. Die Feldmessungen wurden von der Firma METRONIX GmbH (Braunschweig) und dem Institut für Geophysik der Universität Münster, das auch in enger Kooperation mit der BGR an der Interpretation der Daten beteiligt ist, durchgeführt. Die Ergebnisse der Magnetotellurik zeigen, dass im Depozentrum des Norddeutschen Rotliegend-Beckens wegen des Fehlens gut leitender Schichten im Präsalinar nicht mit der Ausbildung von präwestfalischen ErdgasMuttergesteinen zu rechnen ist. Damit ist dieses Gebiet für weitere Explorationen auf Tiefengas nicht zu empfehlen. Die nördlich davon nachgewiesenen gut leitenden Schichten werden mit den in der Ostsee Bohrung G 14 aufgeschlossenen kambro-ordovizischen Schwarzschiefern (skandinavische Alaunschiefer) korreliert. Obwohl Pyrolyse-Experimente seitens der BGR Hinweise auf ein Gasbildungspotential erbrachten, kann auf Grund des hohen Reifegrades kein Gas in situ erwartet werden. Elektromagnetik Die gut leitenden Schichten südlich des zentralen Rotliegend-Beckens können mit erbohrten unterkarbonischen Schwarzschiefern der Aufschlüsse Pröttlin 1 und Münsterland 1 in Beziehung gebracht werden, die abhängig vom Reifegrades des organischen Materials als potentielles Erdgas-Muttergestein anzusehen sind. In Rotliegend-Gasfeldern der Emsmündung gelang durch die Korrelation magnetotellurischer, paläogeographischer, tektonischer und isotopengeochemischer Daten der Nachweis, dass es sich hier um ein Mischgas eines höher reifen, trockenen Gas aus einer sapropelitischen (marinen) Substanz des Unterkarbons der rhenoherzynischen Alaunschieferfazies, möglicherweise in enger Verzahnung mit der unterkarbonischen sogen. Bowland shale Fazies oder deren Äquivalente der südlichen Nordsee und einem geringer reifen Gas aus einem humosen (terrestrischen) organischen Material (Westfal-Kohle) handeln könnte. Aktuelle MT-Daten aus dem GlückstadtGraben (Schleswig-Holstein) weisen im Grabenbereich einen gut leitenden Horizont im Teufenintervall von ca. 8,5-11,5 km auf. Nach den bisherigen MT-Ergebnissen aus Norddeutschland könnte es sich hier möglicherweise um unterkarbonische Schwarzschiefer handeln. Sollte dies zutreffen, so ist die Grabenstruktur bereits im Unterkarbon aktiv gewesen und damit wesentlich älter als bisher vermutet (Trias oder Rotliegend). Die Einbeziehung der Magnetotellurik in die geologisch-lagerstätenkundliche Modellierung eröffnet somit neue Möglichkeiten sowohl für die geologischtektonische Modellierung als auch für die Kohlenwasserstoff-Exploration, speziell für die Erdgas-Höffigkeitsbewertung des tieferen Untergrundes des Norddeutschen Beckens. 193 194 Abstracts EM02 – Do.,11.3.,16:40-17:00 Uhr · H0110 Patro, P., Brasse, H. (FU Berlin) Electrical anisotropy in the crust of the Indian peninsular shield? Indications from magnetotelluric soundings E-Mail: [email protected] The Deccan Volcanic Province (DVP) of the Indian shield has witnessed major stable continental region (SCR) earthquakes in the last few decades. The deeper crust below the Deccan traps, where thick basaltic layers cover large areas of the Indian shield, remains little known until today. A magnetotelluric study covering a broad period range (T = 0.001-1000 s) was conducted to achieve more insights into the nature of the crustal electrical structure below the flood basalts. The results from isotropic 2-D inversion suggests that the basalts are characterized by surprisingly low electrical resistivities, while the crust is in general highly resistive. Several enhanced conductivity zones were delineated in the middle to lower crust, which are tentatively explained as imaging hidden, partly reactivated faults/fractures of the Precambrian basement. Similarity of sounding curves and an almost constant phase split over large parts of the measuring area hint at a (macro?) anisotropic lower crust or mantle. Synthetic anisotropic model study was carried out to generate the phase split in the case of 1-D and 2-D environments. The influence of different model parameters like anisotropic strike, geometry of the layer/block and anisotropic ratio was analysed. Preliminary results of these model studies will be presented. Elektromagnetik 195 EM03 – Do.,11.3.,17:00-17:20 Uhr · H0110 Brasse, H. (FU Berlin) Neue Daten zur Leitfähigkeitsanomalie unter dem bolivianischen Hochplateau E-Mail: [email protected] Zur Einordnung einer zuvor entdeckten, großen elektrischen Leitfähigkeitsanomalie unter dem bolivianischen Hochplateau, die mit einem weiträumigen Aufschmelzen der tieferen Kruste in Verbindung gebracht wurde, sind langperiodische magnetotellurische Untersuchungen auf dem zentralen Altiplano durchgeführt worden. Ein Profil bestehend aus 16 Stationen verlief von der Ostkordillere bei 17.0◦ S über das Corque-Becken und die Ausläufer des Lauca-Pérez-Ignimbrit bis zu den Vulkanen der Westkordillere bei 18.2◦ S. Eine Analyse der magnetotellurischen Impedanzen bzgl. des regionalen Streichens ergab für den größten Teil der Stationen im westlichen und zentralen Teil des Untersuchungsgebietes eine Richtung von etwa −40◦ , in erstaunlicher Übereinstimmung mit der Profilrichtung, den magnetischen Transferfunktionen und dem generellen Streichen der geologischen Strukturen. Die zweidimensionale Inversion der Daten bildet insbesondere die gutleitenden Sedimente der CorqueSynklinale ab. Der tiefere Untergrund des magmatischen Bogens erscheint wie schon bei früheren Studien weiter südlich als schlechter Leiter; es gibt somit kein ausgedehntes tiefkrustales Reservoir an Schmelzen unter den z.T. aktiven Vulkanen der Westkordillere. Unter dem zentralen Teil des Profils wird – wie unter dem 250 km südlich gelegenen Salar de Uyuni – eine Leitfähigkeitsanomalie in der tiefen Kruste modelliert, allerdings ist sie deutlich weniger ausgeprägt. Die extremen Ausmaße der Altiplano-Anomalie scheinen somit auf das südliche Hochplateau beschränkt zu sein. Das sehr homogene und konsistente Bild der Übertragungsfunktionen wird allerdings ausgerechnet im Umfeld des geomagnetischen Observatoriums Patacamaya gestört. Nahe der Ostkordillere führt ein in das Sedimentbecken hineinreichendes Basementsegment zu einer starken Verzerrung der Impedanzen mit Phasen weit über 90◦ . Es werden dreidimensionale Modellrechnungen der oberflächennahen Leitfähigkeitsverteilung vorgestellt, mit denen versucht wird, auch diesen östlichen Profilabschnitt in die Interpretation einzubinden. 196 Abstracts EM04 – Fr.,12.3.,09:30-09:50 Uhr · H0110 Pfaffling, A., Haas, C. (Bremerhaven) An empirical alternative to inversion in HEM E-Mail: [email protected] INTRODUCTION For more than ten years the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research in Bremerhaven (AWI) conducts sea ice thickness measurements to study changes in the thickness distribution and their link to the climate both in the Arctic and the Antarctic. The only operational geophysical instrument for that purpose had been the EM31 dragged along the ice surface. Frequency domain Helicopter Electromagnetics (HEM) was introduced to sea ice science by Kovacs and Holladay in 1990. Being saline, sea water is a good conductor (2.5 S/m) and therefore provides a strong HEM response. Sea ice, however, has a low conductivity around 0.01 S/m and thus it is possible to explore ice thickness with an airborne electromagnetic induction system. Commercial available HEM devices with lengths from 7 to 10 meter weighting up to 300 kg are not operational from research icebreakers. Hence the necessity for a new, extremely small and light sensor arose. A fully digital bird operating at two frequencies (3.68 kHz / 112 kHz HCP) was developed by the AWI, Ferra Dynamics, Dr. Sengpiel and Aerodata Systems. The bird is equipped with a laser altimeter to measure the elevation of the sea ice surface and to determine surface roughness, i.e. pressure ridge heights and distribution. A real time laseraltimeter display for the pilot allows to fly the bird at 10 to 15 m height above the ice surface at 60 - 80 knots. The very small bird has a length of 3.4 m and a weight of 103 kg. Since reducing the coil separation strongly decreases the signal/noise ratio it is a technical challenge to build such a small bird. Besides the rigid kevlar construction preventing mechanical noise, the introduction of an in-bird computer to digitize the measured data is the main innovation to get rid of system noise. All Figure 1: Crossplot of the inphase response Figure 2: Ice thickness distribution derived at 3.68 kHz. Dots show field data. The line from HEM and drilling. Both are normalized represents the fitting curve. to 1. Elektromagnetik tasks of the bird like signal generation, acquisition and preprocessing as well as calibration, phasing or nulling are managed by this PC, which is radio controlled by a laptop inside the Helicopter. The built-in calibration coils allow system assessments once the bird is taken to high altitude for drift evaluation. To determine the sea ice thickness from the measured EM field we use an empirical curve fitting approach. The master curve is tuned for every flight lag using measurements over open water between the ice floes in leads or polynjas. The level ice thickness, which is a key value for sea ice science and climate research can be derived with an accuracy of a few centimeters. GEOPHYSICS OF SEA ICE Sea ice is a dynamic system floating on the polar oceans exposed to wind and ocean currents. It is composed of level ice floes merged by pressure ridges as well as separated by cracks, leads or several hundred meter wide polynyas. Ridges can grow up to 8 m thickness and extend over 10 m width. However, the thermodynamical history of the sea ice is represented by the level ice, hardly growing any thicker than 3 meter in calm conditions, while ridges and leads are linked to short term weather events. As we are interested in climate related changes in the cryosphere the main goal is to determine the level ice thickness very accurately. This is achieved by calculating the probability density function from thickness data. The computed ice thickness distribution usually shows a main peak representing the level ice thickness. Furthermore it contains estimates of the open water fraction and pressure ridge occurrence and therefore characterizes the local ice regime. THE EMPIRICAL APPROACH The measured normalized secondary field (Z = Hs /H p [ppm]) is a nonlinear function of 197 the coil separation r, sensor altitude h, transmitter frequency f and the EM properties of the space around the system (ρ, µ). Assuming the ocean as a homogeneous halfspace, for given r and f as well as constant ρ and µ, Z is only depending on h. We approximate the function to Z = c1 + c2 · e(c3 ·h) . The parameters c1,2,3 are estimated via exponential curve fitting used on measured Z and h over open water. Once the algorithm is tuned, the total thickness tt (= snow + ice thickness) is determined by tt = hEM − hLA . hEM is the distance between bird and water surface determined from the measured Z using the exponential equation, while hLA is the bird altitude over the ice or snow surface measured by the laser. Figure 1 shows a cross plot of Z over h from a 25 km long transect over antarctic pack ice. The measurements over open water can be clearly distinguished as they show the described exponential behavior with h. Drawn as a line the fitted exponential curve is also included in the graph. VALIDATION OF THE ALGORITHM During an australian sea ice expedition with RSV Aurora Australis 999 drillings where performed on three 20 m spaced 500 meter profiles, offering a unique ground truth dataset. The results from drillings and HEM are compared in Figure 2. The HEM data consists of seven flights over the central 500 m profile in 10 to 25 m altitude. The HEM level ice thickness agrees with the drillings within 2 cm. Web page: http://www.awibremerhaven.de/Modelling/SEAICE 198 Abstracts EM05 – Fr.,12.3.,09:50-10:10 Uhr · H0110 Braun, M., Yaramanci, U. (TU Berlin) Komplexe Inversion von SNMR Signalen - Verbesserung der Tiefenauflösung E-Mail: [email protected] Das SNMR (Surface Nuclear Magnetic Resonance) bzw. MRS (Magnetic Resonance Sounding) Verfahren wird zur direkten Grundwassererkundung eingesetzt. Eine an der Erdoberfläche stromdurchflossene Spule erzeugt ein mit der Larmorfrequenz oszillierendes Magnetfeld, das die magnetischen Momente der Protonen im Untergrund anregt. In der Standardkonfiguration wird dieselbe Spule zum Senden und Empfangen verwendet. Durch eine Erhöhung der Stromstärke und eine dementsprechende Vergrößerung des Pulsmomentes wird eine Tiefenfokussierung erreicht [1]. Die Inversion der Messdaten bestimmt den Wassergehalt und gibt Hinweise über die Porenstruktur. Neben anderen Effekten führt ein elektrisch leitfähiger Untergrund aufgrund der elektromagnetischen Dämpfung und der elliptischen Polarisation zu einem komplexwertigen SNMR Signal [2]. fers. Zur Inversion wurde ein zufallsgesteuertes Blockinversionsprogramm verwendet [4]. Die Stabilität des Inversionsergebnisses wurde durch 36 voneinander unabhängige Inversionsdurchläufe abgeschätzt, daraus wurden Mittelwert und Standardabweichung berechnet. Die Modellvariation wird bei einer komplexen Inversion deutlich verringert. Der Vorteil einer kombinierten Inversion von Amplitude und Phase besteht in der zuverlässigeren Bestimmung von tiefen Strukturen: Äquivalenzmodelle werden reduziert und die Auflösung des Verfahrens hinsichtlich tiefer Strukturen wird verbessert. [1] Yaramanci, U., 2000, Surface Nuclear Magnetic Resonance (SNMR) - A new method for exploration of ground water and aquifer properties, Ann. Geofis., 43 (6), 1159-1175. [2] Weichman, P., Lavely, E., Ritzwoller, M., 2000, Theory of surface nuclear magnetic resonance with applications to geophysical imaging problems, Phys. Rev. E, 62 (1), 12901312. [3] Braun, M., Hertrich, M., Yaramanci, U., 2004, Complex inversion of Surface-NMR signals - Extending the limits of model resolution, Proceedings of SAGEEP Annual Meeting. in print. [4] Mohnke, O., Yaramanci, U., 2002, Smooth and block inversion of surface NMR amplitudes and decay times using simulated annealing, J. App. Geoph., 50(1-2), 163-177. Abb. 1a) zeigt für synthetische Daten den Einfluss eines zweiten Aquifers auf Amplitude und Phase des SNMR Signals. Je tiefer der Aquifer liegt, desto geringer ist die Auswirkung des zweiten Aquifers auf die Amplitude des SNMR Signals, die Phase ist jedoch auch noch bzgl. tieferer Aquifere sensitiv. Amplitude und Phase reagieren also unterschiedlich auf Veränderungen im Wassergehalt in tiefen Bereichen [3]. In der Standardauswertung wird nur die Amplitude des Signals ausgewertet (Abb. 1b). Die Webseite: komplexe Inversion unter Einbeziehung von berlin.de Amplitude und Phase (Abb. 1c) führt zu einer zuverlässigen Auflösung des zweiten Aqui- http://www.geophysik.tu- Elektromagnetik 199 Abbildung 1: Kreisspule, 100m Durchmesser, B0 = 48000nT, I = 60◦ , 50Ωm elektrisch homogen leitfähiger Halbraum a) Modellierungen für 2 Aquifere in unterschiedlichen Tiefenbereichen, b) Ergebnis der Amplitudeninversion, c) Ergebnis der komplexen Inversion, jeweils Mittelwert und Standardabweichung von 36 Inversionsdurchläufen, Blockinversion mit fünf Modellschichten basierend auf einem optimierten globalen Suchalgorithmus. 200 Abstracts EM06 – Fr.,12.3.,10:10-10:30 Uhr · H0110 Franke, A., Börner, R.-U., Spitzer, K. (TU Bergakademie Freiberg) Zweidimensionale Finite-Element-Modellierung elektromagnetischer Felder in der Fernzone E-Mail: [email protected] An der Erdoberfläche messbare elektromagnetische Felder tragen Informationen über die Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund. Ihre Quellen können sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs sein. Natürliche Ursachen sind Stromsysteme in der Ionosphäre und Magnetosphäre. Technisch erzeugt werden elektromagnetische Wellen an Sendern mit verschiedensten Aufgaben. So können z.B. Felder von militärischen Längstwellensendern und von Rundfunksendern für geophysikalische Untersuchungen genutzt werden. In der Fernzone von Quellen elektromagnetischer Felder befindet man sich, wenn sich die Felder als ebene harmonische Wellen fortpflanzen. Dies kann anhand einer Bedingung an den räumlichen Abstand zum Sender in Abhängigkeit von der Sendefrequenz und den auftretenden elektrischen Leitfähigkeiten sichergestellt werden. Die Grundlage zur Beschreibung der Ausbreitung niederfrequenter elektromagnetischer Felder sind die Maxwellschen Gleichungen in quasistationärer Näherung. Die analytische Berechnung elektromagnetischer Feldgrößen ist möglich für einen homogenen leitfähigen Untergrund, einen geschichteten Halbraum und einfache Störkörpergeometrien. Seit Ende der 1960er Jahre werden auch numerische Modellrechnungen sowohl mit dem Finite-Differenzen-Verfahren als auch mit der Finite-Element-Methode durchgeführt. Betrachtet werden können zweiund dreidimensionale Modellgeometrien, teils unter Berücksichtigung topographischer Geländeeigenschaften und anisotroper Leitfähigkeitsstrukturen. MathWorks Inc. stellt zur Lösung partieller Differentialgleichungen mittels der FiniteElement-Methode eine Matlab-Toolbox zur Verfügung. Das Problem der Ausbreitung elektromagnetischer Felder lässt sich als Randwertaufgabe im Frequenzbereich in der PDE-Toolbox implementieren: Die Diffusionsgleichungen für das elektrische und das magnetische Feld bilden eine elliptische partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung, zusätzlich gelten analytisch berechnete Feldverläufe für geschichtete Halbräume als Randbedingungen. Untersucht wird, welchen Beitrag die PDE-Toolbox als kommerzielles Softwarepaket zur Lösung geophysikalischer Fragestellungen leisten kann. Zur Finite-Element-Analyse sind vier Schritte notwendig: • • • • Diskretisierung des Modellgebietes, Auswahl der Basisfunktionen, Aufstellen des Gleichungssystems und Lösung des Gleichungssystems. In der PDE-Toolbox wird die Diskretisierung anhand einer Delaunay-Triangulierung vorgenommen. Verwendet werden dreieckige finite Elemente und lineare Basisfunktionen. Die Einträge der lokalen Elementmatrizen erhält man durch Auswertung von Quadraturformeln. Summation unter Beachtung der Beziehung zwischen lokaler und globaler Nummerierung der Gitterpunkte liefert die Elemen- Elektromagnetik 201 Abbildung 1: Real- und Imaginärteil von Ey mit adaptiver Gitterverfeinerung für −500 m < x < 500 m (Fehler δ < 0.5% in diesem Bereich), numerisch ’o’ und analytisch ’+’, homogener Halbraum ρ = 100 Ω · m, f = 20 kHz, E-Pol. te der globalen Systemmatrizen. Das Gleichungssystem wird mittels direktem Verfahren nach der Methode der Gauß-Elimination gelöst. Werkzeug zur Modellierung elektromagnetischer Felder, sogar unter Einbeziehung topographischer Effekte und anisotroper Leitfähigkeitsstrukturen. Voraussetzung ist aber die Implementation nutzerdefinierter Funktionen, Es hat sich gezeigt, dass die Spezialisiez.B. zur Berechnung der Randbedingungen rung des Programmsystems auf die Lösung und zur adaptiven Gitteranpassung. geophysikalischer Probleme die Programmierung zusätzlicher Software erfordert. Insbesondere verbessert der Einsatz einer nutzerdefinierten Funktion zur adaptiven Gitterverfeinerung die Genauigkeit der numerischen Ergebnisse. Während sich damit für die simulierten Felder akzeptable Genauigkeiten einstellen, zeigen die durch Ableitungen berechneten Magnetfeldkomponenten bei E-Polarisation und Komponenten des elektrischen Feldes bei H-Polarisation einen größeren Fehler. Die Auswahl von Basisfunktionen wie bei der gemischten Finite-Element-Methode nach Raviart-Thomas ließe die gleichzeitige Berechnung eines elektromagnetischen Feldes und seiner Rotation, z.B. E und rot E zu. Vermutlich würde diese Methode zu geringeren Fehlern führen. Sie soll Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein. Die PDE-Toolbox bietet ein mächtiges 202 Abstracts EM07 – Fr.,12.3.,10:30-10:50 Uhr · H0110 Li, Y. (FU Berlin), Pek, J. (Prag), Brasse, H. (FU Berlin) Entwicklung eines Algorithmus’ zur 2D anisotropen Inversion von MT-Daten E-Mail: [email protected] Es wird ein Algorithmus zur MT Inversion in zweidimensional anisotropen Leitfähigkeitsstrukturen entwickelt. Das 2D-Modell wird in eine Anzahl von Rechteck-Zellen mit jeweils konstanten kompeletten Leitfähigkeitstensor diskretisiert. Mathematisch entspricht die Inversionaufgabe einer Minimierung eines Funktionals, das aus einer Datenanpassung und einer Zielfunktion vom Modell zusammengesetzt ist. Die Minimierungsaufgabe wird mit der Hilfe des GaussNewton-Algorithmus’ gelöst, die Modellperturbation wird bei jedem Iterationsschritt nach der Methode der konjugierten Gradienten gewonnen. Anisotrope Leitfähigkeitsstrukturen sind oft mit räumlich lokalisierten geologischen Phänomenen (z.B. Bruchsystemen) verbunden. Dies widerspricht dem Gl ättekonzept von Occam-Inversionverfahren. Deswegen müssen andere Regularisierungsverfahren angewandt werden, die nicht-glatte Strukturen auflösen können. Wir haben einige Regularisierungsverfahren (z.B. Total Variation, Minimum Support, Minimum gradient Support usw.) getestet. Es werden Inversion-Resultate sowohl an synthetischen als auch an Felddaten vorgestellt. Elektromagnetik 203 EM08 – Fr.,12.3.,11:10-11:30 Uhr · H0110 Müller, M., Helwig, S.L., Tezkan, B. (Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln) UXO-Detektion mit 3D-TEM E-Mail: [email protected] Als UXO (UneXploded Ordnance) bezeichnet man explosive Munition, die aufgrund irgendeiner Fehlfunktion nicht explodiert ist. Weltweit stellen UXO in ca. 90 Ländern ein Problem dar, auch in Deutschland werden immer noch UXO aus dem 2. Weltkrieg gefunden. Obwohl sie sich in Länge (< 10cm bis mehrere Meter) und Gewicht (einige g bis mehrere 100kg) stark unterscheiden haben UXO typischerweise zwei charakteristische Merkmale. Erstens sind sie meist achsensymmetrisch und stabförmig und besitzen ein typisches Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ca. 4. Zweitens sind UXO meistens aus Stahl. Aufgrund des hohen Metallanteils eignen sich EM-Methoden im Allgemeinen und die 3D-TEM-Methode im Besonderen zur Auffindung und Charakterisierung von UXO. Dabei wird durch An- und Abschalten eines Sendestromes in einer quadratischen Spule mit 1m Seitenlänge ein Strom im leitenden Untergrund und speziell in sehr gut leitenden Körpern induziert. Dieser Strom klingt mit der Zeit ab und erzeugt ein Sekundärfeld. Typischerweise wird zur Metalldetektion nur der vertikale Anteil dieses Feldes mit einer Induktionsspule vermessen. Um mehr Informationen über die Form des Störkörpers zu erhalten werden bei unserem Ansatz, der auf einer Idee von Norman R. Carlson und Kenneth L. Zonge (2002) basiert, auch die beiden horizontalen Magnetfeldanteile mit Induktionsspulen aufgezeichnet. Als Sender dient ein NT-20 der Firma Zon- ge. Die empfangenen Signale werden mit drei NanoTEM-Karten in einem Zonge GDP-32 IIEmpfänger aufgezeichnet. Abbildung 1 zeigt die dabei verwendete Spulenkonfiguration mit einer 1m x 1m großen Sendespule mit vier Windungen und den drei 0,5m x 0,5m großen Empfangsspulen (ebenfalls vier Windungen). Über Metallkörpern erhält man in der HzKomponente ein deutlich stärkeres Signal als über metallfreiem Untergrund. Durch die zusätzlichen Hx- und Hy-Komponenten erhält man eine bessere räumliche Abgrenzung des Metallkörpers und kann Rückschlüsse auf die Form des Körpers ziehen. Das Ziel ist, die Daten hinsichtlich einer Unterscheidung zwischen UXO und sonstigen Metallteilen zu interpretieren. Dazu muss zunächst das Verhalten der Transienten aller drei Komponenten unter verschiedenen Bedingungen untersucht werden. Literatur Carlson, Norman R., Zonge, Kenneth L., 2002, MULTI-COMPONENT, EARLY-TIME TEM FOR UXOs, USTs, AND UTILITIES, The 16th Workshop 204 Abstracts Abbildung 1: Sende-/Empfangsspuleneinheit Elektromagnetik 205 EM09 – Fr.,12.3.,11:30-11:50 Uhr · H0110 Farag, K., Tezkan, B. (Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln) Multi-dimensional Radiomagnetotelluric and Transient Electromagnetic E-Mail: [email protected] RWE Rheinbraun AG is responsible for mining of lignite, or brown coal, in Rhineland with an annual production of around 100 million metric tons. Rhineland brown coal accounts for around 16% of German’s electricity supply. Growing competition from other sources of energy, such as imported hard coal, made it essential to minimize costs, especially in field-work functions like expensive drilling and direct-sampling. Since electromagnetic (EM) methods have become more population in surface-mining applications, EM survey in advance of the drilling could help design the future drilling (or direct-sampling) pattern. A total number of 86 multi-directional, multi-frequency radiomagnetotelluric (RMT) and 33 transient electromagnetic (TEM) soundings (five separate profiles) were carried out over the shallow coal seams in ”Garzweiler I” mining district, west of Cologne, to image the vertical electrical resistivity structure of those seams. The layeredcake nature for these conductive seams within the resistive sand-background enabled the data to be interpreted consistently in terms of onedimensional (1-D) resistivity models. However, the presence of thin surfacial clay masses breaks down such interpretation scheme. In this case, to greatly improve the resistivity resolution for the coal seams, as well as for the surfacial masses, two-dimensional (2-D) RMT inversion and three-dimensional (3-D) TEM modeling have been carried out. To determine what can be interpreted reliably from EM measurements, 16 rock samples for different lithologies were collected from the surface outcrops in the region and their direct- and alternating-current resistivities were measured in the laboratory. Comparing the inversion results with Rheinbraun borehole-geology showed that the jointapplication of RMT and TEM techniques were successful in identifying the coal-sand and clay-sand boundaries very clearly and accurately where the geology and models are reasonably matched, but could not discriminate between different sands or between coals and underlaying organic clays. Web page: http://www.uni-koeln.de/mathnat-fak/geomet/geo/index.html 206 Abstracts EM10 – Fr.,12.3.,11:50-12:10 Uhr · H0110 Koch, O., Helwig, S. L., Scholl, C., Tezkan, B. (Köln), DESERT Research Group TEM innerhalb des DESERT-Projekts zur Erkundung der Leitfähigkeitsstruktur der Dead-Sea-Transform E-Mail: [email protected] Ziel des Dead-Sea-Rift-Transec(DESERT)-Projekts ist es, die Dead-SeaTransform-Störung mit verschiedenen Methoden zu erforschen. Unter anderem werden elektromagnetische Messungen eingesetzt, um die Leitfähigkeitsstruktur im Untergrund der Störzone abzubilden. Im September 2002 wurden hierzu eine Long-Offset-Transient-Elektromagnetics (LOTEM) und eine Central-Loop-TEMMessung vom Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln in Jordanien durchgeführt. Im Vergleich zu Magnetotellurik Messungen, welche vom Geoforschungszentrum Potsdam realisiert wurden und einen großskaligen Bereich erfassen, sollen diese Messungen Ergebnisse auf einem mittelskaligen (LOTEM) und kleinskaligen (Central-LoopTEM) Bereich liefern. Die gesammelten Daten der LOTEMStationen zeigen eindeutige Hinweise auf eine mehrdimensionale Leitfähigkeitsstruktur im Untergrund. Einige Stationen, die am weitesten westlich der Störungszone liegen, können allerdings auch durch die Annahme einer eindimensionalen Leitfähigkeitsstruktur ausreichend erklärt werden. Die eindimensionalen Ergebnisse dieser Stationen decken sich im wesentlichen mit den Ergebnissen der MT. Um ein erstes mehrdimensionales Modell zu erhalten, wurden alle Daten zunächst eindimensional interpretiert, wobei die Datenpunkte vernachlässigt wurden, die eindeutig nicht eindimensional erklärbar sind. Die erhaltenen eindimensionalen Modelle jeder Station wurden dann in einem zweidimensionalen Modell zusammengefasst. Durch Rechnungen mit diesem simplen zweidimensionalen Modell können bereits einige Phänomene in den Daten reproduziert werden. Darüber hinaus wurden zweidimensionale Inversionensrechnungen durchgeführt. Da das hierzu notwendige Inversionsprogramm sich noch in der Entwicklungsphase befindet und zuvor auf keinen realen Datensatz angewendet worden ist, geht die Inversion der Messdaten mit der Programmverbesserung einher. Der LOTEM-Datensatz wurde mit vier verschiedenen Sendepositionen vermessen. Bisher konnten Inversionen von Teildatensätzen, die zu jeweils einem Sender gehören, durchgeführt werden. Im nächsten Schritt sollen die LOTEM-Daten von mehreren Sendern gemeinsam invertiert werden. Die bisher vorliegenden 2D-Modelle können das MT-Modell bestätigen und verfeinern. Eine gemeinsame zweidimensionale Inversion der Central-Loop- und LOTEM-Daten, ist momentan wegen des benötigten Speichervolumens nicht möglich. Daher wird parallel zu der 2D-Inversion der LOTEM-Daten an einer 2D-Inversion der Central-Loop Daten gearbeitet. Hierbei muss für jede Station eine eigene Modelldiskretisierung vorgenommen werden, da jeder Empfänger zu einem eigenen Sender gehört. Zusätzlich sind im Frühjahr 2004 LoopTEM-Messungen in einer Konfiguration geplant, die es erlaubt in allen drei Raumrichtungen ein Signal aufzuzeichnen. Auf diese Weise soll versucht werden, Elektromagnetik kleinräumige mehrdimensionale leitfähige Strukturen an der Störungszone aufzulösen. 207 208 Abstracts EM11 – Fr.,12.3.,12:10-12:30 Uhr · H0110 Hölz, S., Burkhardt, H. (TU Berlin) Strategien zur Bearbeitung von TEM-Daten im Waveletbereich E-Mail: [email protected] Bei der herkömmlichen Bearbeitung von TEM-Daten (koinzidente Spulenanordnung) wird eine Verbesserung des Signal- / Rauschverhältnisses zum einen durch die Mehrfachmessung und Stapelung von Transienten und zum anderen durch die Mittelung auf logarithmisch äquidistant verteilte Zeitfenster erreicht. Verfahren zur Datenbearbeitung im Frequenzbereich sind problematisch, da TEMSignale generell exponentiell abfallen und somit ein breites Frequenzspektrum besitzen. Bei der Rücktransformation in den Zeitbereich kommt es hierbei gegebenenfalls zu Verzerrungen von Transienten, die zu Fehlinterpretationen führen können. Die stark eingeschränkte Anwendbarkeit der Fouriertransformation begründet sich hierbei durch die fehlende Möglichkeit zur zeitlichen Lokalisierung der Signalenergie. Da eine wesentliche Eigenschaft der Wavelettransformation die gleichzeitige Lokalisierbarkeit von Signalenergie sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich ist, wurde der Versuch unternommen, eine Datenbearbeitung für transiente Signale über die Wavelettransformation zu konzipieren. In einem ersten Versuch konnte gezeigt werden, daß für eine quasi exakte Rekonstruktion (Fehler < 0.1%) eines 1D-Transienten mit bis zu 4000 Datenpunkten im Zeitbereich eine geringe Anzahl von Koeffizienten im Waveletbereich ausreicht [Hölz, 2002]. Um diesen Sachverhalt systematisch zu erfassen, wurde eine Koeffizientenberechnung mit Transienten von 1000 zufälligen 1DModellen durchgeführt. Es zeigt sich, daß die Signalenergie der Transienten im Waveletbereich in Signalbändern konzentriert ist, im wesentlichen also immer in den gleichen Waveletkoeffizienten enthalten ist. (Ergänzend kann hierzu angemerkt werden, daß sich jedem Signalband, in Abhängigkeit von der Samplingfrequenz des Ausgangssignals, ein Frequenzbereich zuordnen läßt.) Die Lage und Breite der Signalbänder hängen von der Familie und Ordnung des verwendeten Wavelets ab. Für bestimmte Wavelets (z.B. coif3, sym9) konnte in einem weiteren Schritt gezeigt werden, daß sich die Waveletkoeffizienten eines bestimmten Signalbandes für verschiedene Modelle nur um einen quasi konstanten Faktor unterscheiden. Für diese Wavelets besteht daher eine Skalierbarkeit von Signalbändern zwischen unterschiedlichen Modelltransienten. Die Signalenergie kann somit innerhalb des untersuchten Signalbandes nicht nur lokalisiert, sondern auch anhand eines Referenzbandes, z.B. das zu einem 1ohmm-Halbraum gehörende Signalband, bis auf einen Skalierungsfaktor charakterisiert werden. Zusammenfassend ergeben sich folgende Erkenntnisse: 1. Über die Wavelettransformation kann im Waveletbereich die Signalenergie in Signalbändern lokalisiert werden. 2. Die nicht wesentlichen Koeffizienten, also die Koeffizienten, die nicht in den Signalbändern lokalisiert sind, enthalten gegebenenfalls Rauschenergie, die analysiert und unterdrückt werden kann. 3. Für bestimmte Wavelets stehen die Koeffizienten bestimmter Signalbänder eines be- Elektromagnetik liebigen 1D-Transienten in festem Verhältnis zu den zugehörigen Koeffizienten eines Referenztransienten (1ohmm-Halbraum). Sie unterscheiden sich demnach von den Referenzkoeffizienten nur um einen quasi konstanten Skalierungsfaktor. 4. Mit einer geringen Anzahl von ca. 150-180 Waveletkoeffizienten können beliebige 1DTransienten mit bis zu 4000 Datenpunkten beschrieben werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit für eine Datenkompression. Somit wurden folgende Strategien für eine Filterung ableitet: a. Eliminierung der Koeffizienten außerhalb der Signalbänder (aus 1. und 2.). b. Analyse der Rauschenergie in den Koeffizienten außerhalb der Signalbänder und anschließendes ”noise-prediction-filtering” innerhalb der Signalbänder (aus 2.). c. Für bestimmte Wavelets Stabilisierung des ”noise-prediction-filtering” innerhalb der Signalbänder über die Skalierbarkeit der Signalkoeffizienten bezüglich eines Referenzmodells (aus 3.). Anhand von Beispielen wird erläutert, inwieweit die Strategien bei der Datenbearbeitung und Fehlerabschätzung helfen. Hierfür werden die Auswirkungen der Filter auf weißes Rauschen (Zufallszahlen) und gemessenes Rauschen (China, Deutschland) untersucht. Referenz: Hölz, S., Burkhardt, H.: Praktische Aspekte bei der Datenbearbeitung und Bewertung von äquivalenten 1D-Modellen von TEM-Daten, DGG 2002. 209 210 Abstracts EMP01 Golden, S. (Frankfurt am Main), Beblo, M. (München), Björnsson, A. (Akureyri), Junge, A. (Frankfurt am Main) Zur Verzerrung des tellurischen Feldes im Umfeld einer LMT-Station auf Island E-Mail: [email protected] Im Rahmen des CMICMR (Continuous Monitoring of the Icelandic Crust and Mantle Resistivity) Projektes werden bereits sei 1999 an mehreren Feldstationen auf Island langperiodische magnetotellurische Messungen durchgeführt. Dabei traten an verschiedenen Stationen teils starke, unterschiedliche Stromverzerrungen („Static shifts“) auf, die eine Interpretation der Daten erschweren. Am Beispiel einer ausgewählten CMICMR-Station in Húsafell wurde im Herbst 2003 eine Detailuntersuchung zu diesen Verzerrungen durchgeführt, auf die im folgenden näher eingegangen wird. Bei dem Verfahren der Magnetotellurik werden zeitliche Variationen des natürlichen erdmagnetischen und erdelektrischen Feldes an der Erdoberfläche aufgezeichnet. Aus dem Verhältnis zwischen diesen Feldern werden Rückschlüsse über die elektrische Widerstandsverteilung im Untergrund gezogen. Die maximale Tiefe, bis zu der Aussagen getroffen werden können, hängt dabei von der Periodenlänge der beobachteten Variationen ab. Um zuverlässige Aussagen über die Struktur des Erdmantels bis in Tiefen von ca. 1000 km zu treffen, sind Beobachtungszeiträume von mehreren Monaten notwendig. Kleinräumige oberflächennahe Inhomogenitäten führen nahe der Oberfläche zu frequenzunabhängigen Verzerrungen, die bei der Betrachtung langer Perioden falsche Absolutwiderstände vortäuschen. Dieser Effekt ist als „Static shift“ bekannt. Im Herbst 2003 wurde eine Messfahrt nach Island unternommen, um an einer ausgewählten CMICMR-Station Detailuntersuchungen zur Verzerrung des tellurischen Feldes durchzuführen. Die Stationswahl fiel auf Húsafell im Westen Islands, ca. 50 km östlich von Borgarnes. Húsafell liegt in einem in tertiären Basalten eingeschnittenen Gletschertal, dessen Sohle mit Flusssedimenten und jüngeren Lavadecken verfüllt ist. Es ist anzunehmen, dass die Talfüllung als oberflächennaher guter Leiter einen Einfluss auf die magnetotellurischen Messungen hat. Um dies zu überprüfen, wurden rund um die CMICMR-Basisstation an 5 Satellitenstationen in Abständen von 1-3 km tellurische Messungen durchgeführt. Bei tellurischen Messungen beschränkt man sich auf die Aufzeichnung der horizontalen elektrischen Feldkomponenten. Diese wurden jeweils an bis zu zwei Satellitenstationen gleichzeitig durchgeführt. Die Abtastrate betrug 1 bis 4 s bei einer Stationslaufzeit von 3 bis 5 Tagen. Zum Einsatz kamen dabei zwei neue Datenlogger vom Typ Geolore: Der im Verlauf des Jahres 2002 an der Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt am Main und an der Ludwig-MaximiliansUniversität, München entwickelte Datenlogger Geolore (Geophysical Longtime Recorder) wurde speziell für die wartungsfreie Aufzeichnung von geophysikalischen Zeitreihen mit einer Länge von bis zu einem Jahr, optional auch unter Wasser, entwickelt. Hier kam er zwar „nur“ zur Aufzeichnung kurzer Zeitreihen auf Land zum Einsatz, hat sich aber auch dabei gut bewährt. Unter der Annahme, dass das magnetische Feld kleinräumig wesentlich homoge- Elektromagnetik ner ist, als das tellurische Feld, können Magnetfeldaufzeichnungen von der CMICMRBasisstation zusammen mit den elektrischen Feldaufzeichnungen von den tellurischen Satellitenstationen für magnetotellurische Auswertungen an den Satellitenstationen herangezogen werden. Auf diese Weise wurden für die Basis- und Satellitenstationen MTÜbertragungsfunktionen bestimmt. Abgesehen von leichten Unterschieden im „Static shift“ stimmen diese, insbesondere bei langen Perioden, gut überein. Die verbleibenden, geringen Unterschiede lassen sich durch die Bildung von Übertragungsfunktionen zwischen den Stationen hervorheben. Als Ursache für diese Unterschiede werden Verzerrungen des tellurischen Feldes durch die oberflächennahe, kleinräumige Geologie angenommen. Es wird erhofft, auf diesem Wege eine zuverlässige Trennung von klein- und großräumigen Einflüssen auf die an der Basisstation bestimmten MTÜbertragungsfunktionen durchzuführen, welche eine verlässlichere Interpretation ermöglichen würde. Webseite: http://geophysik.unifrankfurt.de/em/icelmt/ 211 212 Abstracts EMP02 Cyganiak, A., Dinske, C., Brasse, H. (FU Berlin, Institut für Geologische Wissenschaften, Fachbereich Geophysik), Hoffmann, N. (BGR, Dienststelle Berlin) Analyse magnetotellurischer Daten aus dem Nordostdeutschen Becken E-Mail: [email protected] In den neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden von der Firma Metronix im Auftrag der BGR zahlreiche magnetotellurische Messungen in Norddeutschland durchgeführt. Für zwei Messprofile, die bisher nicht detailliert ausgewertet worden waren, sind mit einer 2D Inversion Untergrundmodelle berechnet worden. Dabei handelt es sich zum einen um ein Profil von Usedom bis in den Fläming mit 18 Messpunkten, zum anderen um einen Datensatz von 13 Messpunkten, die sich entlang einer Linie Lübz - Celle verteilen. Das Ziel war der Nachweis gut leitender Schichten im präpermischen Untergrund, die als hochinkohlte Schwarzschiefer und damit als mögliche Muttergesteine für die Generierung von Kohlenwasserstoffen gedeutet werden können, wie es für andere Bereiche des Norddeutschen Beckens interpretiert wurde. Die Daten lagen als Spektren vor; ein Teil des Datensatzes musste neu prozessiert werden. Sie umfassen einen Periodenbereich von etwa 10−3 s bis 4096 s und ergeben folgendes, für das Norddeutsche Becken charakteristische Bild: Die Kurven des scheinbaren spezifischen Widerstandes beginnen bei kurzen Perioden mit Werten zwischen 10 und 100 Ωm, sinken dann auf unter 1 Ωm bei etwa 10 s und steigt dann unter Aufspaltung der Impedanztensorkomponenten Zxy und Zyx wieder an. Entsprechend verhalten sich auch die zugehörigen Phasen. Die Realteile der Induktionspfeile zeigen für Perioden > 100 s hauptsächlich nach Süden. Die Bestimmung der Dimensionalität der Leitfähigktsstruktur erfolg- te mit der Berechnung der Skewness und der Untersuchung der Induktionspfeile. Die Ergebnisse zeigten, daß eine zweidimensionale Auswertung der Daten gerechtfertigt ist. Die Streichrichtung der 2D Struktur ist 100 Grad auf dem Profil Usedom - Fläming und 115 Grad auf dem Profil Lübz - Celle. Die Impedanztensoren der einzelnen Messpunkte wurden dementsprechend in diese Richtung rotiert. Die zweidimensionalen Inversionsrechnungen führten zu Modellen, die für beide Profile einen oberen sehr guten Leiter von ca. 200 m bis in maximal 4 km Tiefe darstellen. Das Modell für das Profil Lübz - Celle zeigt zudem einen weiteren, tiefliegenden guten Leiter im zentralen Teil des Profils. Die Modellrechnungen ergaben trotz der zu geringen Stationsanzahl und der mäßigen Datenqualität Übereinstimmungen mit den Ergebnissen anderer magnetotellurischer Untersuchungen im Norddeutschen Becken. Elektromagnetik 213 EMP03 Cyganiak, A. (Freie Universität Berlin), Polag, D. (Technische Universität Berlin), Brasse, H. (Freie Universität Berlin), Becken, M. (Technische Universität Berlin), Ernst, T. (Polnische Akademie der Wissenschaften) Magnetotellurik an der Trans-European Suture Zone in Nordwestpolen (Pommern) E-Mail: [email protected] Von August bis Oktober des Jahres 2003 wurden von der Freien Universität Berlin im Gebiet der TESZ (Trans-European Suture Zone) langperiodische Magnetotellurikmessungen im Großraum Pommern (Polen) durchgeführt. Zusätzlich wurde an einigen Stationen der Messbereich durch audiomagnetotellurische Aufzeichnungen seitens der Technischen Universität Berlin ergänzt. Die TESZ gehört zu den bekanntesten geologisch tektonischen Grenzzonen in Europa und stellt die Nahtstelle zwischen dem präkambrischen osteuropäischen Kraton und dem mobilen paläozoischen Gebirgsgürtel im südwestlichen Teil Europas dar. Die TESZ verläuft von der Nordsee aus in nordwestlichsüdöstlicher Richtung durch Zentraleuropa bis hinunter zum Schwarzen Meer mit einer Gesamtlänge von über 2000 km. Ihre komplexe Struktur wurde vor allem in den Neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts intensiv mittels seismischer Verfahren untersucht und soll nun in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Freien Universität Berlin unter anderem mit der Polnischen Akademie der Wissenschaften und der Russischen Akademie der Wissenschaften mittels elektromagnetischer Verfahren verifiziert werden. Geplant wurden hierzu zwei parallele Profile in einem Abstand von circa 50 km, die senkrecht zur Störungszone von der Ostsee nahe Danzig bis über die Grenze nach Deutschland hineinlaufen sollen. Die Messungen der Freien Universität Berlin und der Technischen Universität Berlin verliefen, ebenso wie die der polnischen Kollegen, auf dem nördlichen Profil mit einem Stationsabstand von circa 5 bis 10 km. Auf dem südlichen Profil fanden in den Jahren 2001 bis zur ersten Hälfte des Jahres 2003 magnetotellurische Messungen der Universitäten Prag und Uppsala, sowie der Polnischen Akademie der Wissenschaften statt. Zusätzlich wurde von der Technischen Universität Berlin noch ein kurzes Nord-Süd-Profil in der Verbindung der beiden Parallelprofile aufgenommen. Die Aufzeichnung der Daten erfolgte im LMT-Bereich mit RAP-Datenloggern und im AMT-Bereich mit ADU-Datenloggern und an den gemeinsam gemessenen Stationen wurde insgesamt ein Frequenzbereich von 500 Hz bis 10.000 Sekunden registriert. Die Zeitreihen selber sind an einigen Stationen durch anthropogene Störanteile stark beeinflußt, insbesondere die teilweise nahe an den Stationen liegende Gleichstrombahnsysteme führen zu einem erheblich negativen Effekt in den resultierenden Übertragungsfunktionen. Mit Hilfe von Präselektion der Daten im Zeitbereich und dem Remote Reference Verfahren bzw. dem Multivariaten Prozessing von EGBERT, konnten jedoch teilweise eindeutige qualitative Verbesserungen erzielt werden. In dem Poster werden einzelne Zeitreihen und die Sondierungskurven der Stationen mit einem besonderen Augenmerk auf die Induktionspfeile vorgestellt, deren Größe und Rich- 214 Abstracts tung einen Aufschluß über die lateralen Strukturen im Untergrund geben sollen. Zudem wird auf die ersten Untergrundmodelle eingegangen unter Berücksichtigung der bereits existierenden seismischen Ergebnisse. Elektromagnetik 215 EMP04 Ritter, O., Weckmann, U., Bedrosian, P. A., Hoffmann-Rothe, A. (Potsdam, GFZ), Jung, A., Hübert, J. (Potsdam, Uni), Haak, V., DESERT Research Group (Potsdam, GFZ) The Dead Sea Transform Fault: Summary of magnetotelluric experiments E-Mail: [email protected] The more than 1000 km long transcontinental Dead Sea Transform (DST) forms the boundary between the African and Arabian plates in the Middle East. Magnetotelluric (MT) data were recorded at more than 250 sites in Jordan and Israel, with the aim to investigate the subsurfacial electrical conductivity distribution on local and regional scales. 2D inversion results of the more local experiments across the main branch of the DST in the Arava valley in Jordan indicate very clearly that the DST is associated with a strong lateral conductivity contrast. The most prominent feature on the MT image is a conductive half-layer beginning at a depth of approximately 1.5 km, which may be caused by brines in porous sediments. The DST can be identified as a sharp vertical conductivity boundary on the east side of its surface trace. On a coincident high-resolution seismic tomography image of the upper crust, a strong increase of the P wave velocities to values exceeding 5 km/s is observed west of the DST, where the MT model indicates lower conductivities. This main anomalous feature is repeated on several parallel profiles in an area of 10 square kilometers. This conductivity model images the DST as an impermeable barrier to cross-fault fluid flow, in stark contrast to respective models from a central segment of the SAF which are interpreted as evidence of pervasive along-fault fluid flow. With the most recently acquired data sets along regional profiles in Israel and Jordan, we are now able to model the conductivity structure of the entire crust. First results of the regional 2D inversion models indicate that the zone of anomalously high conductivity associated with the DST could extend down to mid- or even lower crustal depths. 216 Abstracts EMP05 Mohnke, O., Yaramanci, U. (TU Berlin) Multiexponentiales Verhalten von Oberflächen NMR Relaxationskurven E-Mail: [email protected] Mit dem geophysikalischen Verfahren der Oberflächen NMR (Surface Nuclear Magnetic Resonance, SNMR oder Magnetic Resonance Sounding, MRS) ist es möglich, durch Oberflächenmessungen direkt auf die Verteilung des freien Porenwassers im Untergrund zu schließen und Informationen über die Verteilung der mittleren Porengröße zu gewinnen. Hierbei werden die Wasserstoffprotonen des Porenwassers durch ein mit der lokalen Larmorfrequenz oszillierendes magnetisches Wechselfeld angeregt. In der Praxis wird dies durch eine an der Oberfläche ausgelegte stromdurchflossene Spule realisiert. Die Intensität der Anregung (Pulsmoment q) steuert dabei die Eindringtiefe des Verfahrens. Durch die Verwendung höherer Pulsmomente wird die NMR Anregung auf größere Tiefenbereiche fokussiert. Nach dem Abschalten des anregenden Pulses wird das durch die Relaxation der um die Achse des Erdmagnetfeldes präzedierenden Wasserstoffprotonen hervorgerufene Magnetfeld mit derselben Spule registriert [1, 2]. Die Amplitude des SNMR Signals ist direkt proportional zur Menge des mobilen Porenwassers (≈ effektive Porosität). Das Abklingverhalten (Relaxationszeit T2∗ bzw T1 ) des Signals ist abhängig von der Porenradienverteilung im Untergrund. Die Signalphase ist neben anderen Einflüssen, wie z.B. Frequenzverschiebungen, Bloch-Siegert-Effekt etc., eine Funktion der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes. SNMR Signale sind daher grundsätzlich von komplexer Natur. Des weiteren zeigen SNMR Felddaten ge- nerell ein multiexponentiales Verhalten, da die Signalanteile aus allen geologischen Einheiten - unterschiedlich gewichtet - zum Gesamtsignal jeder einzelnen Relaxationskurve beitragen. Ein multiexponentiales Verhalten ist somit nicht, wie beispielsweise in der Laboroder Bohrloch NMR, allein im Sinne einer entsprechenden Porenradienverteilung innerhalb der untersuchten einzigen Probe bzw. Volumenelemente zu verstehen, sondern ist vielmehr eine Überlagerung beider Vorgänge. Ein multiexponentiales Verhalten der NMR Relaxation ist darüber hinaus mit einer zeitliche Variation der NMR Phase gekoppelt. Die standardmäßige (eindimensionale) Interpretation von SNMR Daten basiert auf einem monoexponentialen Ansatz [3, 4]. Hierbei werden in zwei Schritten zunächst Amplituden und Abklingzeiten der gemessenen Relaxationskurven (T2∗ bzw. T1 ) angepasst (monoexponential). Basierend auf dieser Anpassung wird dann die eigentliche Inversion der Daten durchgeführt. Dies resultiert jedoch oft in einer nicht optimalen Anpassung der einzelnen Abklingkurven und kann zu Fehlinterpretationen der Ergebnisse von SNMR Sondierungen in Bezug auf Wassergehalt und Relaxationszeiten führen. Ein multiexponentialer Ansatz zur Interpretation von SNMR Sondierungen [5, 6] erlaubt ebenfalls in zwei Schritten eine multiexponentiale Anpassung. Hierbei werden die einzelnen gemessenen Relaxationskurven (Signalbeträge) mit einer vorgegebenen multiexponentialen Verteilung der Abklingzeiten angepasst, z.B. mit vier Abklingkonstanten 50, Elektromagnetik 100, 250 und 450 ms. D.h. für jede Relaxationszeit eines solchen Spektrums wird eine eigene SNMR Sondierungskurve angepasst. Die sich daraus ergebenden (monoexponentialen) Sondierungskurven werden im zweiten Schritt standardmäßig invertiert (s.o.). Die Inversion liefert somit eine tiefen- und Porenradien (≈ Relaxationszeiten) abhängige Verteilung des Porenwassers. Ein solcher Ansatz ist jedoch nur unter der Voraussetzung vernachlässigbar geringer Imaginärteile des SNMR Signals (E(t)komplex ≈ E(t)real ) anwendbar. Da SNMR Signale in der Regel eine hohen Imaginärteil aufweisen, kann dieser Ansatz bestenfalls nur eine Näherung für eine multiexponential Interpretation darstellen. 217 Literatur [1] Shirov, M., Legchenko, A.V. and Creer, G., 1991, A new direct non-invasive groundwater detection technology for Australia. Exploration Geophysics 22, 333-338. [2] Weichmann, P.B., Lavely, E.M. and Ritzwoller, M., 2000. Surface nuclear magnetic resonance with application to geophysical imaging problems. Physical Review E 62(1), Part B, 1290-1312. [3] Legchenko, A.V. and Shushakov, O.A. 1998. Inversion of surface NMR data. Geophysics 63,75-84. [4] Mohnke, O. and Yaramanci, U. 2002. Smooth and block inversion of surface NMR amplitudes and decay times using simulated annealing. Journal of Applied Geophysics, 50, 163-177. [5] Mohnke, O. and Yaramanci, U. 2001. Inversion of decay time spectra from Surface NMR data. Proceedings of 7th Meeting of Environmental and Engineering Geophysical Society (European Section). [6] Lubczynski, M. and Roy, J., 2003. Hydrogeological interpretation and potential of the new magnetic resonance sounding (MRS) method. Journal of Hydrology, 283, 19-40. Wir haben eine Methode zur multiexponentialen Inversion von SNMR Sondierungen entwickelt, welche das multiexponentiale Verhalten der (komplexen) NMR Relaxationskurven vollständig erfasst. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen (s.o.) wird hier die Inversion von Wassergehalt und Abklingzeiten unter Verwendung der kompletten Zeitreihen (E(t, q)) für alle Pulsmomente q in einem Schritt durchgeführt. Nur auf diese Weise ist eine nähehttp://www.geophysik.turungsfreie, den Modellvorstellungen entspre- Webseite: chende Inversion von SNMR Daten möglich. berlin.de/Forschung/Projekte/SNMR/snmr.html Ein solches Vorgehen ist eine wichtige Voraussetzung für: 1. eine quantitative, parametrisch hochauflösende Interpretation der Verteilung von Wassergehalt und Abklingzeiten, insbesondere bei einer nicht zu vernachlässigen Leitfähigkeit des Untergrundes und 2. eine mögliche Implementierung der Phasen (≈ Leitfähigkeitsverteilung) in die Inversion von SNMR Daten. 218 Abstracts EMP06 Rommel, I., Hertrich, M., Braun, M., Yaramanci, U. (TU-Berlin) Bearbeitung von SNMR-Daten zur Verbesserung des Signal/Noise Verhältnisses E-Mail: [email protected] Mit Hilfe des Oberflächen Nuklear Magnetischen Resonanz (SNMR) Verfahrens kann man direkt von der Oberfläche Rückschlüsse auf die Verteilung des freien Wassers und die Verteilung der Korn- bzw. Porengrößen im Untergrund ziehen. An einer Spule an der Erdoberfläche wird ein Wechselstrom mit der Lamorfrequenz ωL angelegt. Über die Dauer der Anregung τ und die Stärke des Stromes i0 kann die Intensität der Anregung (Pulsmoment) und damit die Eindringtiefe des Signals variiert werden. Dabei kommt es zur Anregung und Präzession der Protonen im Untergrund um das geomagnetische Hauptfeld, wobei nach Abschaltung des Anregungssignals eine Wechselspannung mit der Frequenz ωL registriert wird [1]. Die Einhüllende des SNMR-Signal besitzt einen exponentiell abklingenden Charakter (Abbildung 1a). Um die Qualität der Daten, d.h. das Nutzsignal- zu Rauschsignalverhältnis, zu verbessern, werden die Daten mit einer Rate von ca. 70 Einzelmessungen gestapelt. Vor der eigentlichen Registrierung des Signals wird das Rauschen gemessen. Liegt dieser Anteil über einem bestimmten, vorher festgelegten Schwellenwert, werden diese Daten nicht registriert. Die registrierten Daten besitzen noch immer einen relativ hohen Noiseanteil, der vor allem von Hochspannungsleitungen erzeugt wird. Durch geeignete Verfahren sollen nun zusätzlich die registrierten Einzelmessungen bearbeitet und der Noise eliminiert werden. Anhand eines Beispiels wird die Datenbearbeitung illustriert. In den Abbildungen 1b und 1c ist die Verteilung der Amplituden für zwei verschiedene Zeitpunkte mit einer Stapelrate von 66 Messungen dargestellt. Während die Daten von Abbildung 1b annähernd gaußverteilt sind, müssen die Daten in Abbildung 1c bearbeitet werden, damit beim anschließenden Stapeln der Daten der Noiseanteil vermindert ist. Abbildung 1a zeigt die gestapelte Abklingkurve für das erste Pulsmoment (q=148 Ams). Dabei wurden bei den bearbeiteten Daten die größten und kleinsten 10% entfernt. Durch diese Daten wird ein Exponential-Fit gelegt, um sowohl die Anfangsamplitude E0 als auch die Abklingkonstante T2∗ zu erhalten. Nach der Anpassung werden die Anfangsamplituden mit entsprechenden rms-Anpassungsfehlern als Sondierungskurve dargestellt (Abbildung 1d). Hier wurde zunächst die Software mit der linearen Fitting- und Inversionsroutine von Legchenko (1998) verwendet. Die Angabe eines Anpassungsfehlers führt nun zu einer gewichteten Inversion der SNMR Daten. So kann die Zuverlässigkeit des Inversionsergebnisses besser abgeschätzt werden. [1] Yaramanci, U., 2000. Surface Nuclear Magnetic Resonance (SNMR) - A new method for exploration of ground water and aquifer properties, Annali di Geofisica, 43 (6), 1159-1175. [2] Legchenko, A., Valla, P., 1998. Processing of surface proton magnetic resonance signals using non-linear fitting. Journal of Applied Geophysics, 39, 77-83. Elektromagnetik 219 Abbildung 1: a) Abklingkurve und Differenzenkurve zwischen Rohdaten und bearbeiteten Daten für das erste Pulsmoment mit q = 148 Ams. Amplitudenverteilung für b) 76,6 ms und c) 101,48 ms. d) Sondierungskurve der Anfangsamplituden mit Standardabweichung. 220 Abstracts EMP07 Martin, T., Brasse, H. (FU Berlin) Geoelektrische und elektromagnetische Untersuchung einer Eigenpotentialanomalie in der Oberpfalz E-Mail: [email protected] In den neunziger Jahren wurde in der Oberpfalz eine ausgeprägte Eigenpotentialanomalie entdeckt. Die Annahme, dass diese Anomalie mit der bei der Kontinentalen Tiefbohrung (KTB) in Windischeschenbach seismisch entdeckten Störungszone SE1 korreliert, war Motivation einer intensiveren geoelektrischen und elektromagnetischen Studie. Die in unmittelbarer Nähe zur Fränkischen Linie gelegene Anomalie wurde mit der Geoelektrik, dem VLF-R-Verfahren sowie dem Slingram-Verfahren genauer untersucht. Wegen des ausgeprägten topographischen Reliefs wurden auch Höhendaten mit einem Theodoliten aufgenommen. In der Gleichstrom-Geoelektrik wurde mit einer 64-Elektroden Wenner- und Schlumberger-Wenner-Anordnung (Elektrodenabstand a = 5m) gearbeitet. Die aufgenommenen Daten wurden 2-dimensional invertiert. Es zeigt sich, dass sowohl mit dem Wenner-, als auch mit dem WennerSchlumberger-Verfahren diese Anomalie klar als sehr leitfähige Struktur nachgewiesen werden konnte. Sie zeigt spezifische Widerstandswerte von 5 Ωm, hat eine Breite von ca. 5 Metern und reicht beinahe bis an die Oberfläche. Bei dem Very-Low-Frequency-Verfahren mit Widerstandsmessungen (VLF-R) wurde bei drei Sendern (Frequenzen f1 = 18, 4kHz, f2 = 19, 6kHz, f3 = 24, 0kHz) gemessen und ergab nach einer 2-dimensionalen Inversion eine leitfähige Struktur, die jedoch etwas hochohmiger als die der Geoelektrik ausfiel. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Senderichtungen nicht exakt mit der TE- bzw. TM-Mode übereinstimmen und die Frequenzen des VLF-Verfahrens für derart oberflächennahe Anomalien etwas zu hoch sind. In den Slingram-Daten kann man in dem Gebiet der Anomalie einen starken Abfall sowohl in der In- als auch in der Out of Phase in allen vier gemessenen Frequenzen erkennen. Dies deutet schon auf eine ausgeprägte Anomalie hin. Des Weiteren zeigt eine noch andauernde Auswertung mit einem 1dimensionalen Inversionsprogramm ebenfalls leitfähige Strukturen. Die bisher gewonnenen Ergebnisse stehen im Einklang mit früher durchgeführten Messexkursionen, insbesondere auch den Eigenpotentialdaten, und deuten auf eine schmale, erhöht leitfähige Struktur dicht unter der Erdoberfläche hin, die aufgrund der niedrigen Widerstandswerte vermutlich graphitisiert ist. Elektromagnetik 221 EMP08 Pipatpan, S., Blindow, N., Schaumann, G., Bosch, F.P., Miensopust, M., Lange, M.A. (Münster) Erkundung eines Küstenaquifers auf Kreta E-Mail: [email protected] Die ausreichende Wasserversorgung stellt für die Inseln des Mittelmeerraumes aufgrund der Klimabedingungen oft ein großes Problem dar. Die Küstenaquifere können zudem durch Salzwasserintrusionen, insbesondere bei übermäßiger Wasserentnahme, bedroht sein. Messungen im Küstenbereich nahe der Stadt Timbaki im Süden Kretas sollten die Möglichkeiten geophysikalischer Verfahren zur Aquifercharakterisierung aufzeigen. Dabei kamen Transientelektromagnetik, Gleichstromgeoelektrik und Radiomagnetotellurik zum Einsatz, um in Kombination der Methoden aussagekräftige Widerstands-TiefenProfile zu liefern. Die dichte Bebauung des Gebietes mit Gewächshäusern begrenzte die Anzahl möglicher Meßflächen, wovon insbesondere Geoelektrik in Schlumbergerkonfiguration betroffen war. Die Transientelektromagnetik hingegen ließ sich aufgrund der annähernd quadratischen Geometrie und der geringeren Beeinflussung durch Metallzäune usw. trotzdem oft erfolgreich einsetzen. Für die Radiomagnetotellurik stellten sich bereits KunststoffBewässerungsleitungen als störend heraus, was sich eventuell auf die elektrische Leitfähigkeit bei schon leicht salinem Wasser zurückführen läßt. Nach dem derzeitigen Stand der Auswertung können von Salzwasserintrusion betroffene Regionen anhand erniedrigter elektrischer Widerstände vorläufig identifiziert werden. Die Arbeit wird im Rahmen des EUProjektes MEDIS („Towards sustainable wa- ter use on Mediterranean islands: addressing conflicting demands and varying hydrological, social and economic conditions“, Vertragsnr. EVK1-CT-2001-00092) durchgeführt. Webseite: muenster.de/˜pipatpa http://earth.uni- 222 Abstracts EMP09 Müller, M., Yaramanci, U. (TU Berlin) Geschichte und Konzepte kleinskaliger Nuklear Magnetischer Resonanz E-Mail: [email protected] Die Nuklear Magnetische Resonanz (NMR) ist in der Geophysik vor allem aus Bohrlochund Laboranwendungen bekannt. An Kernen bestimmter Atome (z.B. 1 H) beobachtet man den NMR-Effekt, wenn sie sich in einem statische Magnetfeld befinden und dann einem oszillierendem magnetischem Feld ausgesetzt werden. Die angeregten Kerne induzieren dann in einer Empfängerspule ein Signal, dessen Amplitude proportional zur Anzahl der beteiligten Protonen ist und dessen zeitlicher Verlauf Aussagen über den Porenraum ermöglicht. In den vergangen Jahren kam als weitere Anwendung die Oberflächen-NMR (SNMR oder auch Magnetic Resonance Sounding, MRS) für die hydrogeologische Erkundung hinzu. Der große Vorteil der SNMR-Methode liegt darin, daß es die einzige geophysikalische Technik ist, die direkte Informationen über den Wassergehalt oder Porenradien ermöglicht. Diese Besonderheiten lassen SNMR auch als vielverpsrechende Technik in einem breiten Anwendungsbereich der oberflächennahen Geophysik außerhalb der Hydrogeophysik, z.B. in der Grundwasserqualität, Bodenphysik, Dammstabilität/durchfeuchtung oder in der Landwirtschaft (agrogeophysics) erscheinen. Die Erkundungstiefe des einzigen kommerziell erhältlichen Gerätes (NUMIS, Fa. Iris Instruments) reicht von einigen Metern bis hin zu ca. 150 m. Haupthindernis für die oberflächennahe Nutzung ist die minimale Eindringtiefe (Integrationstiefe), die bei mehreren Meter liegt. Zwei weitere Nachteile sind die Beschränkung auf bestimmte Signaltypen und die Nichtverfügbarkeit von Zeitreihen, was eine Signalbearbeitung zur Verbesserung des S/N stark einschränkt. Wir stellen hier kein ausgereiftes technisches Konzept vor, aber vielversprechende Entwicklungspfade für hochauflösende SNMR und begleitende Modellrechnungen. Es gibt vier unterschiedliche NMR Gerätetypen (Spektrometer): 1. Geräte die zur Bestimmung der Präzessionsfrequenz der beteiligten Kerne genutzt werden (wie z.B. in Protonenpräzessionsmagnetometern). 2. Geräte mit denen die physikalischen Eigenschaften der Spins untersucht werden (Frequenzbereichs- oder continous wave Geräte (cw)). 3. Geräte mit denen die physikalischen Eigenschaften von Fluiden im Porenraum untersucht wird (z.B. Wasser in Zellen oder Öl in Gesteinen). Geräte für Relaxationsmessungen (Abklingeigenschaften des Präzessionssignales) arbeiten im Zeitbereich (pulse domain). 4. Geräte zur tomographischen Untersuchung von Proben/Lebewesen (z.B. bei medizinischer Anwendung: magnetic resonace imaging, MRI). Das NMR-Signal ist proportional zur Resonanzfrequenz (Präzessionsfrequenz) ω und proportional zur (Kern-) Magnetisierung, die wiederum proportional zu ω ist. In der Summe ist das NMR-Signal ∼ ω2 (exakt nur ω7/4 wegen Energiesplittingeffekten). Die Vorteile von NMR im Erdmagnetfeld sind seine hohe Homogenität (∼ 10−10 ∗ B0 ) und seine permanente Verfügbarkeit. Die Nachteile sind die relativ kleinen Signale (s.o.) und die damit Elektromagnetik 223 verbundene prinzipielle Unmöglichkeit Fein- Kosten/Gewicht-Verhältnis des Permanentmastruktur aufzulösen. gneten, die aber reduziert werden können, da der Magnet nicht so temperaturstabil wie ein In der Geophysik gibt es bisher nur weniBohrlochtoolmagnet sein muß. 3. Ein Primärge Apparaturen, die den NMR-Effekt nutzen: feld mit einem Elektromagneten generieren Varian hat als erster 1948 den NMR-Effekt (z.B. durch zwei parallele Kabel oder eine genutzt, um durch Messung der PräzessionsSchleife). Die technische Umsetzung ist dabei frequenz die Feldstärke des Erdmagnetfeldes relativ einfach, aber die Modellierung ist aufzu bestimmen. Packard und & Varian haben grund der Inhomogenitäten des Primärfeldes dann 1954 ein funktionsfähiges Spektrometer entsprechend aufwendig. vorgestellt, daß als statisches Feld das ErdZunächst wurde die Machbarkeit des ersmagnetfeld nutzt. In den 60er Jahren hat Vaten Entwicklungspfad untersucht, da dass Gerian bereits vorgeschlagen NMR im Erdfeld rät bereits vorhanden ist und zu Vergleichszur Grundwasserexploration zu nutzen ohne zwecken genutzt werden kann. In einem ersten ein Gerät bauen. Erst 20 Jahre später wurde Schritt wurde dazu eine Empfängerspule entein funktionsfähiges Gerät zur Grundwasserwickelt, um das S/N Verhältnis, das bei kleiexploration von einer Gruppe um Semenov in nen Spulen unweigerlich schlechter wird, zu Novosibirsk nach dem Varian Patent gebaut verbessern. Der wesentliche Unterschied zum (Hydroscope). Es liefert tiefenabhängige InNUMIS-Empfänger besteht vor allem in der formationen über den Wassergehalt und die Nutzung einer Gradiometerspule 1. Ordnung mittlere Porengröße. Das einzige kommerziell und der Anzahl der Windungen. erhältliche Gerät (Numis), basierend auf HyUm die Machbarkeit des Konzeptes zu droscope, wird seit 1996 angeboten. überprüfen, wurden Modellrechnungen für eiZur Weiterentwicklung der SNMR in der ne Spule mit 100 Windungen und 1 m DurchGeophysik bieten sich drei Entwicklungspfa- messer gerechnet. Diese Rechnungen zeide an: 1. Die Miniaturisierung der NUMIS- gen, daß Messungen mit dem NUMIS-Gerät Apparatur, so daß kleinere Spulen benutzt und einem gesonderten Empfängersystem und werden könnnen. Die Vorteile dieses Konzep- kleinen Spulen grundsätzlich möglich sein tes liegen in seiner relativ einfachen techni- sollten. Die berechneten Signale sind allerschen Umsetzbarkeit und der wohldefinierten dings so klein das ein verbessertes Prozessing Explorationstiefe. Der Hauptnachteil liegt in des Signals (z.B. durch digitales Filtern, sedem geringer werdenden S/N Verhältnis auf- lektives Stapeln oder Remote-Reference Vergrund der kleineren Spulen. 2. Das Bohrloch- fahren) zur Rauschunterdrückung notwendig NMR Konzept in den Feldmaßstab zu über- erscheint. Ein getrennter Empfänger könnte führen. Im Bohrloch wird nicht das Erdma- darüberhinaus die Aufnahme von 2D- ond gnetfeld genutzt, sondern ein statisches Feld 3D-Daten für parallele Messungen und sogar 100 Mal größer als das Erdfeld, so daß die Si- Oberfläche-zu-Bohrloch-Messungen ermöglignalstärke deutlich größer ist. Wenn die Struk- chen. tur des Primärfeldes bekannt ist, können zusätzlilche Informationen über die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen gewonnen werden. Der Hauptnachteil sind die (sehr) geringen Eindringtiefen (wenige cm) und das 224 Abstracts EMP10 Helwig, S. L., Bergers, R., Koch, O. (Köln) Entwicklung einer Drei-Komponenten-Empfangsspule für oberflächennahe TEMMessungen E-Mail: [email protected] Bei der Transienten-Elektromagnetik (TEM) ist die „Central-Loop“Anordnung mit der Empfangsspule in der Mitte der Sendespule die wohl meistgenutzte Variante. Die Interpretation derartiger Messungen erfolgt typischerweise durch die Anpassung horizontal geschichteter Erdmodelle an die Messdaten (1D-Inversion). Die Erkundung mehrdimensionaler Strukturen steht im Hintergrund. Ein Nachteil der bisherigen Messpraxis, z die darauf beruht nur die dH dt -Komponente zu messen, ist, dass mehrdimensionale Untergrundstrukturen leicht übersehen werden. Zwar beeinflussen solche Strukturen auch die z Daten der dH dt -Komponente (Goldman et al. 1994, Helwig et al. 1994), die Effekte sind aber nur eindeutig auszumachen, wenn sie sehr extreme Formen annehmen, wie z.B. übersteile Anstiege in der Kurve des scheinbaren spezifischen Widerstands nach der Spätzeitdefinition. Im Fall der Central-Loop Anordnung sind die Horizontalkomponenten ein klarer Indikator für mehrdimensionale Untergrundstrukturen, da sie nur in diesem Fall von Null verschieden sind. Am Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln wird seit langem die Entwicklung von Techniken zur mehrdimensionalen Auswertung und Inversion von TEM Daten vorangetrieben (Hördt 2000, Commer et al. 2003). Für die Anwendung von TEM im oberflächennahen Bereich ist dabei neben der Entwicklung eines 2D-Inversionsalgorithmus auch die Entwicklung eines Drei-KomponentenEmpfangssystems von Bedeutung. Als Basis dient hierbei ein GDP-32 Empfänger der Firma Zonge Engineering mit drei NanoTEM-Einschubkarten. Diese Karten sind für TEM-Messungen im Zeitbereich von etwa einer µs bis zu einer ms ausgelegt und erlauben eine Aufzeichnung mit einer Dynamik von 14 bit (neueres Modell 16 bit). Als Empfangsantenne wird von der Herstellerseite eine einfache Leiterschleife mit einer Wicklung empfohlen. Dabei hat sich für eine Senderfläche von 50 × 50 m2 eine Empfängerfläche von 20 × 20 m2 bewährt. Bei der Messung der Horizontalkomponenten sind Spulen mit 20 m Kantenlänge natürlich nicht einsetzbar. Die Spulen mussten unter Beibehaltung der effektiven Fläche verkleinert werden, sollten starr und im Auto transportabel sein und eine ähnlich hohe Resonanzfrequenz aufweisen wie die bisher eingesetzte Leiterschleife. Als Kompromiss zwischen diesen Forderungen wurden auf quadratische Holzrahmen von 1.1 m Kantenlänge sechs kapazitätsarme Windungen aufgebracht, deren Signal von einem nachgeschalteten symmetrischen Verstärker auf die erforderliche Stärke angehoben wird. Wegen der für TEM-Systeme verhältnismäßig geringen Dynamik des NanoTEMEmpfängers ist es ratsam, jede Messung mit mindestens zwei unterschiedlichen Verstärkungen auszuführen, um so unterschiedliche Amplitudenbereiche des Messsignals auflösen zu können (Gaidetzka et al. 2001). Nach ver- Elektromagnetik schiedenen Testmessungen hat sich herausgestellt, dass der Frühzeitbereich des Signals von etwa einer µs bis zu ca. 30 µs am besten ohne nachgeschaltete Verstärkung aufgezeichnet wird. Das gemessene Signal ist in diesem Zeitbereich auch bei der relativ kleinen Empfängerfläche von 1.1 m × 1.1 m × 6 = 7, 26 m2 groß genug, und es werden Signalverzerrungen durch zusätzliche Laufzeiten im Rückkopplungspfad der Verstärker vermieden. Für den Zeitbereich danach sind diese Verzerrungen nur sehr gering und der Verstärker in der Spule konnte mit einer Filterschaltung kombiniert werden, die große Amplituden zu frühen Zeiten effektiv dämpft. Dadurch lässt sich durch Kombination zweier Messungen eine größere Dynamik erreichen als bisher. z Mit der dH dt -Komponente der neuen Spule gemessene Daten stimmen gut mit Daten überein die mit einer 5 × 5 m2 großen Leiterschleife mit einer Windung gemessen wurden. Tests der Gesamtanordnung, mit drei orthogonalen Spulen, müssen noch durchgeführt werden. 225 Literaturverzeichnis [1] Commer, M., Helwig, S.L., Hördt, A., Scholl, C. und Tezkan, B., 2003, Three– dimensional constrained inversion of LOTEM data from Mount Merapi, Indonesia, including topography: Geophysics, Soc. of Expl. Geophys., submitted [2] Gaidetzka A., Goldman M., Helwig, S.L., and Tezkan B., 2001, Erste Erfahrungen mit der Nanotem Apparatur: in A. Hördt und J. Stoll (Her.) Protokoll über das 19. Kolloquium Elektromagnetische Tiefenforschung, 68-77 [3] Goldman, M., Tabarovsky, L. and Rabinovich, M., 1994, On the influence of 3D structures in the interpretation of transient electromagnetic sounding data: Geophysics, Soc. of Expl. Geophys., 59, 889901. [4] Helwig, S. L., Goldman, M. and Hördt, A.,1994b, Auswertung transient elektromagnetischer Meßdaten aus dem Makhtesh Ramon, Israel, mit mehrdimensionalen Modellen: in K. Bahr und A. Junge (Her.) Protokoll über das 15. Kolloquium Elektromagnetische Tiefenforschung, 416-427 [5] Hördt, A., 2000, Datenorientierte Konzepte zur mehrdimensionalen Interpretation transient elektromagnetischer Messungen: Habilitationsschrift am Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln Elektromagnetik 227 EMP11 Steuer, A., Tezkan, B. (Köln, IGM) Entwicklung neuer Messapparaturen für die Radiomagnetotellurik (RMT) E-Mail: [email protected] In einem von der EU finanzierten Projekt werden zwei verschiedene RMT-Geräte entwickelt. Ein skalares 2-Kanal-Instrument im Frequenzbereich von 10 kHz - 300 kHz ermöglicht die kontinuierliche Erfassung von zwei horizontalen Feldkomponenten (z.B. Ex und Hy ) vom fahrenden Auto oder Boot aus. Ein tensorielles 5-Kanal-Instrument im Frequenzbereich von 10 kHz - 1000 kHz mißt neben den horizontalen Komponenten Ex , Hy , Ey und Hx , zusätzlich die vertikale Magnetfeldkomponente Hz und ermöglicht damit die Berechnung aller Impedanztensorelemente und somit eine 3D-Auswertung. Desweiteren wird in Zusammenarbeit mit der Universität Aarhus ein Software-Paket entwickelt, das verschiedene Auswerteverfahren beinhaltet und die Möglichkeit zur schnellen Auswertung gibt. Aufgrund dem zu erwartenden hohen Datenaufkommen bei dem mobilen Messverfahren und der damit verbundenen längeren Rechenzeit, war die Idee an der Beschleunigung der Vorwärtsrechnung zu arbeiten. Wir haben basierend auf der Born-Näherung einen adaptiven Abbildungsalgorithmus entwickelt (ABFM). Der ABFM-Algorithmus nähert bei kleinen bis mittleren Leitfähigkeitskontrasten die exakte Lösung besser an als die Born-Näherung. Bei großen Leitfähigkeitskontrasten kommt es allerdings zu Konvergenzproblemen. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, Kartierungen – von z.B. Kontaminationen des Bodens – mit der RMT-Methode zu beschleunigen und damit RMT salonfähig für die kommerzielle Anwendung zu machen. Ein weiteres Ziel ist es, 3D-Auswertungen von RMT-Daten zu ermöglichen. Auf dem Poster werden beide neuen Messapparaturen vorgestellt sowie die Ergebnisse von Test- und Vergleichsmessungen gezeigt. 228 Abstracts EMP12 Roßberg, R. (Frankfurt am Main), Beblo, M. (München), Fischer, V., Golden, S., Junge, A. (Frankfurt am Main) Datensammeln – fast ohne Energie: Aufbau des Langzeitdatenloggers Geolore E-Mail: [email protected] Der am Institut für Meteorologie und Geophysik entwickelte Datenlogger Geolore (Geophyical-longtime recorder) unterscheidet sich von kommerziell angebotenen Geräten dadurch, daß er eine extrem niedrige Energieaufnahme besitzt, so daß sich völlig autark Meßsignale über ein Jahr aufzeichnen lassen. Als Datenspeicher wird eine handelsübliche CompactFlash® -Speicherkarte eingesetzt, die gemäß der MS-DOS-Datenkonvention beschrieben wird. Auf dieser werden die Meßdaten in einer Binärdatei abgespeichert. Die Meßdaten werden entweder durch späteres Auslesen mit einem handelsüblichen PCKartenleser oder auch drahtgebunden (z.Zt. über RS232) für die Weiterverarbeitung auf einen PC transferiert. Für den Einsatz im Feld oder auch unter Wasser sind die elektronischen Komponenten in einem robusten wasserdichten Gehäuse eingesetzt (Abbildung 1). Der Datenlogger zeichnet synchron mit 3 (optional 6) Kanälen Spannungsdifferenzen mit einer Auflösung von 24-Bit auf, somit hat man die Gewähr, daß durch Sensordriften der Aussteuerbereich der AD-Wandler nicht überschritten wird. Die Abtastrate ist ab 1 Sekunde auf alle gebräuchlichen Abtastraten einstellbar, der quarzgesteuerte Taktgeber ist temperaturkompensiert, eine optionale Taktsynchronisation ist möglich. Das Gerät ist aus einzelnen austauschbaren und genau spezifizierten Modulen zusammengesetzt. Hierdurch läßt sich das Gerät problemlos mit optionalen Baugruppen erweitern. Durch den Einsatz von modernen Mikroprozessoren ist ein ver- gleichsweise preisgünstiger Aufbau möglich. Beim Geräteentwurf wurde insbesondere darauf geachtet, daß überwiegend handelsübliche Bauteile eingesetzt werden und eine hohe Zuverlässigkeit des Gerätes erreicht wird. Abbildung 1: Die Elektronik des Datenloggers Geolore vor seinem wasserdichten Gehäuse. Elektromagnetik Betriebszeit und Spannungsversorgung Betriebszeit 1 Jahr Spannungsversorgung 8 Monozellen intern, Kapazität: 10Ah (entspricht 1,1mA Jahr) alternativ: 12 V extern, verpolungssicher Anschlüsse Meßeingänge 3 Kanäle (z.B. für 6 E-Feldelektroden),1 Masseelektrode Service Schnittstelle RS 232 Signalgrößen Anzahl der Eingänge 3 Kanäle Amplitude Differentiell, -2 V bis +2 V gegen Gehäuse (Masse) Kanal 1, Kanal 2 Spannung (E-Feldkanäle) Kanal 3 Spannung (weiterer E-Feldkanal oder Temperatursensor) Eingangsfilter 4pol. passiv Auflösung 24 Bit Überlastschutz Transsorbdioden Abtastrate 1, 2, 4, 5, 10, 15, 30, 60 Sek. Abtastfehler 30 s/Jahr = 1 ppm Umgebungsbedingungen Temperatur 0 - 40°C Druck 2 bar (20m Wassertiefe) Elektronische Komponenten Datenpuffer Ringpuffer, 1 MByte IDE-Controller Mit Firmware zum Beschreiben eines Datenträgers CompactFlash® Taktgenerator 1 ppm, temperaturkompensiert Power Eingang: 8 V - 15V Mechanische Komponenten Gehäuse Höhe: 55 cm, Durchmesser: 26 cm mit Befestigungsbügel und Komponententräger Gewicht: 12kg (Elektronikträger 3kg) Sonstiges Dateiformat FAT16 Tabelle 1: Spezifikation des Datenloggers Geolore. Webseite: http://geophysik.unifrankfurt.de/em/geolore/ 229 GD Geodynamik Geodynamik 231 GD01 – Fr.,12.3.,09:30-09:50 Uhr · H0107 Sobolev, S.V., Babeyko, A.Yu., Petrunin, A. (GFZ-Potsdam) Numerical thermo-mechanical models of major transform faults at continents E-Mail: [email protected] We employ a thermo-mechanical numerical modeling technique as well as geological settings of the San Andreas Fault system (SAFS) in California and the Dead Sea Transform (DST) in Middle East to study deformation processes at largest continental transform faults. The SAFS in Northern and Central California is a family of a few branches of subparallel strike-slip faults (located in the 50-100 km wide zone) that accommodate the transform motion between the Pacific and the North America plates and has evolved over the past 20 Myr as the Mendocino triple junction migrated northward along the plate boundary. The DST is a system of a few sub-parallel strike-slip faults located within the narrow (20 km wide) zone at the boundary between the Arabian and African plates, where left-lateral transform motion has largely accommodated the opening of the Red Sea basin during the last 15-20 Myr. Our modelling technique employs simplified 3-D finite element explicit Lagrangian code and operates with realistic visco-elastoplastic rheology of lithosphere, which allows spontaneous localization of deformation. Faults are generated in a self-consistent way due to the strain localization process associated with the strain softening in plastic deformation mode. The modelling suggests that the DST lithospheric structure is controlled by the plate-scale transform displacement within a relatively cold lithosphere. In such a lithosphere, shear strain is localized in a narrow (20-30 km wide) sub-vertical decoupling zone, which crosses the entire lithosphere with one or two major faults located at the top of this zone. The evolution and structure of the SAFS is controlled by thermal processes associated with the migration of the Mendocino triple junction in combination with the low frictional strength of the major faults. The major differences between structure and evolution of the DST and SAFS can be explained by different thermal evolution of the mantle lithosphere of both regions. 232 Abstracts GD02 – Fr.,12.3.,09:50-10:10 Uhr · H0107 Fischer, K. D. (Bochum) Untersuchungen des Einflusses verschiedener Rheologien auf die Deformation der Ägäisch-Anatolischen Platte mit Hilfe numerischer Modelle E-Mail: [email protected] Das regionale Spannungs- und Deformationsfeld im Umfeld eines konvergenten Plattenrandes wird durch eine Vielzahl an Parametern kontrolliert. Neben der Struktur der Platten spielen dabei u. a. die Temperatur, die Rheologie, die geometrischen Randbedingungen und das Überregionale Spannungsfeld eine entscheidende Rolle. Der Einfluss einzelner Parameter kann durch numerische Modellierungen quantifiziert werden. Am Beispiel der Ägäisch-Anatolischen Platte wird durch numerische Experimente mit der Methode der finiten Elemente der Einfluss der Rheologie und anderer freier Modellparameter auf das regionale Spannungs- und Deformationsfeld getestet. Die Berechnungen basieren auf einem dreidimensionalen numerischen Modell, das die umrandete Fläche in Abbildung 1 umfasst. Das Modell besteht dabei aus fünf verschiedenen Bereichen mit unterschiedlichen Materialparametern. Diese Bereiche sind dabei jeweils in die Kruste (30–40 km mächtig) und die Mantellithosphäre (bis zu einer Tiefe von 100 km) unterteilt. Für die Kruste wurde eine elastoplastische Rheologie (Mohr-Coulomb) und für die Mantellithosphäre eine viskoelastische Rheologie zugrunde gelegt. Dieses Modell soll sich unter dem Einfluss der Kollision der Arabischen Platte mit dem Anatolischen Block und der zurückweichenden Subduktionsfront entlang des Hellenischen Bogens deformieren. Dazu wurde am östlichen Rand die Geschwindigkeit der Arabischen Platte vorgegeben. Entlang des Hellenischen Bogens wirkt im Modell eine Zugkraft, die die zurückweichende Subduktionsfront parametrisiert. Die Amplitude dieser Kraft ist dabei ein freier Modellparameter, der so gewählt wird, dass zwischen den beobachteten und den berechneten Geschwindigkeiten eine möglichst gute Übereinstimmung zustande kommt. Anhand der dreidimensionalen numerischen Modellierungen kann gezeigt werden, dass sowohl das Deformations- als auch das Spannungsfeld insbesondere von den gewählten Materialparametern der Kruste im Bereich der Ägäis abhängig sind. Der Bereich der nördlichen Ägäis wird durch starke NordSüd gerichtete Extension geprägt, die durch die nach Westen auffächernde Nordanatolische Störung (NAF) begünstigt wird. Der südliche Teil der Ägäis zeigt ebenfalls eine starke inelastische, irreversible Deformation, die im Zusammenhang mit dem Zurückweichen der Plattengrenze entlang des Hellenischen Bogens steht. Durch Variation verschiedener (weniger genau bekannter) Modellparameter konnte ein best-fit Modell gefunden werden, das sowohl das beobachtete Spannungsfeld als auch die rezenten, komplexen Krustenbewegungen reproduziert. Dazu wird die berechnete Deformation mit beobachteten Plattengeschwindigkeiten aus GPS Messungen verglichen (Abb. 1) und anschließend werden freie Modellparameter iterativ angepasst bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt ist. Es zeigt sich, dass die rezenten Krustenbewegungen nicht allein durch die Kollisi- Geodynamik 233 Abbildung 1: Berechnetes (schwarz) und gemessenes (grau, aus M C C LUSKY et al. (2000)) Geschwindigkeitsfeld relativ zu Eurasien. Die dicken schwarzen Linien zeigen die Plattengrenzen bzw. die Grenzen des Modells. on der Arabischen Platte mit dem Anatolischen Block oder allein durch das Zurückweichen der Subduktionszone erklärt werden kann, sondern dass nur ein ausgewogenes Zusammenspiel beider Prozesse zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führt. Darüber hinaus zeigen sich im Modell aufgrund der schrägen Kollision deutlich Effekte, die sich im asymmetrischen Deformationsbild entlang des Hellenischen Bogens widerspiegeln. Neben dem Deformationsfeld kann das Modell auch das Spannungsfeld der Region rekonstruieren. Dieses ist jedoch nicht mit derselben räumlichen Auflösung und derselben Qualität bekannt wie das Geschwindigkeitsfeld, so dass ein quantitativer Vergleich der Modellierungsergebnisse mit Felddaten nur mit Einschränkungen möglich ist. Numerische Modellierungen können die vorhandenen Felddaten jedoch ergänzen und somit wichtige Hinweise auf den Spannungsverlauf in der Lithosphäre liefern. Literatur McClusky, S., Balassanian, S., Barka, A. et al.: 2000: Global Positioning System constraints on plate kinematics and dynamics in the eastern Mediterranean and Caucasus, Journal of Geophysical Research 105 (B3), 5695–5719. Web page: http://www.geophysik.ruhruni-bochum.de 234 Abstracts GD03 – Fr.,12.3.,10:10-10:30 Uhr · H0107 Hergert, T., Heidbach, O. (Karlsruhe) Modellierung der ko- und postseismischem Bodenbewegungen nach dem Beben vom 23.6.2001 (Mw = 8,4) im Süden von Peru E-Mail: [email protected] Entlang der konvergenten Plattengrenze zwischen der Südamerikanischen Platte und der abtauchenden Nazca-Platte ereignete sich am 23.6.2001 im Süden von Peru ein Erdbeben der Momentenmagnitude Mw = 8,4. Das Hypozentrum lag in etwa 30 km Tiefe. Abbildung 1 zeigt die Verteilung des Versatzes während des Beb ens und die Position der GPS-Permanentstation Arequipa. Auf das Beben folgt eine bis heute anhaltende postseismische Bodenbewegung in Richtung des koseismischen Versatzes. Als Ursache für postseismische Bewegungen kommen in erster Linie afterslip und die Relaxation der koseismisch induzierten Spannungsänderungen durch Kriechbewegungen in Frage. Ziel der Arbeit ist, die beobachtete ko- und postseismische Bodenbewegung an der GPSStation Arequipa mit der Finite-ElementeMethode zu modellieren. Hierzu wird ein 2D-Modell aufgebaut, dessen Profilschnitt senkrecht zum Streichen der Herdfläche orientiert ist und die GPS-Station enthält (Abb.1). Das Modell besteht aus Oberkruste, Unterkruste, Mantel und der abtauchenden Nazca-Platte. Das Erdbeben wird als Versatz entlang einer Kontaktfläche simuliert, wobei Neigung, Tiefenlage und Länge der Herdfläche, sowie der Versatz auf der Herdfläche sich an veröffentlichten Werten orientieren. Diese sind so gewählt, dass der modellierte koseismische Versatz an der GPS-Station mit dem beobachteten Versatz übereinstimmt. Die Unterkruste sowie der obere Mantel werden duktil angesetzt, wobei die Parameter, die das Dislokationskriechen oder Diffusionskriechen beeinflussen, temperaturabhängig vorgegeben werden. Die ersten Modellergebnisse in Abbildung 2 zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Modell und GPS-Daten. Die postseismische Bewegung hängt dabei maßgeblich von der Wahl der beteiligten Gesteine, deren Wassergehalt und der Temperaturverteilung ab. Geodynamik 235 Abbildung 1: Verteilung des Versatzes auf der Herdfläche (Beben vom 23.6.2001, Mw=8.4) (Kikuchi und Yamanaka, 2001) und Position der GPS-Permanentstation Arequipa. Abbildung 2: Beobachtete und mit Finiten Elementen modellierte Bodenbewegung an der GPS-Permanentstation von Arequipa. 236 Abstracts GD04 – Fr.,12.3.,10:30-10:50 Uhr · H0107 Jansen, F., Dr. Hergarten, St. (Bonn, Universität Bonn, Geologie, Abt. Geodynamik) Ansatz eines 3-dimensionalen Modells zur Erweiterung des OFC-Modells E-Mail: [email protected] Das Auftreten von Erdbeben unterschiedlicher Größen folgt einer Potenzgesetzverteilung, was bekannt ist unter dem Begriff des Gutenberg-Richter-Gesetzes. Ein theoretisches Modell, das diesen Zusammenhang sehr gut reproduziert, ist das sogenannte OFC-Modell. Es modelliert tektonische Reibungsflächen als System von Blöcken, die elastisch miteinander wechselwirken. Zusätzlich wirkt auf jeden Block die Reibungskraft bzgl.der unterliegenden, ruhenden Gesteinsschicht. Diese Annahmen führen zu einer diskontinuierlichen Bewegung der betrachteten Blöcke. Diskontinuierliche Bewegungen treten in der Natur auch an anderer Stelle auf. Ein Beispiel für Objekte, deren Bewegung ebenfalls diskontinuierlich erfolgen könnte, bilden die Blockgletscher. Die Frage, ob deren Bewegung von Diskontinuität oder Fließen geprägt ist, lässt sich noch nicht eindeutig beantworten. In Erweiterung des 2-dimensionalen OFCModells wird ein 3-dimensionales Modell entwickelt, dessen Anwendbarkeit auf die Mo- Abbildung 1: 3-dimensionale Erweiterung des OFC-Modells dellierung der Dynamik von Blockgletschern untersucht werden soll. Abbildung 1 zeigt ein Bild der zu Grunde liegenden Modellannahme. Erste Ergebnisse der Untersuchung dieses 3-dimensionalen Modells zeigen sowohl Ähnlichkeiten als auch Unterschiede zu denen des OFC-Modells. Geodynamik 237 GS05 – Fr.,12.3.,11:10-11:30 Uhr · H0107 Tassara, A. (Berlin, FU), Babeyko, A. (Potsdam, GFZ), Hackney, R. (Berlin, FU), Götze, H-J. (Kiel, CAU), Lucassen, F. (Potsdam, GFZ) Quantitative interpretation of elastic thickness estimates: two examples across and along the Andean continental margin E-Mail: [email protected] We present a simple approach for the quantitative interpretation of effective elastic thickness (EET) estimates on continents. Like previous authors, we assume that the potential mechanical behaviour of the lithosphere can be described by its Yield Strength Envelope (YSE). The yield strength is the maximum stress potentially supported by a material in an elastic way, i.e. without deforming permanently. At a given depth, this threshold is defined by experimentally determined flow laws for brittle failure and thermally activated ductile creep. To fully describe the YSE at a given point below the surface, it is necessary to define the lithospheric structure (thickness and material composing crustal and mantle layers), the temperature distribution with depth and the strain rates. We approximate the external stress affecting the lithosphere by a constant value. In this context, a theoretical EET is calculated according to the formula EET = (ΣEETi3 )1/3 , where EETi is the thickness of the ith layer at which the applied external stress is lower than the internal yield strength. This theoretical value can be compared against independent estimates of EET in order to quantify the influence of lithological and thermomechanical factors in the mechanical behaviour of the lithosphere. We have used this approach to perform a quantitative interpretation of EET estimates reported for the western active margin of South American. Two profiles are considered (Fig. 1): (a) an EW profile at 20°S from the oceanic trench to the Altiplano Plateau, and (b) a NS profile between 12° and 47°S running along the axis of the Andes. Considering an external stress of 50 MPa, these exercises can be summarized as follow: (Fig. 1a) The range of EET estimated between 12° and 23°S is 75–50 km between the trench axis and the coastline (x=110 km) and lower than 10 km from the Western Cordillera (volcanic front), across the Altiplano toward the Eastern Cordillera. This first-order tendency has been reproduced relatively well assuming that: 1) the lithospheric structure is characterized by a weak and thick quartzitic crust below the Altiplano which is separated from a tonalitic forearc through a crustal scale triangular zone, 2) 2D thermal structure is defined by the subduction model proposed by Springer (1999, Tectonophysics V306, p. 377), 3) the forearc wedge in the triangular zone deforms at very low strain rates. These points are supported by independent geoscientific information and they suggest important conclusions about the geodynamic interaction between the subducted slab, the forearc and the continental plateau. (Fig. 1b) Along the Central Andean orogen (i.e. between 12° and 34°S) EET estimates are lower than 15 km and then increase to values higher than 35 km in the southern part of the Southern Andes. To interpret this NS trend we assume that: 1) thermal structure is defined by a linear geotherm that depends on thermal conductivity and surface heat flow, a 238 Abstracts Figure 1: Shaded topo-bathymetry image of the Central and Southern Andes and profiles, along which EET estimates are interpreted. (a) and (b) are discussed in the text. parameter reported by other authors, 2) strain rates have been estimated from non-seismic GPS velocities and averaged geological deformation rates, 3) using a one layer weak quartzite crust, EET estimates along the Central Andes can be well reproduced, but a diabase plagioclase-rich crust is necessary to explain high EET of the Southern Andes. This along-strike variation in crustal structure is supported by independent data (e.g. unpublished isotopic data) and implies that inherited differences in the crust dominate the segmented nature of the Andean margin. Finally a rheological NS profile, showing the depth extent of brittle, elastic and ductile regimes along the Andean orogen, has been constructed (Fig. 1b right). Geodynamik 239 GD06 – Fr.,12.3.,11:30-11:50 Uhr · H0107 Förster, H.-J. (Universität Potsdam), Förster, A. (GeoForschungsZentrum Potsdam), Oberhänsli, R. (Universität Potsdam), Stromeyer, D., Sobolev, S.V. (GeoForschungsZentrum Potsdam), DESERT (Potsdam) The thermal field of the Arabian plate east of the Dead Sea Transform: implications from lithosphere composition and heat flow E-Mail: [email protected] Knowledge of the thermal state of the lithosphere is essential for understanding the complicated geodynamic setting, which gave rise to the Dead Sea Transform (DST). The key question addressed in the multinational DESERT project is the understanding of the driving forces for the formation of this deep structure, i.e., why the DST formed, when the DST started to form, and why it is formed just where it is. The DST extends from the northern tip of the Red Sea, where the Arabian plate separates from the Africa plate, to the Alpine convergence zone in the Taurus Mountains. It forms the boundary between the Arabian plate and the Sinai sub-plate, which is an appendage of Africa, and is one of the several plate boundaries and active rifts which formed since midCenozoic times. The 1000-km-long DST accommodates a total left lateral motion of about 105 km, which may have begun 18-16 Ma ago (Garfunkel and Ben-Avraham, 1997). The origin and movement of the DST is accompanied by widespread mafic volcanism during Neogene to Quaternary. The magmatic activity resumed in this region is thought be related to the complex tectonics associated with the opening of the Red Sea-Gulf of Aden and the activity of the Afar mantle plume (Wilson et al., 2000). Recent studies of the basaltic volcanism, however, do not support the idea that the Afar plume has been channeled northwestwards beneath the Arabian plate and has played a significant role in producing the Jordan/Israel intraplate volcanism (Shaw et al., 2003). The DESERT sub-projects “petrology” and “geothermics”, which heavily depend on each other and take advantage of the great wealth of geophysical data obtained in interrelated subprojects, are aimed to (1) delineating a lithosphere model with regard to composition, radiogenic heat production, and thermal conductivity, (2) determining the surface heat flow, (3) estimating the recent P-T conditions in the upper mantle from xenoliths entrapped in the young basalts, and (4) relating this T information to a steady-state geotherm. In a first stage, the regional focus was the lithosphere east of the DST, i.e., beneath Jordan. Available petrological and geophysical data imply that the upper 10 kilometers of the 19km-thick upper crust are mainly composed of sediments and granites/granodiorites with intercalated metamorphic rocks, while the lower part is, on average, monzodioritic yielding a bulk density of 2.7 x 103 kg/m3 (derived from gravity modeling). The ∼18-km-thick lower crust is variable with respect to texture, mineralogy, and geochemistry and has a mean density of 2.9-3.0 x 103 kg/m3 . The major portion is built up of plagioclase-rich mafic granulites, with the remaining 5-7 km comprising two-pyroxene mafic granulites. Various peridotites form the lithospheric mantle. The lithosphere beneath Jordan shows a 240 Abstracts common radiogenic heat production (A). Amean in the uppermost mantle ranges from 0.02 ± 0.01 µW/m3 (NE Jordan) to 0.03 ± 0.01 µW/m3 (central Jordan) and matches the global average of 0.03 µW/m3 (Rudnick, 1998). Amean in the lower crust (plagioclaserich mafic granulite: 0.09 µW/m3 ; pyroxenerich mafic granulite: 0.03 µW/m3 ) closely resembles the worldwide average of 0.18 µW/m3 (Rudnick and Fountain, 1995). Heat production in the upper crust averages 1.18 µW/m3 for metamorphic rocks and 1.88 µW/m3 for igneous rocks. Highest values are observed in alkali-feldspar granites (3.66 µW/m3 ). Table 1 lists the simplified 3-layer petrological model for the Jordan lithosphere and the thermal parameters (thermal conductivity=TC and heat production=A), on which the geotherm calculations are based. Distinct from most other shields is the low average TC of the lower crust (1.7 vs. 2.3 W/m/K) measured in xenolith samples, which is reflection of its plagioclase-rich composition. The most critical parameter in geotherm calculation, which stills needs substantiation, is the surface heat flow QS . Our preliminary estimate for Jordan is on the order of 60 mW/m2 . Additional high-precision temperature measurements in deep boreholes have been completed in October 2003 and are currently under evaluation. The calculation of steady-state geotherms using surface heat flows of 50 and 60 mW/m2 yield Moho temperatures of resp. 600 o C and 840 o C, and mantle heat flows of 22 and 32 mW/m2 . Both these temperatures do not match the recent xenolith P-T field for central Jordan (850– 1050 o C, 1.2–1.8 GPa), which argues for transient conditions in connection with thermal perturbations owing to lithosphere thinning. Our data for Jordan are in strong contradic- tion to what is implied from the most recent geotherm for the Dead Sea area in Israel (Aldersons et al., 2003). This geotherm, starting from QS = 40 mW/m2 , suggests a considerably colder lithosphere west of the DST, with a Moho temperature as low as 390 o C. The significance of this geotherm is questioned because it cannot explain the absence of earthquakes generated in the uppermost mantle, underestimates the xenolith P-T field for Israel by around 500 o C, and did not consider the P-T dependence of rock thermal conductivity. In conclusion, our data for the area east of the DST argue for an already thermally weekend crust beneath Jordan. The bulk of the transient heat associated with the onset of the DST, however, has not yet reached the surface and is stuck somewhere at the mantle/crust boundary according to thermomechanical modeling. Depth (km) 0–19 20–37 38–75 Main Rock Type Pan-African igneous and metamorphic rocks Pan-African plag-rich mafic granulites Peridotites TC (W/m/K) 2.6 1.7 4.1 A (µW/m3 ) 1.4 0.1 0.03 Geodynamik 241 GD07 – Fr.,12.3.,11:50-12:10 Uhr · H0107 Stemmer, K., Harder, H., Hansen, U. (Universität Münster, Institut für Geophysik) Thermische Konvektion in einer 3D Kugelschale mit stark temperaturabhängiger Viskosität E-Mail: [email protected] Numerische Modelle zur Mantelkonvektion der Erde und anderer Planeten werden auf Grund der erheblich steigenden Computerleistung der letzten Jahre immer realistischer. Dreidimensionale Berechnungen von Konvektionsströmungen in einer Kugelschale bleiben trotz massiver Parallelisierung äußerst aufwendig. Viele Modelle basieren auf einem spektralen Ansatz, welcher sich wegen der sphärischen Geometrie und der hohen Rechengenauigkeit anbietet. Ein großer Nachteil dieser spektralen Modelle ist die Beschränkung der Strömung auf konstante oder tiefenabhängige Fluideigenschaften und die wenig effektive Parallelisierbarkeit. Jedoch ist für den Erdmantel bekannt, dass die Viskosität stark von der Temperatur abhängt, also eine lateral variabele Größe ist. Dieser Umstand ist vermutlich prägend für die Mantelströmung, bleibt aber in bisherigen Modellen unberücksichtigt. Wir entwickeln ein numerisches Modell, basierend auf der Finiten Volumen Methode, welches die Simulation von Konvektion in einem Fluid in einer Kugelschale mit stark temperaturabhängiger Viskosität ermöglicht. Basales und internes Heizen werden betrachtet, wobei die Viskosität mit der Temperatur nach einem linearisierten Arrhenius Gesetz variiert. Die beschreibenden Gleichungen liegen in kartesischer Formulierung mit primitiven Variablen (T, v, p) vor. Die Differentialgleichnungen werden mittels der finiten Volumen Methode diskretisiert. Die Kugelschale ist topologisch in sechs Würfeloberflächen unter- teilt mit einer beliebigen Aufteilung in radialer Richtung. Obwohl dieses unregelmäßige Gitter im numerischen Sinne schwierig zu behandeln ist, weist es mehrere entscheidene Vorteile auf. Es treten keine Singularitäten an den Polen auf (vgl. sphärische Koordinaten), voll implizite Zeitschrittverfahren durch die Finite Volumen Diskretisierung sind realisierbar und die räumliche Gebietszerlegung ist besonders effektiv für eine massive Parallelisierung (vgl. spektrale Verfahren). Um die Massenerhaltung in einer inkompressiblen Strömung zu gewährleisten, wird eine Druckkorrektur mir dem SIMPLER Verfahren angewendet. Wir haben numerische Berechnungen eines thermisch konvektierenden Boussinesq Fluid bei unendlicher Prandtl-Zahl in einer Kugelschale durchgeführt und dabei den Viskositätskontrast und die Art der Heizung (basal/intern) variiert. Die radiale und laterale Strömungsstruktur und der Wärmefluss ändern sich deutlich mit steigendem Viskositätskontrast. Drei verschiedene Konvektionsregime werden je nach Stärke der Konvektion und Größe des Viskositätskontrastes beobachtet. Je nach Beweglichkeit der obersten Schicht, dem sogenannten Deckel (engl. lid), können die verschiedenen Regime nach mobile-, sluggish- und stagnant-lid klassifiziert werden, in Anlehnung an die bewegenden Platten an der Erdoberfläche. Webseite: http://earth.unimuenster.de/geodynamik/ 242 Abstracts GD08 – Fr.,12.3.,12:10-12:30 Uhr · H0107 Müller, K., Schmeling, H. (IMGF, Universität Frankfurt a. M.) Kanalisierung von Schmelze über Plumes und unter MOR’s E-Mail: [email protected] Wir untersuchen den Schmelztransport in partiell geschmolzenen Gesteinen unter verschiedenen Spannungszuständen über Plumes und unter MOR’s unter wassergesättigten und trockenen Bedingungen. Wir modellieren diesen Prozess mit dem 2D-FD Code FDCON [1] mit Hilfe einer porösen deformierbaren Matrix mit Schmelze. Die Fragestellungen sind: Kann eine zufällig verteilte Schmelze allein durch ein vorgegebenes Spannungsfeld Kanäle ausbilden? Welche Ausrichtung und Wachstumsrate werden diese haben? Ist hierdurch eine Fokussierung von Schmelze hin zum MOR möglich? Gibt es Unterschiede in Form, Größe und Ausrichtung der Kanäle bei einfacher bzw. reiner Scherung? Wie verhält sich die Kanalisierungsinstabilität bei endlichen Dehnungen? In einem sich deformierenden partiell geschmolzenen Gestein wird die Matrix aufgrund der Schmelze niederviskoser. Dieser Zusammenhang erzeugt wie folgt eine Instabilität: Regionen erhöhter Schmelzkonzentration sind Regionen geringerer Viskosität und niedrigem Drucks. Der Druckgradient, welcher zwischen den erhöhten und erniedrigten Regionen herrscht, drückt die Schmelze in Regionen erhöhter Schmelzkonzentration. Dies führt zu einer weiteren Erniedrigung der Viskosität und des Drucks der Region mit erhöhtem Schmelzanteil. Dieser Prozess ist selbstverstärkend [2]. Untersuchungen der Schmelzakkumulation an Modellen, die eine zufällige Schmelzverteilung von 3.5 ± 0.5% aufweisen, zeigen, daß sich die Schmelze bevorzugt in parallel ausgerichteten Kanälen ansammelt. Sowohl für einfache wie auch rei- ne Scherung ist die Wachstumsrate für Kanäle, welche parallel zur Richtung der maximalen Kompressionspannung sind, am größten. Weiterhin ist die Wachstumsrate umgekehrt proportional zur „Schmelz Retention Zahl“ Rtn ≈ ηmelt h2 /ηmatrix . Diese Ergebnisse stimmen mit den theoretischen Wachstumsraten von Stevenson [2] überein. In unseren isothermen Modellen zeigt sich, daß Wasser die Wachstumsrate herabsetzt. Dies steht im Gegensatz zu den thermischen Modellen von Hall [3]. Bei einfacher Scherung entwickeln sich bei einer zufällig verteilten Schmelzkonzentration Schmelzkanäle in 45 Grad zur Richtung der Scherung. Geht man zu finiten Dehnungen über, so drehen sich diese Kanäle aus der optimalen Richtung heraus und einige zerfallen. Die resistenten Kanäle weisen eine Orientierung auf, welche um einige Grad von der Richtung der maximalen Kompressionsspannung abweichen. Weitere Untersuchungen sollen dieses Verhalten klären. Ebenfalls soll untersucht werden, welchen Einfluss die initiale Ausrichtung, Größe und Amplitude der Perturbation auf die Wachstumsrate und die Ausrichtung der Kanäle hat. Referenzen [1] H. Schmeling. Partial melting and melt segregation in a Convecting mantle. Physics and chemistry of partially molten rocks; N. Bagdassarov and D. Laporte and A. B. Thompson, Kluwer Academic Publishers, 141-178, 2000 [2] D.J. Stevenson. Spontaneous smallscale melt segregation in partial melts undergoing deformation. Geophys. Res. Lett., Geodynamik 16(9):1067-1070, 1989 [3] C.E. Hall and E.M. Parmentier. Spontaneous melt localization in a deforming solid with viscosity variations due to water weakening. Geophys. Res. Lett., 27:9-12, 2000 Webseite: http://www.geophysik.unifrankfurt.de/geodyn/geodyn.html 243 244 Abstracts GD09 – Fr.,12.3.,12:30-12:50 Uhr · H0107 Buske, M., Christensen, U. (MPAe, Katlenburg-Lindau) Dreidimensionale Evolutionsmodelle der Mantelkonvektion im Mars E-Mail: [email protected] Auf dem Mars sind Vulkanismus, tektoni- ändert wird und wie diese Parameter sich auf sche Aktivitäten und Anomalien im Schwere- das Ausbilden der Lithosphäre und deren Difeld weitgehend auf einen Bereich, die Thar- cke auswirken. sis Region, beschränkt, was auf besondere sich von der Erde unterscheidende Konvektionsformen im tiefen Marsmantel schließen lässt. Die Beobachtungen legen nahe, dass das Konvektionsmuster im Mars von vielleicht nur einem Plume unter der Tharsis Region dominiert wird. Ein solches Muster wird auch in numerischen Modellen für den Mars gefunden, wenn die endotherme Phasengrenze zum Perowskit, die im Mars knapp über der KernMantelgrenze stattfinden könnte, berücksichtigt wird. In erweiterten 3-D Evolutionsmodellen werden neben der endothermen Phasengrenze zum Perowskit nun auch die exothermen Phasengrenzen im Spinellfeld simuliert. Die Lage der Phasengrenzen ist in diesen Modellen zeitlich variabel und hängt von den aktuellen Druck- und Temperaturbedinungen ab. Zusätzlich zu der tiefen- und temperaturdominierten Viskosität wird die Tiefenabhängigkeit des thermischen Ausdehunungskoeffizienten α sowie die Tiefen- und Temperaturabh% ängigkeit der thermischen Leitfähigkeit λ berücksichtigt. In allen Modellen wird die Temperatur des Kerns durch die Wärmeabgabe an den Mantel bestimmt, so dass das Abkühlen des Kerns während der Evolution mit modelliert wird. Es wird untersucht, welchen Einfluss die zusätzlichen Phasengrenzen auf das Konvektionsmuster haben, wieweit es durch die Tiefenund Temperaturabhängigkeit von α und λ ver- Geodynamik GDP01 Niehuus, K., Schmeling, H. (IMGF Frankfurt a.M.) Geodynamische Interpretation zeitlicher Geoidvariationen E-Mail: [email protected] Die räumliche und zeitliche Variation der hochaufgelösten Schwere- oder Geoiddaten der GRACE Satellitenmission sowie die dynamische Topographie werden für aus seismischen Tomographiedaten abgeleitete Dichteund Viskositätsverteilungen des Erdmantels durch Strömungsmodelle untersucht und angepasst. Durch Advektion des Dichtefeldes werden die zeitlichen Änderungen des Geoids und der dynamischen Topographie berechnet. Wir untersuchen die Möglichkeit der Identifizierung solcher Manteldynamikprozesse im Rahmen der Auflösung der GRACE-Daten, um Aussagen über Effekte der Manteldynamik für einzelne Regionen und die zeitliche Änderung der einzelnen harmonischen Koeffizienten zu treffen. 245 246 Abstracts GDP02 Mihálffy, P. (J. W. Goethe-Universität, Frankfurt am Main), Steinberger, B. (Japan Marine Science and Technology Center, Yokosuka-shi), Schmeling, H. (J. W. Goethe-Universität, Frankfurt am Main) Plume-ridge interaction in the North Atlantic influenced by large-scale mantle flow E-Mail: [email protected] We have investigated the plume-ridge interaction with the realistic geometry of the Iceland plume and the mid-Atlantic ridge. A model of the large-scale mantle flow field is used to investigate how the plume becomes distorted in a global flow field. The plumeridge interaction is studied in a regional model with time-dependent plume and ridge position for the last 60Ma, and temperature-dependent viscosity. At 32Ma time a ridge jump occurs. We estimate the possible role of the plume contribution to the ridge jump. Our modelling approach consists of two steps: First, the large-scale mantle flow field is calculated in a global model in the whole mantle. The flow is driven by time-dependent surface boundary conditions and internal density heterogeneities derived from seismic tomography. Using time dependent boundary conditions and advecting the density anomalies, a time dependent global mantle flow field is obtained for the last 60 Ma. An initially vertical, buoyant plume conduit is advected in this mantle flow field to determine the large-scale movement of the plume. In the second step the interaction of the plume and the ridge is investigated in a 3D cartesian model of the upper mantle. In this regional model, the previously calculated global mantle flow field is used as a background flow. The coupling between the 2 models is achieved in terms of boundary conditions derived from the global model and prescribed in the regional model. These resulted in a sim- ilar flow pattern inside the regional model as in the global one. The plume is introduced by a perturbation of the thermal boundary condition on the bottom at 60Ma time. The movement of the plume in the global model at the 660km discontinuity is used to change the location of this perturbation in time. In both models, a surface velocity boundary condition that represents sea-floor spreading is used. Magnetic anomalies of the ocean floor are used to calculate detailed ridge geometry and evolution and to produce this surface velocity field with higher accuracy. This reconstruction includes ridge migration and a ridge jump. In the regional model, the equations of thermal convection are solved for temperature and depth-dependent viscosity. We found that - The computed location of the lower part of the Iceland plumehead at 32 Ma is beneath the ridge location after the ridge jump. Thus, the plume may have contributed to causing the ridge jump. - Channeling of plume material along the ridge requires continous material transport to the ridge over substantial time. The phenomena of ridge-feeding is also influenced by the large-scale mantle flow field. Ridge feeding starts, when the plume-ridge distance falls below 300km. Geodynamik 247 GDP03 Hopper, J.R. (Kiel, GEOMAR), Nielsen, T.K. (Copenhagen, Maersk Oil), Phipps Morgan, J. (Kiel, GEOMAR) Magmatic processes and continental breakup, preliminary model results E-Mail: [email protected] Mid-ocean ridge accretion generates remarkably uniform crust, placing a powerful constraint on the state of the upper mantle. Models invoked to explain melt anomalies associated with volcanic rifted margins and other large igneous provinces must be consistent with what is known based on mid-ocean ridge studies. A successful model of volcanic margin formation should be able to produce a single transient pulse of excess magmatism followed by steady-state plate driven oceanic crustal accretion. To assess under what conditions buoyantly driven upwelling or smallscale convection at rifted plate boundaries is important, we employ a fluid-dynamical model with non-Newtonian viscosity that includes the feedback from melting on the physical properties of the mantle. Melting affects both the buoyancy and viscosity of the mantle, and may facilitate a transition to other creep mechanisms by enhancing grain boundary sliding. The model shows that some smallscale convection can occur. However, models that evolve into steady-state oceanic accretion show only modest excess melt productivity . In general, models that generate high magmatic productivity at breakup require a viscosity and density structure that also leads to excessive time dependence and/or anomalously high productivity long after breakup. Assuming an abrupt change in lithospheric thickness to enhance convective instabilities does not fundamentally alter this conclusion. This so called edge-driven convection occurs to deep to add significantly to melt productivity. In models that include a dehydration induced viscosity increase, the problem is exacerbated by suppressing buoyant upwelling above the depth to the dry solidus thereby restricting shallow flow to plate drive upwelling. The model can be used to quantify the spatial and temporal scales of anomalous volcanism associated with continental breakup under a variety of different assumptions about the viscosity and density structure of the upper mantle. In this abstract, we show results from calculations under a variety of assumed conditions and discuss the implications in terms of explaining key observations from volcanic rifted margins. 248 Abstracts GDP04 Petrunin, A., Sobolev, S. V., Babeyko, A. (GeoForschungsZentrum Potsdam), Garfunkel, Z. (Herbew University, Jerusalem) Thermo-mechanical modelling of the dead sea transform: main controls and big picture view E-Mail: [email protected] The Dead Sea transform system (DST) is the boundary between the Arabian and African plates, where left-lateral transform motion has largely accommodated the opening of the Red Sea basin during the last 15-20 My. The transform motion along the DST was accompanied by the uplift of the large portion of the Arabian plate at the right flank of the DST. We use the internally consistent finite element 2½ D thermo-mechanical modelling technique to study factors controlling localization and partitioning of the strain during strike-slip lithospheric-scale deformation and to design ’big picture? model of the DST explaining also uplift of the Arabian Shield. To study factors controlling localization and partitioning of the strain the strike-slip deformation is applied to the 3-layerd lithosphere with either lithological (thick crust) or thermal (thin lithosphere) heterogeneity or both. The rheological models for each rock type are either Mohr-Coloumb elasto-plastic with strain softening, simulating deformation of the brittle material, or non-linear temperaturedependent visco-elastic in the ductile deformation regime. Temperature at the lower boundary is 1300°C. These numerical experiments show that localization of the strike-slip deformation in the lithosphere is mainly controlled by its temperature (localization in the hottest parts) and thickness of the crust (localization in the thickest part of the crust). Pre-existing weak faults in the upper crust play only minor role in the localization of the strike-slip deformation in the thick and cold lithosphere. To explain evolution of the DST and simultaneous uplift of Arabian Shield we used a ’big picture’ model. The strike-slip deformation is applied to the 3-layerd lithosphere with the structure constrained by seismic observations. The lithosphere which is thicker in the eastern part is underlined by the asthenosphere. Bottom boundary and side boundaries of the asthenosphere are open. The rheological models for each rock type are either Mohr-Coloumb elasto-plastic with strain softening, or nonlinear temperature-dependent visco-elastic in the ductile deformation regime. At zero time the off-plain velocity 0.6 cm/year is applied to the upper 50 km of the lithosphere at the right boundary, while the left boundary remains fixed. We also apply small fault perpendicular extension. Simultaniously the hot material is injected into the asthenosphere. The excess temperature of the incoming hot material relative to the initial asthenospheric temperature and velocity of the fault perpendicular extension are model parameters. Preliminary results of the modeling of the interaction of the hot asthenospheric material (100°C-200°C) with the lithosphere show that the hot material (Afar plume related?) may rapidly erode initially thicker lithosphere below the Arabian Shield generating asymmetric uplift at the DST. Note also that strike-slip deformation in the upper crust first takes place in relatively broad area, but then localizes at Geodynamik two major faults. In the lower crust and mantle lithosphere the deformation goes on within ca. 30 km wide zone, which extends to the bottom of the lithosphere. ?Big picture? models confirm that fault perpendicular extension at the DST in the Arava Valley must have been small (some 2 km). The model has also provided explanation for most of the lithospheric structures observed at the DESERT line, including small flexure at the Moho below the Arava Valley, major features of the topography and faults distribution it the Arava Valley anisotropic structure of the crust and mantle and asymmetric reflectivity of the lower crust. 249 250 Abstracts GDP05 Kock, I., Huhn, K. (RCOM Bremen) Numerische Simulation von gravitativen Masseströmen an passiven Kontinentalrändern E-Mail: [email protected] Hochproduktionsgebiete wie beispielsweise der nordafrikanische Kontinentalrand sind gekennzeichnet durch hohe Sedimentationsraten. Das eingetragene Material wird größtenteils im Bereich des oberen Hanges abgelagert und anschließend durch episodisch auftretende gravitative Massenströme hangabwärts transportiert. Es treten dabei verschiedene Transportmechanismen auf, z.B. blockartige Rutschungen, laminar strömende Debris Flows sowie Turbiditströme. In verschiedene Studien konnten bereits Parameter als signifikanten Steuergrößen für diese Transportprozesse identifiziert werden, beispielsweise die Hangneigung und die Kohäsion,sowie die Verteilung der Reibungseigenschaften und der Porendrücke innerhalb des abgelagerten Sedimentpakets. Ziel unserer Untersuchungen ist es, erstmals auch quantitativ die Bedeutung einzelner Steuerfaktoren, speziell der basalen Reibung an der Rutschungsbasis, der internen Reibung des Sediments sowie der Kohäsionseigenschaften und der Porositätsverteilung zu analysieren. Wir untersuchen dabei deren Einfluss auf die Destabilisierung des Hanges selbst sowie die Dynamik und Kinematik des hangabwärts gerichteten Massenstroms. Für diese Parametersensitivitätsstudien kommt die Diskrete Elemente Methode (DEM) – ein numerisches Simulationsverfahren, zum Einsatz. Die DEM basiert auf der Betrachtung granularer Materialien. Diese werden aus diskreten Partikeln beliebiger sphärischer Geometrie, beispielsweise Scheiben, Kugeln oder Zylindern, aufgebaut. Die Teilchen interagieren an ihren gemeinsamen Kontaktpunkten nach einfachen physikalischen Gesetzen. Mit deren Hilfe werden die durch eine gegebene Randbedingung ausgelösten Deformationskräfte sowie die Bewegung dieser Teilchen berechnet. Für diese Experimente dient ein 2–dimensionaler Modellaufbau, welcher sich über den Schelfbereich, den Hang bis zur Tiefseeebene erstreckt. Vor Beginn derSensitivitätsuntersuchungen wurden verschiedene Modellkonfiguration bzgl. der Art des Sedimenteintrages getestet. Hierfür haben wir zwei einfache Modelle entwickelt: (1) die Partikel werden nach einer Zufallsfunktion oberhalb des Schelfs in einer Box generiert und gravitativ auf dem Schelf abgelagert. Anschließend werden sie mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit zum Hang transportiert. (2) Die Partikel werden ebenfalls zufällig in einer Box gebildet, aber direkt auf dem oberen Hang gravitativ abgelagert. In diesem Modell wird der Schelf nicht betrachtet. In beiden Experimenten wird ein identisches Sedimentvolumen betrachtet, welches sich aus 4200 kreisförmigen Partikeln mit einer unimodalen Radienverteilung aufbaut. Alle weiteren Konfigurationen werden konstant gehalten. Zur Interpretation der Ergebnisse dienen die in jedem Modellschritt errechneten Verschiebungsvektoren und Geschwindigkeitsprofile. Zudem werden Transportpfade einzelner Partikel sowie die Morphologie und die interne Struktur des abgelagerten Rutschungskörpers analysiert. Es zeigt sich, dass die Art des Sedimentein- Geodynamik 251 trags erhebliche Auswirkungen auf die Aus- wie deren Kinematik und Dynamik hat. Wähbildung von gravitativen Massenströmen so- rend des Transportes hangabwärtsvariieren einerseits die vertikalen Geschwindigkeitsprofile und andererseits die vertikale Verteilung der Verschiebungsraten in beiden Experimenten. Des weiteren zeigen die abgelagerten Sedimentkörper deutliche Unterschiede in ihrer morphologischen und internen Struktur. Im Rahmen umfangreicher Parametersensitivitätsstudien konnte in beiden Modellen die basale Reibung als eine signifikante Steuergröße identifiziert werden, die einen wesentlichen Einfluss auf die Verschiebungsvektoren besonders beim Hang/TiefebeneÜbergang, sowie auf die Geschwindigkeit des Sedimentkörpers während des Transportes auf dem Hang hat. Abbildung 1: Teil 1 der Abbildung zeigt den Endzustand des Experiments 1, in dem das Sediment über dem Schelf auf den oberen Hang eingebracht wird, zu einem Zeitpunkt an dem die Rutschung vollständig abgeklungen ist und keine Verschiebung mehr stattfindet. Teil 2 der Abbildung zeigt den Endzustand des Experiments 2, in dem das Sediment direkt auf dem oberen Hang eingebracht wird. Beide Abbildungen sind gleich skaliert. Jeweils in a) dargestellt: Zu Beginn des Experiments wurden horizontale und vertikale Bereiche eingefärbt. Anhand des Versatzes dieser Bereiche kann die interne Deformation interpretiert werden. Jeweils in b) dargestellt: Die Verschiebung im letzten Kalkulationsschritt des Experiments. Die Orientierung der Pfeile gibt die Richtung, die Länge den Betrag der Verschiebung an. 252 Abstracts GDP06 Heidbach, O., Reinecker, J., Tingay, M., Müller, B. (Karlsruhe) World Stress Map Release 2004 - Applications for industry and geosciences E-Mail: [email protected] The World Stress Map (WSM) is a global compilation of recent tectonic stress from a wide range of stress indicators (e.g. focal mechanisms, borehole breakouts). The 2004 database release contains more than 14.000 quality ranked data sets. The quality scheme allows comparison of data from different measurement methods. The data base, guidelines and software for plotting stress maps are available free of charge on our website www.world-stress-map.org. Users can create their own stress map including their own data almost instantly with the CASMO web tool. Alternatively, users can download a free version o our CASMI software. The WSM is a valuable tool fora wide range of technological and scientific problems. The in-situ stress for instance, is a primary control on sub-surface fluid flow. Hence the WSM can be used to improve petroleum production or the effectiveness of a geothermal power station. Knowledge of present-day stress allows boreholes, mines and tunnels to be designed for optimal stability, i.e. collapse can be avoided or at least reduced. In scientific context, information on stress localisation is important for seismic hazard assessment. Seismically induced stress field changes trigger aftershocks and lead to a clock-advance of the next strong earthquake on a potential future rupture plane. Geodynamik 253 Figure 1: A and B quality of maximum horizontal stress directions and distribution of the data types in the WSM database. 254 Abstracts GDP07 Deuchler, C., Oberst, J., Wählisch, M., Hauber, E. (German Aerospace Center, Berlin) A New Inventory of Surface Faults on Mars E-Mail: [email protected] A MOLA (Mars Orbiting Laser Altimeter) global shaded relief map (1 km/pixel) was used to map tectonic surface faults on Mars and ultimately to compile a uniform global set of fault data for the planet. The MOLA topographic map was artificially illuminated from two different directions, 90 degree apart, to avoid any sampling bias by illumination geometry. The GRASS open-source GIS was used to convert the gridded MOLA data [1] into appropriate equidistant and conformal projections (including the polar regions), and to derive the shaded relief maps. On this base map, the surface faults data were conveniently extracted by visual interpretation, stored, and analyzed. Each surface fault is stored in a vector format, which consists of a number of equallyspaced (250m) points. Thus, we collected a total set of 3642 thrust faults and 3746 normal faults, ranging from lengths between 8 and 1445 km. While there are reports of some strike-slip faults on Mars (e. g.[2]), they are few in number and were not mapped in our study. The total length of all faults is approx. 600,000 km. A digitized version [3] of the USGS geological map of Mars [4] [5] [6] was manually registered to the MOLA map; the geologic regions were then assigned to different surface ages from crater statistics [7] [8]. The link with the geological map enabled us to extract maximum surface ages for each fault. Earlier catalogs of tectonic features were based on mapping of Viking Orbiter images, where the illumination geometry had to be taken as is. Images also have different spatial resolutions and suffer from variations in visibility conditions. Therefore, while our inventory includes less surface faults than previous ones, it is globally more homogeneous than the studies of Anderson et al., 2001 [9] and Pounders et al., 2002 [10], which addressed the western and eastern hemispheres of Mars separately before the availability of MOLA data. Thus, our data set constitutes a uniform catalog of tectonic surface features, which we now can study under a variety of aspects: spatial variations of fault patterns, length statistics, correlations of surface faults with age and sequence of formation. Specifically, we intend to use this digital data base to generate synthetic sets of Mars quake catalogs for studies of performances of seismometer networks in the context of the Mars Netlander mission. First results of these studies will be presented at the meeting. References: [1] Smith, D. et al. (2003). Mars Global Surveyor Laser Altimeter Mission Experiment Gridded Data Record. NASA Planetary Data System. [2] Schultz, R.A. (1989). Strike-Slip Faulting of Ridged Plains Near Valles Marineris, Mars. Nature, 341, 424-426. [3] Hare, T. (2002). Mars Global Geologic Map 1:15M, Digital Version. Internet http://webgis.wr.usgs.gov/mars_geology.htm. [4] Scott, H. D., and Tanaka, K. L. (1986). Geologic Map of the Western Equatorial Region of Mars. Map I-1802-A. USGS. Geodynamik 255 Figure 1: Spatial distribution of mapped thrust faults. Figure 2: Spatial distribution of mapped normal faults. [5] Greeley, R., and Guest, J. E. (1987). Geologic Map of the Eastern Equatorial Region of Mars, Map I-1802-B. USGS. [6] Tanaka, K. L., and Scott, D. H. (1987). Geologic Map of the Polar Regions of Mars. Map I-1802-C. USGS. [7] Neukum, G. and Hiller, K. (1981). Martian Ages. JGR, Vol. 86, 3097-3121. [8] Hartmann, W.K. and G. Neukum (2001). Cratering Chronology and the Evolution of Mars. Space Science Reviews, 96, 165–194. [9] Anderson, R. C. et al. (2001). Primary Centers and Secondary Concentrations of Tectonic Activity Through Time in the Western Hemisphere of Mars. JGR, Vol. 106, No. E9, 20563–20585. [10] Pounders, E. et al. (2002). Tectonic Evolution of the Eastern Hemisphere of Mars. LPSC XXXIV, Abstract 1906, Houston (CDROM). GE Geoelektrik Geoelektrik 257 GE01 – Do.,11.3.,09:30-09:50 Uhr · H0107 Hördt, A., Suckut, J., Blaschek, R., Zisser, N. (Universität Bonn), Kemna, A. (Forschungszentrum Jülich) Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit mit der spektralen induzierten Polarisation am Testfeld Krauthausen E-Mail: [email protected] Die hydraulische Leitfähigkeit ist ein wichtiger Parameter in der Hydrogeologie, der z.B. für die Bewertung von Grundwassergefährdungen oder den Transport von Kontaminationen von zentraler Bedeutung ist. Klassische Verfahren zur Bestimmung mit Pumptests oder Tracerversuchen sind aufwändig und integrieren über ein großes Volumen. Die spektrale induzierte Polarisation besitzt das Potential, hydraulische Leitfähigkeit mit geophysikalischen Messungen von der Oberfläche, ohne Bohrungen zu bestimmen. Dabei wird mit demselben Prinzip wie bei der Gleichstrom-Geoelektrik ein Wechselstrom in den Untergrund eingespeist und der komplexe, spezifische Widerstand als Funktion der Frequenz gemessen. Über den Zusammenhang zwischen der komplexen Leitfähigkeit mit den hydraulischen Eigenschaften gibt es viel versprechende Laboruntersuchungen, deren Ergebnisse in verschiedenen empirischen Gleichungen dargestellt sind. In der Regel wird ein Zusammenhang zwischen dem Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit und der spezifischen inneren Oberfläche des Gesteins hergestellt. Über die innere Oberfläche wird die hydraulische Leitfähigkeit berechnet. Die hier vorgestellten Daten wurden im Rahmen eines Projektes gewonnen, in dem das Verfahren systematisch im Feld angewendet werden soll. Auf dem hydrogeologischen Testfeld Krauthausen bei Jülich wurden 3 Profile mit der Einkanal Apparatur SIP-Fuchs vermessen, welche freundlicherweise vom GGA- Institut Hannover zur Verfügung gestellt wurde. Die gemessenen Daten wurden mit einem 2-D Inversionsprogramm invertiert und die scheinbaren Widerstände und Phasen wurden in hydraulische Leitfähigkeiten umgerechnet. Am Testfeld Krauthausen wird ein Aquifer, bestehend aus Kiesen und Sanden, in ca. 11 m Tiefe durch eine Tonschicht, gefolgt von Feinsanden begrenzt. Die damit einhergehende starke Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit wird von der SIP Auswertung sehr gut wiedergegeben. Auch die für diese Gesteine typische Größenordnung für K f -Werte von ca. 10−3 m/s wird erreicht. Die vertikale Verteilung innerhalb des Aquifers hängt jedoch von den benutzten empirischen Formeln und den dort frei wählbaren Parametern ab. Auch die Ergebnisse aus Korngrößenanalysen und Flowmetern zeigen Unterschiede sowohl untereinander, als auch zu den SIP-Ergebnissen. Insgesamt sind die Ergebnisse des Experimentes ermutigend. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Verfahren sind vermutlich u.a. auf die unterschiedlichen Auflösungsvolumina zurückzuführen, so dass die Ergebnisse nur mit einer entsprechenden Skalierung vergleichbar sein werden. 258 Abstracts GE02 – Do.,11.3.,09:50-10:10 Uhr · H0107 Blaschek, R., Hördt, A. (Universität Bonn), Kemna, A. (Forschungszentrum Jülich) Nebenbedingungen und Vorinformationen in der 2D-Inversion von Daten der Spektralen Induzierten Polarisation E-Mail: [email protected] In diesem Projekt soll der für viele Anwendungen wichtige Parameter der hydraulischen Leitfähigkeit bestimmt werden. Beispielsweise bei der Ausbreitung einer Kohlenwasserstoff-Kontamination kann dessen Kenntnis von entscheidender Bedeutung sein, u.a. weil der Wert über mehrere Größenordnungen variieren kann. Da eine empirische Beziehung zwischen der hydraulischen und komplexen elektrischen Leitfähigkeit gefunden wurde (s. z.B. Börner 1996), ist es möglich, das Problem zunächst auf eine Bestimmung eben dieser elektrischen Leitfähigkeit zu verlagern. Für den in der Umweltgeophysik meist nur interessanten oberflächennahen Bereich bietet sich hier die Methode der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) an. Bei der Messmethode der Induzierten Polarisation werden Auslagen wie aus der Geoelektrik verwendet, aber im Unterschied hierzu die Zeitabhängigkeit des Signals verwen- Abbildung 1: Ergebnis der Inversion mit dem Basisalgorithmus ohne Verwenden von Vorinformationen. Dargestellt ist der Betrag des komplexen spezifischen Widerstandes in logarithmischer Skalierung. Abbildung 2: Ergebnis der Inversion bei Abschalten der Glättungsbedingungen entlang des Störkörperrandes. Dargestellt ist der Betrag des komplexen spezifischen Widerstandes in logarithmischer Skalierung. det. Dabei unterscheidet man zwischen einer Messung im Zeitbereich, bei der die Spannung in der Regel nach Abschalten eines konstanten Sendestroms aufgezeichnet wird und einer (hier verwendeten) Messung im Frequenzbereich. Für Frequenzen von unter einem Zehntel bis über 10000 Hz werden Daten aufgezeichnet. Für die Inversion der Messdaten von Betrag und Phase des scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstandes zum Untergrundmodell wird als Grundlage der 2D-Algorithmus von Kemna (2000) benutzt. Dieser ermöglicht auf der Basis von Finiten Elementen die Inversion für jeweils eine Frequenz bei regulären Gittern. Auf diesem Programm aufbauend werden Erweiterungen angebracht, die eine spätere Aussage über hydraulische Parameter noch verbessern sollen. Ein erster Schritt ist das Einbeziehen von Vorinformationen über die Lage von Schichtgrenzen, z.B. aus seismischen Daten. Um hier möglichst flexibel vorgehen und beliebig verlaufende Grenzflächen hinreichend nähern zu Geoelektrik Abbildung 3: Ergebnis der Inversion bei geänderter Regularisierung ohne Verwenden von Vorinformationen. Dargestellt ist der Betrag des komplexen spezifischen Widerstandes in logarithmischer Skalierung. können, wurde der Inversionsteil auf allgemeine Netze umgeschrieben. Damit sind nun auch Dreieckselemente beliebiger Ausrichtung erlaubt. An den Schichtgrenzen wird dann die Glättungsbedingung aufgehoben, um einen scharfen Kontrast zuzulassen. Die Motivation für eine Änderung der üblichen Glättung besteht darin, dass sie oft nicht hinreichend der geologischen Realität mit z.T. scharfen Grenzen in Schichtungen gerecht wird. Das Vorgeben fester Schichtgrenzen verbessert deutlich die Bestimmung der Werte für die Leitfähigkeiten. Als Beispiel dient der Vergleich zwischen Abbildung 1, bei dem der Basisalgorithmus ohne Vorkenntnis der Schichtgrenze angewendet wurde und Abbildung 2, dem die Kenntnis der Grenze zugrunde liegt. Modell ist ein 10 Ωm Störkörper in einem 100 Ωm Halbraum, die Grenzen sind eingezeichnet. Auch ein Modul, das ohne Vorinformation aufgrund der Tendenz des Algorithmus zum Einbau eines starken Kontrastes an entsprechenden Stellen die Occam-Glättung ausschaltet, liefert verbesserte Ergebnisse. Weitere Überlegungen führten dazu, dass in der Regularisierung vom einfachen An- und Abschalten einer Occam-Glättung zu einem kontinuierlichen Wert für die Gewichtung jeder Zellenkante übergegangen wurde. Kanten werden also nicht nur voll berücksichtigt oder gar nicht, sondern auch etwas. Hierbei wurden 259 in Abwandlungen die Konzepte des minimum gradient support nach Portniaguine und Zhdanov (1999) sowie des active constraint balancing nach Yi et al. (2003) verwendet. Der erste Ansatz versucht die Fläche (oder Gesamtlänge der Kanten) zu minimieren, bei der eine starke Änderung der Modellparameter auftritt. Der zweite Ansatz berücksichtigt, dass es - z.B. aufgrund räumlich verschiedener Sensitivitäten - sinnvoll ist, auch den Multiplikator für die Occam-Glättungsbedingung räumlich zu variieren. Die aktuell benutzte Verbesserung der Regularisierung liefert Abbildung 3, in die keine Vorinformationen einfließen und im Vergleich zu Abbildung 1 doch als deutliche Verbesserung angesehen werden kann. Literatur: • Börner, F. D., Schopper, J. R. und Weller, A., 1996, Evaluation of transport and storage properties in the soil and groundwater zone from induced polarization measurements: Geophysical Prospecting, 44, 583-601. • Kemna, A., 2000, Tomographic inversion of complex resistivity: theory and application: Bochum, Univ., Diss. • Portniaguine, O. und Zhdanov, M. S., 1999, Focusing geophysical inversion image: Geophysics, 64, 874-887. • Yi, M.-J. Kim, J.-H. und Chung, S.-H., 2003, Enhancing the resolving power of least-squares inversion with active constraint balancing: Geophysics, 68, 931941. 260 Abstracts GE03 – Do.,11.3.,10:10-10:30 Uhr · H0107 Klitzsch, N. (RWTH Aachen) Modell zur Beschreibung der spektralen induzierten Polarisation SIP von Sedimentgesteinen E-Mail: [email protected] Ein neues Modell zur Beschreibung der frequenzabhängigen komplexen elektrischen Eigenschaften von wassergesättigten Sedimentgesteinen wird vorgestellt – das kapillare Netzwerkmodell. Es verknüpft die Porengrößenverteilung mit der frequenzabhängigen Polarisation und bietet somit die Möglichkeit, die Porengrößenverteilung aus SIP-Messungen abzuleiten. Dadurch wird auch die Prognose der hydraulischen Permeabilität möglich. Die Ursachen der Polarisation von Sedimentgesteinen wurden bisher überwiegend qualitativ beschrieben. Erst in den letzten Jahren wurden Arbeiten veröffentlicht (siehe unten), die theoretisch fundierte Modelle entwickeln. Diese Modelle verknüpfen geometrische und elektrochemische Eigenschaften des Systems Gestein (bestehend aus Gesteinsmatrix und Porenfluid) mit den frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften. Im wesentlichen gibt es drei auf einer Modelltheorie basierende Gesteinsmodelle, die für die Beschreibung des spektralen Verhaltens geeignet scheinen: 1. Lesmes und Morgan (2001) gehen von einer Relaxation der elektrischen Doppelschicht um kugelförmige Mineralkörner aus. Die Frequenzabhängigkeit wird bei ihrem Modell durch die Korngrößenverteilung bestimmt. 2. Pape (1998) betrachtet die hierarchische Relaxation in einem fraktalen Porenraum. Das fraktale Modell führt im Niederfrequenzbereich zu einer konstanten, von der fraktalen Dimension abhängigen Phasenverschiebung. 3. Titov et al. (2002) quantifizieren das spektrale Verhalten für ein einfaches Porensystem bestehend aus Porenhals und -bauch, das SNP(short narrow pore) Modell. Hierbei ist die Länge des Porenhalses entscheidend für die Relaxationsfrequenz. Anhand von SIP-Messungen an Lockersedimenten wird gezeigt, dass die Polarisation im Niederfrequenzbereich 1. nicht von der Korngröße abhängt, d.h., dass das Modell von Lesmes und Morgan (2001) hier keine Gültigkeit hat; 2. nicht zwingend durch eine konstante Phase gekennzeichnet ist, d.h., dass das fraktale Modell von Pape (1998) keine vollständige Beschreibung des Niederfrequenzverhaltens von Gesteinen liefert; 3. nicht durch ein einfaches SNP-Modell (Titov et al., 2002) beschrieben werden kann, da dieses Modell beispielsweise eine konstante Phase ausschließt. Basierend auf dem SNP-Modell wird eine eigenständige Theorie für ein geschlossenes Gesteinsmodell entwickelt, mit dem sich die frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften von porösen Sedimentgesteinen charakterisieren lassen. Die Modelltheorie basiert auf dem SNP-Modell und verknüpft unterschiedlich große Poren zu einem Netzwerk. Für die spezifische Leitfähigkeit der Einzelpore und damit auch des gesamten Porensystems wird sowohl die durch die Porengeometrie bestimmte (Volumen-) Leitfähigkeit als auch die Grenzflächenleitfähigkeit berücksichtigt. Geoelektrik 261 Abbildung 1: Phase als Funktion der Frequenz. Die Symbole kennzeichnen die Messdaten (Scott und Barker, 2003). Die mit dem kapillaren Netzwerkmodell aus den Porenradienverteilungen berechneten Spektren sind als Linien eingezeichnet. Die Polarisation (Relaxationsfrequenz) wird durch die Porenlängen bestimmt. Durch dieses Netzwerkmodell wird eine direkte Verbindung zwischen der Porenradienverteilung und den frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften hergestellt. Anhand eines Vergleichs der aus Porenradienverteilungen berechneten und der gemessenen IP-Spektren wird die Validität des kapillaren Netzwerkmodells gezeigt (Abbildung 1). Die hierfür verwendeten Daten wurden freundlicherweise von J. Scott (Scott und Barker, 2003) zur Verfügung gestellt. Literatur Lesmes, D.P. und Morgan, F.D. 2001. Dielectric spectroscopy of sedimentary rocks. J. of Geophys. Research, 106 (B7): 13329-13346. Pape, H. 1998. Zusammenhang zwischen Porenraumgeometrie und komplexer elektrischer Leitfähigkeit. Arbeitsseminar Hochauf- lösende Geophysik, Leipzig. Scott, J.B.T. und Barker, R.D. 2003. Determining pore-throat size in Permo-Triassic sandstones from low-frequency electrical spectroscopy. Geophys. Res. Letters, 30(9). Titov, K., Komarov, V., Tarasov, A. und Levitski, A. 2002. Theoretical and experimental study of time domain induced polarization (IP) in water-saturated sands. J. of Applied Geophysics, 50: 417-433. 262 Abstracts GE04 – Do.,11.3.,10:30-10:50 Uhr · H0107 Radic, T. (Berlin ) Jüngste messtechnische Fortschritte bei vielkanaligen SIP-Apparaturen E-Mail: [email protected] Die Messung und Interpretation von spektralen Widerstandsdaten gewinnt weiter an Bedeutung, da sie wichtige zusätzliche, vom Gleichstromwiderstand unabhängige, Informationen liefert, wie z.B. über die Porenraumgeometrie des Erdbodens. Da die interessantesten Untersuchungsobjekte häufig inmitten von Siedlungen, Industrie- und Bahnanlagen mit vielfältigen technischen Störsignalen liegen, konzentrierten sich die Anstrengungen der Messgeräteentwickler in den letzten Jahren vorwiegend auf die Steigerung des Signal- zu Rauschverhältnisses. Hier konnten dann auch entscheidende Durchbrüche erzielt werden (Radic, DGG Tagung 2002). Legt man die Handhabungsmerkmale neuester Multielektroden Gleichstromgeoelektrik Apparaturen zugrunde, dann erscheint der methodisch bedingt geringe Messfortschritt und das aufwendigere Handling von SIP-Apparaturen noch als unbefriedigend. Die einzige praktikable technische Lösung um diese Probleme zu überwinden, liegt in einer parallel arbeitenden Hardware (true multi-channel instrumentation). Hiermit bleibt der Messfortschritt bei spektralen Tiefensektionsmessungen, zumindest bei Messungen im Hauptfenster (0.1-500 Hz), nur noch geringfügig hinter denen der Multielektroden DCApparaturen zurück. Bei Messungen mit einer einzigen Frequenz erreichen vielkanalige Messgeräte hingegen einen etwa 10-fach höheren Messfortschritt - trotz der deutlich höheren Genauigkeitsanforderungen die spektralen Messungen stellen. Vielkanalige SIPMessgeräte sind sicher dann am komfortabels- ten zu handhaben, wenn Strom- und Potentialleitungen im gleichen Kabelstrang geführt werden. Hieraus resultieren jedoch eine Reihe von Verkopplungsprobleme, die sich in unakzeptabel großen systematischen Fehlern bei Messungen der höheren Frequenzen bemerkbar machen können. Mit einer vom Autor konzipierten neuartigen Apparatur (Typ SIP256C) wurden diese Probleme eingehend analysiert und effektive technische Maßnahmen entwickelt, um diese zu quantifizieren und auf ein Abbildung 1: Unterschiedlich gut an den Erdboden angekoppelte Stromelektroden bewirken in Verbindung mit der unvermeidlichen Stromkabel/Erd-Kapazität eine Verfälschung der Widerstands- und Phasenmesswerte bei den höheren Frequenzen (unkompensiert). Durch eine Kompensationsschaltung kann dieser Effekt minimiert werden (optimal kompensiert). Kompensationskriterium ist eine minimale Phasendifferenz zwischen den an beiden Stromspießen gemessenen Strömen. Geoelektrik vernachlässigbar geringes Maß zu reduzieren. Webseite: http://www.radic-research.de 263 264 Abstracts GE05 – Do.,11.3.,11:10-11:30 Uhr · H0107 Grinat, M., Sauer, J., Südekum, W. (GGA-Institut Hannover) Ein Eigenpotenzial-Experiment zum Nachweis von Fluid-Injektionen im Rahmen des GeneSys-Projektes E-Mail: [email protected] Im Umfeld der Bohrung Horstberg Z1 südwestlich von Uelzen (Südheide) sind zwischen Mitte Oktober und Mitte November 2003 Messungen des elektrischen Eigenpotenzials durchgeführt worden. Sie sollten zeigen, ob die Wasserfrac-Tests in zwei BuntsandsteinZonen (3921-3926 m und 3787-3791 m Tiefe) sowie in einem Abschnitt im Muschelkalk (3037,5-3041,5 m Tiefe) zu messbaren Änderungen des Eigenpotenzials an der Erdoberfläche führen. Diese Untersuchungen wurden angeregt durch die Ergebnisse französischer und japanischer Arbeitsgruppen, denen zufolge Fluid-Injektionen in Tiefen von mehreren Kilometern das Eigenpotenzial an der Erdoberfläche in der Größenordnung von einigen Millivolt verändern können (MARQUIS et al. 2002, KAWAKAMI & TAKASUGI 1994). Die hydraulischen Versuche in der Bohrung, die erst nach erfolgreicher Perforation der Verrohrung ausgeführt werden konnten, sind als Vorarbeiten zum GeneSys-Projekt anzusehen, einem Demonstrationsvorhaben des Geozentrums Hannover (BGR, NLfB und GGA-Institut). Dieses Vorhaben hat zum Ziel, die Methoden der HDR-Forschung für die Direktwärmenutzung im Geozentrum einzusetzen. Insgesamt wurden 46 Kupfer-KupfersulfatSonden in Abständen von jeweils 100 m auf zwei senkrecht zueinander verlaufenden Profilen angeordnet: 32 Sonden auf einem 3100 m langen Profil in NW-SE-Richtung, das etwa senkrecht zur vermuteten Richtung der Rissausbreitung verlief, und 14 Sonden auf einem 1300 m langen Profil in NE-SW-Richtung. Die Messungen erfolgten sowohl zwischen aufeinander folgenden Sonden als auch für jedes Profil getrennt bezüglich einer Referenzsonde auf dem jeweiligen Profil. Als Messgerät wurde die Resecs-Apparatur verwendet. Die in diesem Gerät verfügbare Monitoring-Option lieferte alle vier Minuten einen Messwert für die verwendeten Sondenpaare. Von ca. 90 % der insgesamt verfügbaren Messzeit liegen Daten vor. Die Fehlzeiten von etwa 10 % ergaben sich durch täglich erforderliche Erdungskontrollen und Datensicherungen sowie insbesondere durch Reparaturen nach Wildverbiss und (einmalig aufgetretene) Batterie-Probleme. Um tellurische Einflüsse in den Eigenpotenzialmessungen sicher erkennen zu können, erfolgte zusätzlich eine Registrierung der zeitlichen Änderungen des Erdmagnetfeldes mit einer Basisstation. Zwischen dem 28.10. und dem 1.11.2003 sind mehrere geomagnetische Stürme aufgetreten. Diese sind auch im Eigenpotenzial deutlich zu erkennen und erschweren die Auswertung der Messungen. KAWAKAMI, N. & TAKASUGI, S. (1994): SP monitoring during the hydraulic fracturing using the TG-2 well. – Proceedings 56th EAEG Meeting and Technical Exhibition, Vienna: I004. MARQUIS, G., DARNET, M., SAILHAC, P. & SINGH, A.K. (2002): Surface electric variations induced by deep hydraulic stimu- Geoelektrik lation: An example from the Soultz HDR site. – Geophysical Research Letters, 29, 14: 10.1029/2002GL015046. 265 266 Abstracts GE06 – Do.,11.3.,11:30-11:50 Uhr · H0107 Danckwardt , E., Jacobs, F., Petzold, G., Knieß, R. (Leipzig) Geoelektrisches Monitoring des Pumpversuches 2003 in der KTB-VB E-Mail: [email protected] Tiefengeoelektrische Untersuchungen im Bereich von Bohrlokationen des ICDP sind geeignet, dynamische Prozesse wie Fluidbewegungen, die durch Einbringen oder Entnahme großer Flüssigkeitsmengen verursacht werden, zu untersuchen. Besonders mit holesurface-Messungen können azimuthale Fluidbewegungen nachgewiesen werden. Hierbei erfolgt die Einspeisung von Strom mit Dipolen, die konzentrisch um die Bohrung angeordnet sind. Die Potentialmessungen werden mit einem Vertikalen ElektrodenSystem (VES) im unverrohrten Bereich der Bohrung durchgeführt. Mit Inhole-Messungen können vertikale Variationen der Leitfähigkeit nachgewiesen werden. In Kombinationen mit anderen elektrischen Bohrlochmessungen (kleine oder große Normale) lassen sich vertikale Fluidbewegungen abschätzen. Zur Kontrolle des Pumptests 2003 in der KTB-VB wurden geoelektrische Inhole und Hole-surface-Messungen vor Beginn und in unterschiedlichen zeitlichen Abständen nach Beendigung des Abpumpens durchgeführt. Die Inhole-Messungen von 2001 und 2003 ähneln sich sehr stark. Das deutet darauf hin, dass das Abpumpen keine Veränderung der Leitfähigkeit im bohrlochnahen Bereich verursacht hat. Es ist demnach genügend Fluid nachgeflossen. Große Unterschiede zu den Messungen von 2002, bei denen ein starkes Ansteigen des scheinbaren spezifischen Widerstandes beobachtet wurde, können mit dem Einleiten von schlecht leitendem Frischwasser im Rahmen des Projektes Hydraulischer Test KTB-VB (Gräsle, Kessels, Rifai, 2002) erklärt werden. Die aus den Potentialfeldmessungen bei der Hole-surface-Anordnung abgeleiteten räumlichen und zeitlichen Leitfähigkeitsänderungen (elektrische Signaturen) weisen auf bevorzugte Fließwege hin. Mit diesen Messungen wird vor allem der bohrlochferne Bereich erfasst. Literatur: GRÄSLE, W., KESSELS, W., RIFAI, H., 2002: Verwendung natürlicher Tracer zur Bestimmung von hydraulischen und Transportparametern an der KTB-Vorbohrung mittels eines Push-Pull-Tests. ICDP-ODP Kolloquium Potsdam 2002, Vortrag Geoelektrik 267 GE07 – Do.,11.3.,11:50-12:10 Uhr · H0107 Kemna, A., Vanderborght, J., Hardelauf, H., Vereecken, H. (Forschungszentrum Jülich, Institut Agrosphäre) Charakterisierung von 3D Transportprozessen in heterogenen Aquiferen mittels 2D multitemporaler Geoelektrischer Tomographie: Eine synthetische Machbarkeitsstudie E-Mail: [email protected] Viele hydro- und umweltgeophysikalische Fragestellungen erfordern die Charakterisierung von Fließ- und Transportprozessen im oberflächennahen Untergrund. Insbesondere das Potential der multitemporalen Geoelektrischen Tomographie zur qualitativen Visualisierung von Stoffflüssen im Grundwasser wurde in verschiedenen Studien nachgewiesen. Die erfolgreiche Anwendung der Methode basiert dabei auf einer oftmals gültigen Proportionalität zwischen der Konzentration eines im Grundwasser gelösten Stoffes und der beobachteten elektrischen Leitfähigkeit. Bisher kaum untersucht sind jedoch die Möglichkeiten der Geoelektrischen Tomographie, transportrelevante Eigenschaften, wie Advektionsgeschwindigkeit und Dispersivität, sowie deren räumliche Variabilität abzuleiten und zu quantifizieren. Eine quantitative Erfassung scheint insbesondere dadurch erschwert, dass die Heterogenität eines Aquifers, und damit auch der Stofftransport, im allgemeinen dreidimensional ausgeprägt ist, die Anwendung der Geoelektrischen Tomographie aber nicht selten auf zweidimensionale Messebenen beschränkt ist. Um das Potential der Geoelektrischen Tomographie zur Charakterisierung von Transportprozessen in heterogenen Aquiferen zu untersuchen, wurde ein synthetisches Experiment durchgeführt. Hierbei wurde die Ausbreitung eines injizierten Salztracers in einem heterogenen dreidimensionalen hydraulischen Leitfähigkeitsfeld simuliert. Senkrecht zum angenommenen hydraulischen Gradienten wurde im Abstrombereich eine zweidimensionale, vertikale Messebene für die Geoelektrische Tomographie definiert, die durch insgesamt sieben Bohrungen mit jeweils 26 Elektroden aufgespannt wird. Unter der Annahme, dass absolute Konzentrationsänderungen proportional sind zu relativen elektrischen Leitfähigkeitsänderungen, sollte der Durchbruch der Salztracerwolke in der geoelektrischen Messebene beobachtet werden. Hierzu wurden für verschiedene Zeitpunkte Dipol-Dipol-Datensätze für das jeweilige dreidimensionale Untergrundmodell berechnet, mit einem zufälligen Fehler versehen und anschließend mittels einer zweidimensionalen Bildgebung wieder in elektrische Leitfähigkeits- bzw. Konzentrationsverteilungen invertiert. Die Inversion wurde als sogenannte Differenzinversion durchgeführt, d.h. bezogen auf ein Hintergrundmodell und zugehörige Hintergrunddaten wurden Datenänderungen in Modelländerungen invertiert. Die notwendige Regularisierung (hier Glättung) wirkt dabei auf die Modelländerungen, nicht auf das absolute Modell. Schließlich wurden die multitemporalen Konzentrationsverteilungen mit Hilfe eines äquivalenten eindimensionalen Advektions-Dispersionsmodells (Stromröhrenmodell) für jedes Pixel der tomographischen Messebene analysiert, um Advektionsgeschwindigkeit und longitudinale Dispersivität sowie deren räumliche Variabilität zu bestimmen. 268 Abstracts Die tomographisch bestimmten Transporteigenschaften zeigen gute Übereinstimmung mit den vorgegebenen Modellparametern. Insbesondere wird im Mittel die longitudinale Dispersivität,d.h. die Breite der über die Messebene gemittelten Durchbruchskurve, nur geringfügig überschätzt. Dies ist auf 3D-Effekte in der zweidimensionalen Bildgebung zurückzuführen, die jedoch, durchaus etwas überraschend, keine entscheidende Rolle hinsichtlich der korrekten Abschätzung der Transportparameter spielen. Das synthetische Experiment unterstreicht die grundsätzliche Anwendbarkeit der Geoelektrischen Tomographie zur Charakterisierung von dreidimensionalen Stofftransportprozessen in heterogenen Untergrundstrukturen, auch wenn nur einzelne zweidimensionale Messebenen zur Verfügung stehen. Webseite: http://www.fzjuelich.de/icg/icg-iv/index.php?index=27 Geoelektrik 269 GE08 – Do.,11.3.,15:00-15:20 Uhr · H0107 Schönfelder, W., Just, A., Krause, Y., Jacobs, F. (Leipzig) Untertagegeoelektrik im Salinar - Widerstandsbestimmung in-situ und im Labor E-Mail: [email protected] Geoelektrische Untertagemessungen in Salzbergwerken sind gut geeignet, um streckennahe Feuchtezonen zu detektieren. Der Grund hierfür sind die großen Widerstandsvariationen von Salzgestein in Abhängigkeit vom Wassergehalt. Der spezifische elektrische Widerstand schwankt von <100 Ωm für laugengefüllte Bereiche bis >108 Ωm für trockenes Salzgestein. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden geoelektrische Untertagemessungen in einer Strecke im Steinsalz in einem Kalibergwerk durchgeführt. Als Ergebnis zeigten sich insgesamt sehr große Widerstandskontraste (100 bis >1010 Ωm und eine ausgedehnte Feuchtezone (JACOBS et al. 2003). Folgende Probleme ergeben sich für die Untertagegeolektrik im Salinar: 1. schwierige Messbedingungen infolge hoher Übergangswiderstände an den Elektroden, 2. erschwerte Auswertung und Interpretation. Da die Messungen meist linienhaft entlang einer Strecke erfolgen, ergeben sich Mehrdeutigkeiten, weil das 3DGrubengebäude die Messungen beeinflusst. Speziell bei Messungen auf Kreisprofilen ist eine angepasste Inversion erforderlich, aber nicht einfach zu realisieren. 3. Die quantitativen Zusammenhänge mit gesteinsphysikalischen Größen sind nicht eindeutig. Die messtechnischen Probleme können durch Verwendung von Messgeräten mit Konstantspannungsquelle und Strommessung und geeignete Ankopplungsmethoden weitgehend gelöst werden (KULENKAMPFF et al. 2002). Die Auswertung und Interpretation läßt sich mit 3D FE Modellierungen unter Einbeziehung der Geometrie des Grubengebäudes und anderer a priori Informationen verbessern (RÜCKER et al. 2004). Als Beitrag zur Untersuchung der quantitativen Zusammenhänge der in-situ ermittelten elektrischen Widerstände mit gesteinsphysikalischen Größen, speziell des Wassergehaltes, wurden Abbildung 2: Widerstandsmessung während Abbildung 1: Elektrischer Widerstand in Ab- der Trocknung einer Anhydritprobe. Die Prohängigkeit von der Trocknungszeit (3 Stein- be wurde vor der Messung in einem Gefäß ersalzproben) höhter Luftfeuchtigkeit aufbewahrt. 270 Abstracts Labormessungen des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit vom Wassergehalt durchgeführt. Die Wassergehaltsbestimmung erfolgte mit dem sehr genauen KarlFischer-Titrationsverfahren. Aufgrund des unterschiedlichen Wasserabgabeverhaltens während der Trocknung kann man bei genügend hohem Wassergehalt zwischen den verschiedenen Bindungstypen des Wassers in der Salzprobe (äußerlich anhaftendes Wasser, freies und anhaftendes Porenwasser, chemisch gebundenes Kristallwasser) unterscheiden: Zuerst wird oberflächlich an der Probe haftendes Wasser mit hoher Rate abgegeben, danach mit vergleichsweise geringerer aber konstanter Rate das kapillar gebundene Wasser und zuletzt das Kristallwasser. Während der Trocknung und dem Austitrieren des Wassers wurden simultan Messungen des elektrischen Widerstandes durchgeführt. Dazu wurden 4-Elektrodenanordnungen und sehr hochohmige Spannungsmessungen eingesetzt (siehe dazu KULENKAMPFF et al. 2002). Die Widerstandsabhängigkeit vom Wassergehalt bzw. der Trocknungszeit richtet sich nach dem Kristallwassergehalt. Bei Proben ohne oder mit wenig Kristallwasser nimmt der Widerstand erwartungsgemäß mit der Trocknungszeit bzw. mit abnehmendem Wassergehalt zu. Bei Proben mit einem hohen Anteil von Kristallwasser bleibt der Widerstand über eine lange Trocknungszeit konstant oder fällt sogar. Die Ursache hierfür ist, dass Porenwasser kontinuierlich durch freiwerdendes Kristallwasser ersetzt wird. Wird mehr Kristallwasser freigesetzt als Porenwasser ausgetrieben wird, füllen sich die Poren mit Lauge und der Widerstand sinkt (siehe Abb. 1). Für systematische Untersuchungen wurden einige Proben im Trockenschrank bei 200°C getrocknet, so dass sie Kristallwasserfrei waren, und anschlie- ßend befeuchtet. Die Ergebnisse bestätigen das von KULENKAMPFF et al. (2002) vorgeschlagene Perkolations-Modell: Ungestörtes, trockenes Salz ist quasi nichtleitend. Fluid-Einschlüsse sind gewöhnlich isolierte Leitfähigkeits-Inseln, es gibt keine elektrisch leitende Verbindung. Ab einer bestimmten Perkolations-Schwelle der Klüftigkeit kann Salzlauge durch das Gesteinsmaterial migrieren, gleichzeitig wird das Material leitfähig. Die untersuchten Proben zeigen genau dieses Verhalten: Zu Beginn der Trocknung liegt der Widerstand auf einem langsam ansteigenden, niedrigen Niveau (100 bis 1000) Ωm. Dann erfolgt ein sehr schneller Anstieg, bis der Widerstand auf einem deutlich höheren, wieder nur noch langsam ansteigenden Niveau (106 bis 108 Ωm) bleibt (Bsp. in Abb. 2). REFERENZEN: JACOBS, F. et al. (2003): Geophysikalische Erkundung als Beitrag zur Bewertung der Langzeitsicherheit von Endlagern und Untertagedeponien. Abschlussber. zu den BMBF-Forschungsvorh. Fkz. 02C0851, 02C0861, 02C0871, Leipzig 2003, in Vorb. KULENKAMPFF, J., JUST, A., JACOBS, F. (2002): Geophysical detection and evaluation of risk zones in a sylvinite mine by underground measurements and laboratory investigations. EGS Meeting, 2002,Nizza. RÜCKER, C., KRAUSE, Y., JUST, A. (2004): 3D Finite Elemente Modellierung zur Untersuchung des Einflusses des Grubengebäudes auf geoelektrische Messungen im Bergwerk. 64. Jahrestg. der DGG, 2004. Webseite: http://www.geo.uni-leipzig.de Geoelektrik 271 GE09 – Do.,11.3.,15:20-15:40 Uhr · H0107 Tillmann, A. (ICG-IV), Verweerd, A. (ZEL), Kasteel, R., Kemna, A., Vereecken, H. (ICG-IV, FZ Jülich) MERIT: Eine nichtinvasive Methode zur Beobachtung von Fließ- und Transportprozessen in Bodenproben E-Mail: [email protected] Um das Verständnis von Transportprozessen in Böden zu vertiefen, bedarf es zeitlich und räumlich kontinuierlicher Beobachtungen in ungestörten Bodenproben durch nichtinvasive Meßmethoden. Diese Meßmethoden beruhen auf der nichtinvasiven Messung physikalischer Parameter, welche die eigentlich interessierenden Parameter wie Porosität, Wassersättigung, Salinität etc. repräsentieren. Das hier vorgestellte Verfahren MERIT (Magneto-Electrical Resistivity Imaging Technique) beruht auf Variationen der dreidimensionalen elektrischen Leitfähigkeitsverteilung, die durch die zeitliche und räumliche Änderung der Fluidsalinität bzw. der Fluidsättigung des Porenraums verursacht wird. MERIT basiert auf der gleichzeitigen Messung der elektrischen Potentialverteilung an der Probenoberfläche und der aus der Stromeinspeisung resultierenden Magnetfeldverteilung ausserhalb der Probe sowie deren gemeinsamer Auswertung. Damit stellt MERIT eine Kombination der bekannten Elektrischen Widerstandstomographie (ERT) und der Magnetometrischen Widerstandsmethode (MMR) dar. Mit Hilfe des von uns entwickelten MERITScanners untersuchen wir die dreidimensionale elektrische Leitfähigkeitsverteilung in Bodensäulen und Lysimetern. Die von uns durchgeführten Modellrechnungen zeigen die Möglichkeiten der Methode bei der Erkundung der inneren Struktur einer Bodenprobe und der Beobachtung von Fließ- und Transportprozes- sen. Dazu wurde der Wasserfluß durch Bodensäulen unterschiedlichen Aufbaus numerisch modelliert und die dreidimensionale Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit abgeleitet. Diese ist die Grundlage der Finite Elemente Modellierung der zu erwartenden elektrischen Potential- und Magnetfeldverteilung. Durch erhöhte Sensitivitäten und ein besseres Auflösungsvermögen zeigt MERIT bei diesen Versuchen ein besseres Detektionsvermögen gegenüber der alleinigen Verwendung von ERT neben einigen Vorteilen bei der praktischen Durchführung der Messungen. Bestätigt werden die theoretischen Ergebnisse durch Messungen, die mit Hilfe des MERIT-Scanners an einer Testsäule durchgeführt wurden. Webseite: http://www.fz-juelich.de/icg 272 Abstracts GE10 – Do.,11.3.,15:40-16:00 Uhr · H0107 Verweerd, A. (ZEL, ICG-IV Forschungszentrum Jülich), Tillmann, A. (ICG-IV Forschungszentrum Jülich), Zimmermann, E. (ZEL, Forschungszentrum Jülich), Kemna, A. (ICG-IV, Forschungszentrum Jülich), Vereecken, H. (ICG-IV Forschungszentrum Jülich) MERIT: Sensor Module Design and Data Acquisition E-Mail: [email protected] the sensitivity axis of the sensor is changed considerably (a change of 7% in the direction of the sensitivity axis can be proven by measurements and modeling). A field feed-back coil was introduced to the sensor module to negate the effect. The signal to noise ratio could be improved by applying a lock-in system. The sensor signal is multiplied with a reference signal in order to filter out unwanted signals. MERIT uses a 25 Hz sine wave In a cylinder (0.1 m radius, 0.5 m height) demodulation, generated in a microcontroller a low frequency current is injected through on the module. electrodes and the resulting electric potential is measured at the mantle of the cylinder. A The circuit board layout is optimized for vertically moving scanning torus with 24 three low power consumption (and therefore low component magnetic field sensors measures magnetic noise). After amplification and the resulting magnetic field. Since the MERIT filtering a multiplexer and a 12 bit ADC, with system is a new technique,the measurement a 1 kHz sampling rate, are used to store the setup, the magnetic sensor modules as well data of a single 10s measurement cycle onto as the data processing software had to be a microcontroller. After all modules have designed. Current development of the mag- simultaneously completed one measurement netic sensor module and the data acquisition cycle each demodulated signal is sent to a procedure fulfill the requirement that MERIT data acquisition computer. This computer also should be able to operate in a magnetically controls the current injection pattern, potential field measurements and the movement of the non-shielded environment scanning torus with the sensor modules. MERIT is a new Magneto-Electrical Resistivity Imaging Technique in which the two geophysical methods Electrical Resistivity Tomography (ERT) and Magnetometric Resistivity (MMR) are combined to map the electrical conductivity distribution of cylindrical probes. These cylindrical probes can be used to study flow and transport processes in porous media. Since MERIT is an array based system and the magnetic noise level in a typical laboratory environment is in the range of several √ 100 pT / Hz, three component anisotropic magnetoresistive sensors (AMR), with a noise √ level of 50 pT / Hz are used. The ever present Earths magnetic field has a profound effect on the sensor module: the direction of Test measurements proved the ability of MERIT to measure the magnetic field with an accuracy of less than 200 pT and good coherence with modeled data. Geoelektrik 273 GE11 – Do.,11.3.,16:20-16:40 Uhr · H0107 Hennig, T., Weller, A. (Clausthal), Tran, C. (Hanoi) Topographic correction for dike geometry using Half-Wenner configuration E-Mail: [email protected] Introduction Multi-electrode arrays are widely used in dike monitoring. Earlier investigations have shown, that a three electrode configuration (Half-Wenner) provides some advantages for resistivity profiling with multi-electrode systems (Peschel, 1967). The simple combination of a Half-Wenner forward and backward configuration with a fixed position of electrode M has proved to act as a focussing tool (Kampke et al., 1998). The average of both readings results in a pseudo-section that shows the main features of the subsurface resistivity distribution. Resistivity profiling is normally applied along the dike axis. In order to locate the exact position of the anomalous structure it is of- ten advisable to measure a perpendicular profile providing a cross-section of the dike body. A profile crossing the dike axis is severely affected by the dike topography (e.g. Fox et al., 1980). Topographic correction The topographic effects are calculated by a finite element (FE) program (Hennig, 2003). In order to determine the topographic effect of a certain configuration the potential distribution for any current electrode position is calculated using a constant resistivity for all elements. In the presence of an undulating surface the potential field is changed and consequently the resulting apparent resistivity may differ from the original value. The FE program is used to calculate the apparent resistivity for all configurations that were measured at the profile. In order to correct the resulting pseudo-sections for the topographic effect correction factors are determined by dividing Figure 1: Shifted sections of correction factors: (a) Half-Wenner forward configuration. Figure 2: Results of shifted resistivity inver(b) Half-Wenner backward configuration. (c) sion: (a) With original data. (b) With topographic correction. Averaged correction factors. 274 Abstracts the constant resistivity value that is attributed to all elements by the calculated apparent resistivity. The resulting correction factors for a profile of a Vietnamese river dike are presented in Fig. 1. The forward mode correction factors vary between 0.678 and 1.240 and the backward mode factors between 0.721 and 1.409. Having a closer look at both diagrams it becomes obvious that the minima of the forward mode coincide with the maxima of the backward mode and vice versa. Consequently, the average of both images results in a smaller variation of correction factor (between 0.899 and 1.103). The main feature in Fig. 1c is a slight minimum (0.90 ... 0.95) under the top of the dike. The correction becomes less than 5 per cent for most other configurations. Inversion The original resistivity data are inverted ignoring any topographic effects. The resulting model (Fig. 2a) is shifted vertically according to the surface topography. The resulting model after ten steps of iteration for the topographic corrected data set is displayed in Fig. 2b. Only slight differences can be recognised between the two results. The main feature is a resistive anomaly at the position x = 2 m with its centre 0.5 m below the dike surface. Another near surface resistive anomaly is observed at x = 11 m at the flank of the land side of the dike. It has been proved by by excavation that the first anomaly is caused by a termite nest. Discussion If a resistivity profile crosses a dike topographic effects have to be considered. The topographic effects can be calculated by FE modelling. The effects increase with rising slopes of the flanks. The effects also depend on the configuration that is used for imaging. The simple averaging of Half-Wenner forward and backward pseudo-sections pro- duces images that can be compared with the inversion results. The presented profile shows that the topographic correction for slopes up to 18° becomes less than 10 per cent for nearly all averaged configurations. Consequently, the changes in the pseudo-sections and in the inverted images are only small if the topographic correction is applied. A detailed interpretation requires a topographic correction. In order to determine the correction factors the dike topography and the electrode positions should be surveyed. Only if the topographic correction becomes less than the error of measurements it can be ignored. This condition is normally fulfilled for dikes with slopes less than 15°. References Fox, R.C., Hohmann, G.W., Killpack, T.J., Rijo, L., 1980: Topographic effects in resistivity and induced polarization surveys. Geophysics 45, 75-93. Hennig, T., 2003: Modellierung von Polarisationseffekten mit Finiten Elementen. Diploma Thesis, TU Clausthal. Kampke, A., Weller, A., Peschel, G., 1998: Focussing effect of an averaged threeelectrode configuration. Proceedings of the IVth Meeting of EEGS – European Section, Barcelona, p. 865-868. Peschel, G., 1967: A new favourable combination of resistivity sounding and profiling in archaeological surveying. Prospezioni Archeologiche 2, 23-28. Geoelektrik 275 GE12 – Do.,11.3.,16:40-17:00 Uhr · H0107 Oeser, J. (Inst. für Geophysik, TU Bergakademie Freiberg), Rücker, C. (Inst. für Geophysik und Geologie, Universität Leipzig ), Börner, R.-U. (Inst. für Geophysik, TU Bergakademie Freiberg), Mönch, W. (Inst. für Numerische Mathematik und Optimierung, TU Bergakademie Freiberg), Spitzer, K. (Inst. für Geophysik, TU Bergakademie Freiberg) Parallelisierung geoelektrischer 3D Finite-Elemente-Modellrechnungen auf LinuxClustern E-Mail: [email protected] Die Modellierung für das Verfahren der Gleichstromgeoelektrik mit der Methode der Finiten Elemente bietet die Möglichkeit, komplizierte Störkörpergeometrien und Topographie in die Vorwärtsrechnung einzubeziehen. Das Modell des Untersuchungsobjektes wird mit Hilfe des Gittergenerators TetGen2 in ein Netz von Tetraederelementen zerlegt. Das entstandene unstrukturierte Gitter wird von der Finite-Elemente-Bibliothek libMesh3 als Grundlage für eine weitere adaptive Verfeinerung des Netzes verwendet. Über die schwache Formulierung für die partielle Differentialgleichung des Totalpotentials ergibt sich ein lineares Gleichungssystem. Die Zahl der zu bestimmenden Unbekannten überschreitet dabei leicht die Grenze von 106 bis 107 . Zur Lösung des Gleichungssystems wird das Verfahren der vorkonditionierten, konjungierten Gradienten aus der Bibliothek PETSc4 verwendet. Einen Untersuchungsschwerpunkt stellt dabei das Bestimmen einer effizienten Kombination aus Vorkonditionierer und Gleichungslöser dar. Aus der Forderung nach möglichst hoher Genauigkeit der Modellrechnung und dem damit einhergehenden Anwachsen der Systemmatrix ergibt sich ein erhöhter Bedarf an Arbeitsspeicher und Rechenzeit. Die Parallelisie- rung des Algorithmus über MPI5 zeigt einen Weg zur effizienten Lösung der damit verbundenen Probleme auf. Die MPI-Bibliothek beruht auf dem nachrichtenorientierten Programmiermodell (Message Passing Interface). Als kostengünstige und leicht zu verwaltende Alternative zu Großrechnern bieten sich Linux-Cluster an. Ein Linux-Cluster besteht typischerweise aus PCs, die über ein Standardnetzwerk miteinander verbunden sind. Durch die in der Arbeitsgruppe vorhandenen Erfahrungen zur Methode der Finiten Elemente und parallelen Rechentechnik sowie dem konsequenten Einsatz freier SoftwareBibliotheken war es möglich, innerhalb kurzer Zeit einen entsprechenden Programmcode zu entwickeln. Die Ergebnisse verschiedener Untersuchungen zu Rechenzeit und Modellgröße zeigen die Vorteile der Parallelisierung von Modellrechnungen auf. Dabei ist der sogenannte Speedup von besonderem Interesse, da er als Maß für den erreichbaren Parallelisierungsgrad steht. Neben Untersuchungen auf einem Linux-Cluster werden vergleichende Studien auf einem Parallelrechner der Firma SGI (SGI Altix 37006 ) durchgeführt. 2 http://tetgen.berlios.de/ 3 http://libmesh.sourceforge.net/ 5 http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/ 4 http://www-unix.mcs.anl.gov/petsc/ 6 http://www.sgi.de/products/servers/ 276 Abstracts GE13 – Do.,11.3.,17:00-17:20 Uhr · H0107 Reitmayr, G. (BGR) Multielektroden-Geoelektrik zur Untersuchung eines Standortes für eine geplante Mülldeponie E-Mail: [email protected] Die BGR unterstützt im Rahmen der Tech- Dienst von Malawi bei umweltrelevanten Aufnischen Zusammenarbeit den Geologischen gaben der Stadt- und Regionalentwicklung. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit des Dienstes für die geowissenschaftlich-technische Bewertung zur Vermeidung und Verminderung von Umweltschäden und -katastrophen zu verbessern und Entwicklungsplaner in Fragen der Umweltgeologie praxisnah zu beraten. Als Teilmaßnahme der Kooperation werden potentielle, umweltgerechte MülldeponieStandorte für die Großstadt Blantyre im Süden des Landes erkundet. Mit Hilfe der Geophysik sollten mögliche, auf Grund geologischer Kartierung ausgewählte Gebiete detaillierter untersucht werden. Insbesondere sollte Information gesammelt werden über Dicke und Beschaffenheit der Verwitterungsschicht über dem gneissigen Untergrund eines als prioritär ausgewählten Testgebietes. Zur Anwendung kamen geoelektrische und elektromagnetische Methoden. Die aussagekräftigsten Ergebnisse mit vielen Abbildung 1: Horizontalschnitte des spezifischen elektrischen Widerstandes, abgeleitet aus 2d-Profil-Modellen. Vertikale Lienen markieren eine Aufwölbung des frischen Gneisses Abbildung 2: 3d-Präsentation der Zonen niebzw. ein Loch tiefgründiger Verwitterung. derer Widerstände < 50 und < 100 Ohm*m Geoelektrik Detailinformationen liefern geoelektrische Multielektroden-Messungen, für die wir die Apparatur SYSCAL R2 der Fa. IRIS einsetzten. Wir können damit bis zu 64 Elektroden für einen Messvorgang gleichzeitig aufbauen. Die Elektroden werden Rechner gesteuert über sog. intelligent Nodes entweder als Stromoder als Potentialelektroden bzw. überhaupt nicht angesprochen. Wir experimentierten mit der DIPOL/DIPOL-Elektroden-Anordnung, vermaßen das Gebiet dann aber routinemäßig mit der WENNER-Anordnung mit einem fundamentalen Elektrodenabstand von a = 5m. WENNER hat den großen Vorteil, dass die zu messenden Spannung höher sind als bei DIPOL/DIPOL oder auch anderen Konfigurationen, und so mit größeren Separationsfaktoren gemessen werden kann. Die Messungen erfolgten auf fünf Profilen mit jeweils etwa 600m Länge. Für die Modellrechnung konnten wir drei verschieden Programme testen: - RESIXIP2DI von INTERPEX - EARTHIMAGER von AGI - DCIP2D von UBC So bot sich die Möglichkeit, die Ergebnisse zu vergleichen und die Vor- und Nachteile der Programme zu studieren. Mit Hilfe von Horizontalschnitten des elektrischen Widerstandes der interpretierten Modelle (Abb. 1) kann man gut die Strukturen im Untergrund erkennen: unter einer dünnen hochohmigen Überdeckung zeichnet sich die viel besser leitende Verwitterungsschicht ab. Ab etwa 15 bis 18m Tiefe findet sich dann der nahezu frische Gneiss, der sich wiederum durch recht hohe Widerstände auszeichnet. Allerdings kann man auch deutlich laterale Inhomogenitäten erkennen; an mehreren Stellen kommt der fast unverwitterte Gneiss nahezu bis an die Oberfläche. Dies sind sicherlich Gebiete, die für einen Deponie-Standort zu mei- 277 den sind. An einer anderen Stelle macht sich ein Loch tiefgründiger Verwitterung bemerkbar. Einen guten Eindruck der räumlichen Lage der gutleitenden, stark verwitterten Zonen bietet die 3d-Visualisierung der Abbildung 2. Webseite: http://www.bgr.de/b313/tz/tzmalawi2.htm 278 Abstracts GEP01 Börner, R.-U. (TU Bergakademie Freiberg) 3D Finite Difference Time Domain Modeling of Electromagnetic Fields E-Mail: [email protected] The Finite Difference Time Domain modeling technique provides much needed insight about the response of transient electromagnetic fields in complicated conductivity structures. The FDTD method, introduced by Yee in 1966, has remained the subject of continuous development. There are several reasons for the expansion of interest in FDTD solution approaches for Maxwell’s curl equations. Being a fully explicit computation, FDTD avoids difficulties with linear algebra that limit the size of conductivity models to generally fewer than 106 electromagnetic field unknowns. Moreover, the sources of error in FDTD calculations are well understood. While the trend of rapidly increasing computer capacities positively influences all numerical techniques, it is of particular advantage to FDTD methods which are founded on discretizing space over a volume, and therefore inherently require large memory. We have developed a solution for 3D problems, which is based on a time-stepping of the system of Maxwell equations using a staggered-grid approach. According to the Euler method, only for sufficiently small time steps Δt the stability of the advance from tn to tn+1 = tn + Δt is guaranteed. To enhance efficiency, a bigger time step size is desirable. The Du Fort-Frankel finite difference scheme constrains the time step by introducing an artificial displacement current density to the system of quasistationary Maxwell equations. To prevent the numerical treatment of the upper halfspace, an inhomogeneous integral boundary condition is applied. This requires an upward continuation of the magnetic field which is performed by a two-dimensional Fast Fourier transform. To avoid numerical inaccuracies which would occur by interpolating an irregular grid onto a regular, an FFT for nonequispaced knots is applied. This step is new to the field of geo-electromagnetic FDTD implementations. Initial value problems require initial conditions at a given time t = t0 from which the set of Maxwell equations evolve. Initial fields within the conducting half-space are calculated for a vertical magnetic dipole and a large horizontal rectangular loop source. The loop is assembled of four horizontal electric dipoles. The computation of initial values was performed by a digital filter technique known as a Fast Hankel Transform. Geoelektrik 279 GEP02 Rücker, C., Krause, Y., Just, A. (Leipzig) 3D Finite Elemente Modellierung zur Untersuchung des Einflusses des Grubengebäudes auf geoelektrische Messungen im Bergwerk E-Mail: [email protected] Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Geophysikalische Erkundung als Beitrag zur Bewertung der Langzeitsicherheit von Endlagern und Untertagedeponien“ (Fkz. BMBF 02C0861) wurden in der Strecke eines Kalisalz-Bergwerks Dipol-Dipol-Messungen durchgeführt. Gemeinsam mit vier weiteren geophysikalischen Messverfahren konnten von einem Profil am Stoß der Bergwerksstrecke salzlösungsführende geologische Strukturen präzisiert und Durchfeuchtungszonen geoelektrisch ausgewiesen werden (JACOBS et al. 2003). Geoelektrische Messungen im Bergwerk werden für zunehmende Auslagenweiten zwischen Strom- und Spannungselektroden vom umgebenden Gebirge sowie der Geometrie der Strecke und naher Hohlräume des Grubengebäudes beeinflusst. Diese 3D-Effekte stellen insbesondere für eine zweidimensionale Messanordnung bei der Auswertung und Interpretation potentielle systematische Fehlerquellen dar, die anhand von dreidimensionaler numerischer Modellierung quantifiziert und korrigiert werden können. Untersucht wurden der Übergang vom Halbraum zum Vollraum entlang einer Strecke, der Hohlraumeinfluss des Grubengebäudes sowie 3D-Effekte durch leitfähige Störkörper außerhalb der Messebene. Zur Korrektur des Einflusses des Grubengebäudes auf die Messdaten wurden für eine dreidimensionale Referenzgeometrie die 3DFEKonfigurationsfaktoren berechnet. Als 3D Finite-Elemente Modellierungs- programme kamen die Multiphysik-Software FEMLAB (COMSOL AB) zur Anwendung und die opensource C++ – Bibliothek DCFEMLIB (RÜCKER 2003), die für spezielle geoelektrische Modellprobleme wie Singularitäten und Topographie an der Universität Leipzig entwickelt wurde. Modellrechnungen mit FEMLAB an einfachen Hohlraumgeometrien für eine DipolDipol-Sektion auf einem Längsprofil ergaben, dass für einen Dipolabstand größer als das fünffache des Streckenquerschnitts bereits Vollraum-Bedingungen gelten. Daher ist für die Modellierung der Konfigurationsfaktoren im Übergangsbereich vom Halbraum zum Vollraum eine sehr hohe Lösungsgenauigkeit notwendig, die nur durch eine hohe Gitterqualität an den Einspeisungspunkten erreicht werden kann. Die numerische Diskretisierung der verhältnismäßig komplex strukturierten Hohlraumoberflächen und der Einspeisungspunkte auf dem Profil erfordert eine große Dynamik des Gittergenerators (Geometrieverhältnisse größer 1:1000), speziell bei der Berücksichtigung von Inhomogenitäten. In Vergleichsrechnungen erwies sich DCFEMLIB wegen der problemspezifischen Verteilung der Diskretisierungsdichte, insbesondere an den singulären Quellenpunkten, hinsichtlich der Genauigkeit und Effizienz der Lösung gegenüber FEMLAB als überlegen. Zur Untersuchung des Einflusses des Grubengebäudes auf die Messungen wurden für 280 Abstracts ein homogenes Modell mit der Referenzgeometrie einer Strecke mit Abzweigung, Ausbuchtung und Parallelstrecke mit DCFEMLIB die numerischen Potentiale auf einem Profil modelliert. Die Hohlräume des Grubengebäudes verursachten Abweichungen der 3DFE-Potentiale gegenüber der analytischen Lösung im Vollraum von wenigen Prozent bis etwa 100% bei Halbraum-Bedingungen. Abweichungen von 0% können als Grenze für denjenigen Dipolabstand angenommen werden, ab dem Vollraum-Bedingungen gelten. Die Geometrie der Grubenhohlräume wirkt sich dabei in lokalen Deformationen der Gültigkeitsgrenze für Vollraum-Bedingungen aus, die bei einer 2D-Inversion mit unkorrigierten Konfigurationsfaktoren als Widerstandsstrukturen erscheinen. Wird der Einfluss des Grubengebäudes bei untertägigen geoelektrischen Messungen nicht berücksichtigt, ist er als potentielle Fehlerquelle einzuschätzen, dessen Signifikanz jedoch maßgeblich vom Verhältnis der Auslagenweite zur Hohlraumgröße und von den Kontrasten der gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstände abhängt. REFERENZEN JACOBS, F., Just, A., Krause, Y., Tuch, A., Kniess, R., Schuck, A., Schulz, R., Kurz, G., Igel, J., Lindner, U., Schicht, T., Schwandt, A., Kühnicke, H., Schulze, E. (2003): Geophysikalische Erkundung als Beitrag zur Bewertung der Langzeitsicherheit von Endlagern und Untertagedeponien. Abschlussbericht zu den BMBFForschungs-Vorhaben Fkz. 02C0851, 02C0861, 02C0871, Leipzig 2003, in Vorbereitung. RÜCKER, C. (2003): 3D Finite-Elemente Methode zur DC Widerstandsmodellierung. Extended Abstract, S. 31: 63. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 23.-28. Februar 2003, Jena. SCHÖNFELDER, W., Just, A., Krause, Y., Jacobs, F. (2004): Untertagegeoelektrik im Salinar - Widerstandsbestimmung insitu und im Labor. Beitrag zur 64. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 8.-12. März 2004, Berlin. Geoelektrik 281 GEP03 Rücker, C. (Uni Leipzig), Günther, Th. (TU Freiberg) 3D-Inversion geoelektrischer Daten beliebiger Topographie auf Basis von FiniteElemente-Rechnungen am Beispiel einer Deicherkundung E-Mail: [email protected] Die rasante Entwicklung von Messaparaturen stellt auch die Entwicklung von Auswertealgorithmen vor immer neue Herausforderungen. Mit modernen Multielektrodenapparaturen ist es möglich, in kurzer Zeit sehr viele geoelektrische Einzelmessungen durchzuführen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Datensätze zur Erfassung des dreidimensionalen Charakters von Erkundungsproblemen zu gewinnen. Unebenes Gelände oder auch starke Widerstandskontraste im Messgebiet sind nur einige der Probleme, welche von modernen Interpretationskonzepten berücksichtigt werden müssen. Die Einbeziehung der Methode der Finiten Elemente in einen dreidimensionalen Inversionsprozess stellt für diese Probleme eine Möglichkeit zur Lösung dar. Mittels einer unregelmäßigen Tetraederdiskretisierung ist es möglich, beliebige Topographien in den Lösungsprozess zu integrieren und der Einfluss großer Widerstandskontraste kann stabil prognostiziert werden. Dies stellt die Basis für einen Inversionsalgorithmus dar. Die Diskretisierung eines Modellgebietes durch Tetraedern ermöglicht es, eine Parametrisierung zu finden, die sowohl die topographischen Eigenschaften des Modellgebietes als auch die Auflösungseigenschaften des Gesamtprozesses berücksichtigt. Ein grundlegendes Problem, welches sich aus dieser Freiheit ergibt, ist die Überführung dieser relativ groben Parametriesierung in ein Tetraedernetz, welches fein genug ist, um eine genaue Vorwärtsrechnung zu gewährleisten. Dabei bietet sich die Methode des singularity re- movals an, mit relativ geringem Aufwand die vielen im Inversionprozess benötigten Potentialberechnungen durchzuführen. Für die vorgegebene Topographie werden auf einem sehr feinen Gitter einmalig die Potentiale einer homogenen Leitfähigkeitsverteilung berechnet. Diese erlauben es, mit einem moderaten Gitter, dessen Leitfähigkeiten durch das Inversionsmodell beschrieben werden, effizient genaue Potentialberechnungen durchzuführen. Der nichtlineare Inversionsprozess basiert auf einem Quasi-Newton-Verfahren. Die Approximation der Sensitivitätsmatrix erfolgt in jedem Inversionsschritt über die Lösungen der Finite-Elemente-Rechnungen. Zusätzlich zum fehlergewichteten Datenmisfit wird iterativ ein Modellfunktional minimiert, welches eine Gesamt-Rauheit des Parameternetzes beschreibt. Zu diesem Zweck werden spezielle, auf die Tetraedergeometrie angepasste smoothness constraints definiert. Der Regularisierungsparameter λ zur Wichtung der regularisierenden Terme wird über ein L-KurvenKriterium bestimmt, das einen schnellen Löser des inversen Subproblems für viele λ voraussetzt. Am Beispiel eines synthetischen Modells, angepasst auf die Problematik der Untersuchung von Hochwasserdeichen, wird demonstriert, wie durch eine Kombination aus Finite-Elemente-Rechnung und optimierter Inversionsstrategie erfolgreich und effizient topographiebehaftete Daten dreidimensional interpretiert werden können. 282 Abstracts GEP04 Schwarzbach, C., Börner, R.-U., Günther, Th. (Freiberg) Ein paralleler genetischer Inversionsalgorithmus für die Geoelektrik E-Mail: [email protected] Das inverse Problem der Geoelektrik sucht räumliche Verteilungen der elektrischen Leitfähigkeit, die gemessene Daten im Rahmen ihrer Messfehler erklären. Durch Einschränkungen des Modellraums wird die Vielzahl möglicher Lösungen reduziert. Die Verwendung eines Finite-Differenzen-Vorwärtsoperators für die Berechnung der synthetischen Daten legt die Betrachtung stückweise konstanter Leitfähigkeitsmodelle nahe. Durch die Codierung der Modellparameter im genetischen Inversionsalgorithmus kann der Wertevorrat für die Leitfähigkeit auf eine diskrete Menge begrenzt werden. Weiterhin ermöglicht die Einführung von Modellrestriktionen bezüglich erwünschter Modelleigenschaften (z. B. Glattheit) die Einschränkung auf eine bestimmte Klasse von Modellen. Die inverse Aufgabe kann als multikriterielles, nichtlineares Minimierungsproblem formuliert werden, deren Lösungsmenge als die Menge der Pareto-optimalen Lösungen (Pareto-Menge) definiert wird. Die Lösung dieser Minimierungsaufgabe erfolgt mit Hilfe eines genetischen Algorithmus. Dabei kann unter Ausnutzung seiner populationsbasierten Arbeitsweise innerhalb eines Evolutionszyklus die gesamte Pareto-Menge approximiert werden. Klassische Inversionsverfahren erfordern hingegen die Linearkombination der Komponenten der vektorwertigen Zielfunktion zu einer skalarwertigen Zielfunktion. Deren Linearfaktoren bilden dann freie Parameter des Inversionsalgorithmus und stellen eine Parametrisierung des Graphs der Pareto-Menge dar. Auf der Grundlage des Non-dominated Sor- ting Genetic Algorithm II7 wurde ein Inversionsalgorithmus für die Geoelektrik entwickelt. Die große Anzahl erforderlicher Vorwärtsrechnungen ermöglicht derzeit nur die Inversion zweidimensionaler Datensätze unter Verwendung eines schnellen 2D-Finite-Differenzen-Vorwärtsoperators. Um mit hinreichender Zuverlässigkeit qualitativ hochwertige Lösungen mit einem genetischen Algorithmus zu erhalten, sind relativ große Populationen erforderlich. Diese benötigen jedoch eine große Anzahl von Zielfunktionsauswertungen pro Generation und viele Generationen bis zur Konvergenz. Deshalb wird die Population in kleinere Subpopulationen unterteilt und diese ihrer eigenen Evolution unterzogen. In regelmäßigen Abständen tauschen die Subpopulationen untereinander Individuen aus. Damit wird die schnelle Konvergenz kleiner Populationen mit der zuverlässigen Konvergenzeigenschaft großer Populationen kombiniert. Der entsprechende Algorithmus wurde für den Einsatz auf PCClustern oder Mehrprozessormaschinen unter Verwendung des Message Passing Interface (MPI) implementiert. Inversionsrechnungen mit realen 2D-Datensätzen auf einer SGI Altix-3700 zeigen erfolgversprechende Resultate, die mit den Ergebnissen einer klassischen Gauß-Newton-Inversion vergleichbar sind. 7 Deb, K., Agrawal, S., Pratap, A. und Meyerivan, T. (2000). A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGAII (Technischer Bericht Nr. 2000001). Kanpur Genetic Algorithms Laboratory (KanGAL), Kanpur, Indien. Geoelektrik 283 GEP05 Schleifer, N. (Montanuniversität Leoben), Junge, A. (J. W. Goehte-Universität Frankfurt/M.) IP im Frequenzbereich - Vergleichende Untersuchungen zur Auswahl der Messelektroden E-Mail: [email protected] Bei der Verwendung von MultielektrodenApparaturen werden Elektroden innerhalb weniger Minuten sowohl als Strom-, als auch Potentialelektroden eingesetzt. Es ist bekannt, dass Stahlelektroden direkt nach der Stromeinspeisung über ein Eigenpotential verfügen können, welches deutlich über der Potentialantwort des Untergrundes liegt und erst nach einigen Minuten vollkommen abgeklungen ist (Dahlin, 2000). Allgemeine Lehrbücher vertreten die Meinung, dass die Induzierte Polarisation die Verwendung von unpolarisierbaren Potentialelektroden erfordert. Diese Elektroden sind aus der Eigenpotentialmessung bekannt. Sie bestehen meist aus Kupferelektroden, die sich in gesättigter CuSO4 -Lösung befinden. Der Kontakt zum Untergrund wird über die Lösung und poröse Keramiktöpfe hergestellt. Auf der anderen Seite existiert die Meinung, dass man Stahlspieße bei Messungen im Frequenzbereich bedenkenlos einsetzen kann und nur im Zeitbereich unpolarisierbare Elektroden zwingend notwendig sind. Die Untersuchungen wurden mit einer SIP256 Multielektroden-Apparatur durchgeführt. Der Vorteil dieses Instruments ist es, dass sich an jede Remote Unit eine Strom- und eine Potentialelektrode getrennt voneinander anschließen lassen. Dadurch vermeidet man die beim Wechsel von Strom- zu Potentialelektrode beobachteten Polarisationseffekte . Analog zu den Untersuchungen von Dahlin et al. (2002) im Zeitbereich soll überprüft werden, ob sich qualitative Unterschiede zwischen einer entkoppelten Messanordnung und einer Anordnung mit nur einer Elektrode für Stromeinspeisung und Potentialmessung bei IP im Frequenzbereich ergeben. Der Einfluss standortspezifischer Bodenparameter wird durch Messungen an drei verschiedenen Lokationen berücksichtigt. Im Pandelbachtal bei Seesen am Harz findet sich ein mittelalterlicher Verhüttungsplatz mit zahlreichen oberflächennahen Schlackegruben und Verhüttungsöfen. Ein hohes Eigenpotential des Untergrundes ist zu erwarten. Am Büraberg fand die Messung auf einem bewirtschafteten, während der Messung sehr trockenen Lössboden statt. Der Einfluß der Ankopplungsbedingungen konnte hier studiert werden. Die dritte Messlokation lag im Federseemoor etwa 50 km nördlich des Bodensees. Eine extrem hohe Bodenfeuchte bestimmte hier die Rahmenbedingungen. Das Reziprozitätsprinzip spielt eine wesentliche Rolle beim durchgeführten Vergleich. Aus diesem Grund wurde mit der Dipol-DipolKonfiguration eine Messgeometrie gewählt, bei der das Prinzip gewährleistet ist. Insgesamt wurden drei verschiedene Anordnungen miteinander verglichen: Anordnung A: Jede einzelne Edelstahlelektrode für Stromeinspeisung und Potentialmessung 284 Abstracts Anordnung B: Jeweils zwei entkoppelte Elektroden; eine Edelstahlektrode für die Stromeinspeisung und eine unpolarisierbare CuCuSO4 -Elektrode für die Potentialmessung. Anordnung C: Jede einzelne unpolarisierbare CuCuSO4 Elektrode für die Stromeinspeisung und Potentialmessung. Alle Profilmessungen, die für die Vergleiche herangezogen werden, erfolgten unmittelbar hintereinander; es wurden zwischen 21 und 41 Elektroden verwendet Ein Spektrum aus vier Frequenzen (1.06, 3.18, 9.54 und 28.6 Hz) wurde eingespeist. Die Stromamplitude verteilt sich dabei logarithmisch auf die vier Frequenzen, wobei mit zunehmender Frequenz die Amplitude abnimmt. Gemäss dem für die SIP 256 vorgegebenen automatisierten Messablauf findet bei den Anordnungen A und C der Wechsel von Strom- zu Potentialdipol bei reziproker Messanordnung statt. Nach Dahlin (Dahlin, 2000) können durch Polarisationseffekte an den Elektroden bei Gleichstrommessungen die scheinbaren spezifischen Widerstände um ein Vielfaches ansteigen. Dies sollte bei niederfrequentem Wechselstrom (3.18 und 9.54 Hz) erhöhte reziproken Messwerte zur Folge haben. Mehrere Kriterien wurden zur Beurteilung der einzelnen Anordnungen herangezogen. Zum einen wurde die Datenqualität und der Informationsgehalt der Pseudosektionen verglichen, zum anderen die Messwerte der einzelnen Anordnungen miteinander korreliert und Verteilungskurven zur Beurteilung der Abweichung vom Reziprozitätsprinzip herangezogen. Der Einfluß der Messfrequenz und der Stromamplitude auf die Qualität der Phasen- und Widerstandswerte wurde ebenfalls untersucht. Es zeigte sich, dass in Messgebieten, in denen mit einem schwach polarisierbaren Untergrund zu rechnen ist, mit Anordnung A eine mindestens gleichwertige Datenqualität erzielt wird. Anordnung A empfiehlt sich damit für SIP-Messungen bei denen Objekte mit geringer Polarisierbarkeit untersucht werden sollen, z.B. Verfüllungen oder hydrogeologische Fragestellungen. Wenig überraschend war, dass die Verwendung von Anordnung B und C zu besseren Ergebnissen bei einem stark polarisierbaren Untergrund führte. Am mittelalterlichen Verhüttungsplatz im Pandelbachtal konnte außerdem festgestellt werden, dass die Verwendung von Anordnung C selbst bei geringerer Stromamplitude die Datenqualität der Widerstandsmessung verbessert und nicht wie erwartet die Qualität der Phasenmessung. Da die Vergleichsmessungen nur mit der SIP-256 und in einem begrenzten Frequenzbereich durchgeführt wurden, bleibt offen, ob sich die Ergebnisse mit anderen Apparaturen reproduzieren lassen bzw. auf einen größeren Frequenzbereich übertragbar sind. Literatur: Dahlin, T. (2000): Short note on electrode charge-up effects in DC resistitivty data acquisation using multi-elctrode arrays.Geophysical Prospecting, 48, S. 181-187. Dahlin, T.; Leroux, V. und Nisson, J. (2002): Measuring techniques in induced polarisation imaging. Journal of Applied Geophysics, 50, S. 279-298. Webseite: http://www.unileoben.ac.at Geoelektrik 285 GEP06 Möller, M., Weller, A. (TU Clausthal) Geoelektrische Bohrloch-Bohrlochtomografie an einem Staudamm E-Mail: [email protected] Die Mehrzahl der geoelektrischen Widerstandsmessungen findet an der Erdoberfläche und nicht im Bohrloch statt. Die Gründe hierfür liegen neben der relativ einfachen Durchführbarkeit der Oberflächenmessungen in den hohen Kosten für das Abteufen von Bohrungen und für die Spezialausrüstung der Bohrlochmessung. Sind Bohrungen in geringem Abstand voneinander abgeteuft, so kann mit Messungen zwischen den Bohrungen im Vergleich zu Oberflächenmessungen eine bessere Auflösung in gößerer Tiefe erreicht werden. Während einer Voruntersuchung wurden verschiedene Widerstandsmodelle erzeugt, die sich zwischen zwei Bohrungen im Abstand von 10 m befanden, darunter die Modelle eines leitfähigen Körpers in einer schlechtleitenden Umgebung und umgekehrt. Mit dem Programm DC2DSIRT von A. Kampke wurden für die jeweiligen Modelle und Elektrodenkonfigurationen Messwerte modelliert und anschließend invertiert. Eine Auswertung ergab, dass die Pol-Dipol-Anordnung für alle Modelle die besten Inversionsergebnisse und eine gute Auflösung lieferte. Die beiden anderen Anordnungen besaßen geringere Datenkontraste und die vorgegebenen Modelle konnten weniger gut rekonstruiert werden. gen und Bohrloch-Bohrlochmessungen vergleichbar sind. Der Damm hat am Fuß eine Breite von ca. 35 m und eine Höhe von ca. 9 m. Auf einem Profil senkrecht zur Dammkrone sind drei Bohrungen vorhanden, zwischen denen gemessen wurde. Die Oberflächenmessung erstreckte sich über die luftseitige Dammflanke. Hiefür wurde die HalbeWenner-Anordnung im Vorwärts- und Rückwärtsmodus gemessen mit einer Referenzelektrode im Unendlichen. Für die BohrlochBohrlochmessungen kamen 2-, 3- und 4Elektrodenanordnungen zum Einsatz (PolPol, Pol-Dipol und Dipol-Dipol) sowohl in nur einer Bohrung als auch zwischen beiden Bohrungen. Mit einer Apparatur vom Typ GMS150 der Firma GeoSys GmbH Leipzig und zwei Bohrlochelektrodenketten wurde die BohrlochBohrlochtomografie durchgeführt. Jede dieser Ketten, die am Institut für Geophysik der TU Clausthal gefertigt wurden, ist mit 6 aufblasbaren Elektroden in einem Abstand von 1 m bestückt. Länge und Durchmesser einer Elektrode betragen 300 mm bzw. 44 mm. Sie können bis zu einem Durchmesser von 70 mm aufgepumpt werden. Der Vorteil einer solchen Elektrode ist, dass sie auch in trockenen An einem Staudamm wurden sowohl Ober- Bohrungen verwendet werden kann und direkt flächenmessungen als auch tomografische über die Bohrlochwand den elektrischen KonMessungen zwischen jeweils zwei Pegelboh- takt zum Gebirge herstellt. rungen durchgeführt. Sie hatten zum Ziel, Die Auswertung der gemessenen scheinbatheoretisch gewonnene Erkenntnisse über un- ren spezifischen elektrischen Widerstände erterschiedliche Messkonfigurationen in der folgte mit dem Programm DC2DSIRT. InsgePraxis zu überprüfen und festzustellen, inwie- samt betrachtet ist die Datenqualität als gut weit die Ergebnisse von Oberflächenmessun- bis sehr gut zu bezeichnen. Aufgrund klei- 286 Abstracts Abbildung 1: Inversionsergebnisse Bohrlochtomografie von ner Messsignale und der geringeren Datenmenge der Dipol-Dipol-Messung ist die Qualität bei diesen Daten am geringsten. Es zeigte sich, dass die Pol-Dipol-Daten insbesondere bei flachen Bohrungen stark von der Oberflächentopografie beeinflusst werden. Sie können nur nach einer aufwendigen Topografiekorrektur in die Auswertung mit einbezogen werden. Unter den genannten Umständen beschränkt sich die Auswertung auf Daten aus der Pol-Pol-Messung. Obwohl der Datenkontrast vergleichsweise gering ist, zeigen Messungen der Pol-Pol-Konfiguration eine gute Reproduzierbarkeit, die Abweichungen bei reziproken Messungen betragen maximal 6 Prozent. Abbildung 1 zeigt die gemeinsame Darstellung der Inversionsergebnisse von Oberflächenmessung und BohrlochBohrlochtomografie als Vertikalschnitt durch den Staudamm. Als Ergebnis der Untersuchungen kann festgehalten werden, dass die rekonstruierten Widerstandsverteilungen der Bohrloch-Bohrlochmessungen nahtlos an die Oberflächenmessung und Bohrloch- der Oberflächenmessung anschließen. In Bereichen, wo der Eindringtiefe der Oberflächenerkundung Grenzen gesetzt sind, vermögen Bohrloch-Bohrlochmessungen die Untersuchung in der Tiefe zu vervollständigen oder zu ergänzen. Geoelektrik 287 GEP07 Günther, Th., Petzold, A. (TU Freiberg) Optimierung von geoelektrischen Datensätzen in Theorie und Praxis E-Mail: [email protected] Mit der Nutzung von MultielektrodenApparaturen werden in kurzer Zeit sehr viele geoelektrische Messungen durchgeführt. Dabei können beliebige Muster aus stromund spannungsführenden Elektroden geschalten werden. Trotz dieser Möglichkeit werden in der Praxis noch klassische Konfigurationen vermessen, wohl auch aus Gründen der Anschaulichkeit der Pseudosektionen. Das Ziel einer Optimierung des Messdesigns besteht demnach in der Suche nach überschaubaren Datensätzen, die ein Maximum an Information pro Datenzahl erzielen. Das Ergebnis ist dabei abhängig von der gewünschten Untersuchungstiefe und a-priori vorhandenen Modellvorstellungen. Wichtig erweist sich, die statistischen Fehler der einzelnen Messungen einzubeziehen. Diese können über die Registrierung der Standardabweichung, der Einbeziehung der Konfigurationsfaktoren und die Abschätzung von geometrischen Fehlern ermittelt werden. Inversionsalgorithmen beruhen auf der iterativen Minimierung der fehlergewichteten Diskrepanz zwischen Daten und Modellanwort unter Einbeziehung von zu stellenden Nebenbedingungen. Ähnlich wie in der linearen Inversionstheorie können Auflösungsoperatoren für die nichtlineare Inversion bestimmt werden. Dabei wird die Regularisierung mittels Nebenbedingungen als Kompromiss zwischen Abbildungstreue und der Wirkung von Datenfehlern interpretiert. Die Modellauflösung beschreibt die Abbildung der realen Strukturen in das Inversionsergebnis. Daraus wird ein Informationsgehalt abgeschätzt, der die Aussagekraft des Datensatzes widerspiegelt. Das Verhältnis aus Informationsgehalt und Datenzahl beschreibt die Informationseffizienz des Datensatzes. Unter Betrachtung der Informationsdichtematrix können die Gewichte der einzelnen Datenpunkte im Inversionsprozess und auftretende Redundanzen ermittelt werden. Das Werkzeug der Auflösungsoperatoren kann somit genutzt werden, um Datensets zu bewerten und zu optimieren. Verschiedene klassische Datensätze können bezüglich ihrer Auflösungseigenschaften unter variierenden Noisebedingungen und für verschiedene Inversionsverfahren verglichen werden. Es kann gezeigt werden, dass eine sinnvolle Kombination von Teildatensätzen zu erhöhten Informationseffizienzen und damit zu aussagefähigeren Modellen bei Reduzierung des Aufwandes führt. Die Ergebnisse dieser Modellstudien werden dabei durch praktische Messungen an einer bekannten Struktursituation verifiziert, die zeigt, dass erhöhte Auflösungsmaße mit einer besseren Parameterbestimmungen korrelieren. Webseite: http://www.geophysik.tufreiberg.de/spitzer/ GG Gravimetrie/Geodäsie Gravimetrie/Geodäsie 289 GG01 – Di.,09.3.,09:30-09:50 Uhr · H0110 Afework, Y., Olesen, O., Ebbing, J. (NGU, Trondheim) Reinterpretation of regional gravity data in the Permian Oslo Rift E-Mail: [email protected] The Geological Survey of Norway has recently made a new compilation of potential field and petrophysical data from the Oslo Region. These enable a detailed interpretation of the crustal structure by the aid of 3D density modeling. The new gravity interpretation challenges the longstanding belief of a wide, underplated magmatic body below the Oslo Rift as the source of the observed regional gravity anomaly. Since the early seventies the observed pronounced gravity high in the Oslo Rift was presumed to be a shallow Moho overlain by a high-density body. According to Ramberg (1976), the presumed body has a width similar to the Oslo Rift itself. Later, multidisciplinary studies of the rift (e.g. Olsen et al. 1987) propose that the magmatic body extends 30 km to the east of the rift flank, below the Precambrian rocks. Somehow in contradiction, a combined deep seismic and gravity interpretation of the northern Skagerrak Graben by Lie and Husebye (1993) shows a convincing fit to the observed Bouguer gravity anomaly using a seaward extension of the Bamble Complex without the need to invoke a deep underplated magmatic body. In general, the gravity field of the Oslo Region has a steep, westward-facing gradient partly located to the west of the rift, and a much gentler eastern gradient. The asymmetry of the anomaly, combined with the steep gradient, points to the over-thrusted high-grade and high-density Kongsberg Complex as the main source of the positive gravity anomaly. Our interpretation is in accordance with the gravity model from northern Skagerrak (Lie and Husebye 1993). The model extends from the Bamble Complex all the way to the Kongsberg Complex below the strong gravity gradient along the western margin of the Oslo Rift. In this interpretation, the main source of the strong gravity gradient is not located within the graben structure. The model is constrained by published seismic and density data, and is consistent with the regional bedrock map of southeastern Norway. References: Lie, J.E. and Husebye, E.S. 1993: Seismic imaging of upper crustal basement faults in the Skagerrak Sea. Tectonophysics 219, 119-128. Olsen, K.H., Balridge, W.S., Larsen, B.T., Neumann, E.-R. and Ramberg, I.B. 1987: A lithospheric transect across the Oslo paleorift. EOS, Trans. Am. Geophys. Union 48, p 1480. Ramberg, I.B. 1976: Gravity interpretation of the Oslo Graben and associated igneous rocks. Nor. geol. unders. Bull. 325, 194 pp. Web page: http://www.ngu.no 290 Abstracts GG02 – Di.,09.3.,09:50-10:10 Uhr · H0110 El-Kelani, R. (FU Berlin), Götze, H.-J. (U Kiel), Rybakov, M. (GII), Hassouneh, M. (NRA), Schmidt, S. (FU Berlin) Crustal Structure of the Dead Sea Rift from Gravity Data: 3-dimensional Modeling E-Mail: [email protected] The unique geological setting of the Dead Sea rift, where the inception of plate boundaries within the continental rift is clearly observed, makes the region the main focus of interest for geoscientific researchers. The nature of the crust underlying the eastern and western shoulders of the rift as well the Dead Sea depression (Jordan Rift Valley) have been controversial among researchers for the past five decades. The Dead Sea Rift forms a part of the largest Tertiary-Quaternary rift system which extends from Gulf of Aqaba in the south to Syria and Turkey in the north. The rift, like the rest of the East African Rift System, has undergone a very complicated geological evolution and tectonic history. In the present work, an attempt is made to prepare a high-resolution 3-dimentional gravity model of the southern part of the Jordan Dead Sea Transform. The results of the recent seismic reflection/refraction experiments (DESERT 2000) in Wadi Araba, which cross the eastern and western Jordan Rift Plateaus have been used to constrain the initial 3dimentional gravity model of the graben. The gravity data were mainly collected by the Natural Resources Authority (NRA) of Jordan and the Geophysical Institute of Israel (GII). The present study incorporates additional gravity data measured by joint collaboration between several geophysical institutes: Germany (FU Berlin); Jordan (NRA); Israel (GII) and Palestine (Earth Sciences and Seismic Engineering Centre (ESSEC) at An-Najah National University). The general geological information of the study area have been incorporated both in the qualitative and quantitative interpretation stage of the observed Bouguer gravity anomaly. The three-dimensional interpretation of the newly compiled Bouguer anomaly map is part of the DESERT 2000 Transect. which is a multi-disciplinary and multinational project studying for the first time the Dead Sea Transform (DST) fault system from the Mediterranean Sea to Saudi Arabia across the international border in the NW-SE direction. The negative Bouguer anomalies (with magnitude reached -130 mGal), located into transform valley, are caused by the internal sedimentary basins filled by the light density young sediments (≥ 10 km). A highresolution 3-D model constrained with the seismic results reveals a possible crustal thickness and density distribution beneath the DST valley. The inferred zone of intrusion coincides with the maximum gravity anomaly over the eastern flank of the DST. The intrusion is displaced at different sectors along the NW-SE direction. The zone of the maximum crustal thinning (≤ 30 km) is attained in the western sector at the Mediterranean. The south-eastern plateau, on the other hand, shows by far the largest crustal thickness in the region (38-42 km). Linked to the left lateral movement of ≈ 105 km at the boundary between the African and Arabian plate, and constrained with the DESERT 2000 seismic data, a small asymmet- Gravimetrie/Geodäsie ric topography of the Moho beneath the DST was modelled. The thickness and density of the crust suggest that a continental crust underlies the DST. The deep basins, the relatively large nature of the intrusion and the asymmetric topography of the Moho lead to the conclusion that a small-scale asthenospheric upwelling(?) might be responsible for the thinning of the crust and subsequent rifting of the Dead Sea graben during the left lateral movement. 291 292 Abstracts GG03 – Di.,09.3.,10:10-10:30 Uhr · H0110 Heidbach, O. (Karlsruhe), Drewes, H. (München, DGFI) Modellierung des interseismischen Geschwindigkeitsfeldes von Südamerika E-Mail: [email protected] Wir stellen die Ergebnisse zweier Modellansätze zur Modellierung des interseismischen Geschwindigkeitsfeldes von Südamerika aus GPS-Beobachtungen vor. Ziel ist, ein modelliertes Geschwindigkeitsfeld für die Korrektur des Südamerikanischen geozentrischen Referenzsystems SIRGAS zur Epoche 2000.4 zu erhalten. Um die Lagekoordinaten zu einer anderen Epoche zu beschreiben, muss eine kinematische Korrektur angewendet werden. Zur Modellierung verwenden wir die Methode der Kollokation (Least Square Collocation - LSC) und die Methode der Finiten Elemente (FEM). Kinematische Randbedingungen beider Modellansätze sind die 329 GPSGeschwindigkeiten von Permanentstationen und verschiedenen Messkampagnen (SNAPP, CAP, SAGA, CASA, RNAAC-SIR, SIRGAS und IGS). Die verschiedenen Datensätze werden auf ein einheitliches Referenzsystem transformiert. Für beide Modellansätze wird das Modell in zwei Regionen unterteilt: Den stabilen Teil Südamerikas und den deformierbaren, der im wesentlichen durch die Orogene ausgezeichnet ist. Die Grenzlinie ist durch die räumliche Verteilung der krustalen Seismizität, die Lage der aktiven Störungen und die Topographie bestimmt. Das Finite Elemente Modell besteht aus ca. 90.000 quadratischen Elementen. Der stabilen Region wird ein E-Modul von 70 GPa zugewiesen, dem deformierbaren 30 GPa und einer schmalen Zone (ca. 50 km Breite) entlang der Grenzlinie 1 GPa, um die an den aktiven Aufschiebungen stattfindende Deformation zu simulieren. Die horizontale El-Pilar-Boconó Störung ist als Kontaktfläche mit geringem Reibungskoeffizienten (µ=0.1) in das FE-Modell implementiert. Beide Modelle zeigen eine deutliche Variation der Breite des Deformationsgürtels und ein uneinheitliches Geschwindigkeitsfeld südlich von 37 Grad Süd. Die Bewegung relativ zum stabilen Teil Südamerikas ist im wesentlichen West-Ost gerichtet und weist Beträge bis zu 3 cm/a auf. Der Vergleich der beiden Modellansätze zeigt eine gute Übereinstimmung. Die größten Abweichungen zwischen den beiden Modellansätzen mit bis zu 8 mm/a liegen in Regionen in denen nur wenige GPS-Beobachtungen vorliegen. Dies liegt an dem Kollokationsmodell, da es in Regionen mit geringer Datendichte aufgrund der abnehmenden Korrelationslänge zwischen den Signalen, keine gute Prädiktion mehr erzielen kann. Die mittlere Abweichung zwischen den beiden Modellansätzen liegt bei 3,3 mm/a. Gravimetrie/Geodäsie 293 Abbildung 1: Abbildung: Interseismisches Geschwindigkeitsfeld der FE-Modellierung (schwarze Vektoren) und GPS-Geschwindigkeiten (weiße Vektoren) aus den Beobachtungsnetzen von SNAPP, CAP, SAGA, CASA, SIRGAS und RNAAC-SIR und IGS-Stationen. Profile zeigen die GPS-Geschwindigkeiten mit Fehlerbalken aus einem 0.5 Grad-Korridor und die FE/LSC Modellergebnisse. PBF=El-Pilar-Boconó Störung. 294 Abstracts GG04 – Di.,09.3.,10:30-10:50 Uhr · H0110 Kroner, C., Jahr, T. (FSU Jena), Sauter, M. (Uni. Göttingen), Krause, P., Fink, M., Scholten, Th. (FSU Jena) Gravimetrie und Hydrogeologie - ein neues Dreamteam? E-Mail: [email protected] Stationäre Beobachtungen des Schwerefeldes wie auch Wiederholungsmessungen werden seit Jahren erfolgreich eingesetzt, um geodynamische Vorgänge zu untersuchen, die mit Massenverlagerungen einhergehen. Daß Änderungen im Grundwasserspiegel und der Bodenfeuchte in den Schweredaten signifikante Signale produzieren, wird seit über 30 Jahren beobachtet. Die kontinuierlichen Schwereregistrierungen wie auch deren Bearbeitung haben zwischenzeitlich eine Qualität erreicht, die es erlaubt, die hydrologischen Signale sowohl in ihren einzelnen Phasen als auch in ihrer Langzeitvariation zu untersuchen. Die Informationen aus den Schwerebeobachtungen könnten damit zur Validierung aber auch Parametrisierung für hydrogeologische Modellierungen herangezogen werden. Der große Nutzen von Schweredaten besteht darin, daß das Gravimeter integral hydrologische Massenverlagerungen in hoher zeitlicher Auflösung erfaßt und die Daten damit eine wertvolle Ergänzung zu den meteorologisch–hydrologischen Punktmessungen darstellen. Für das Geodynamische Observatorium Moxa (Thüringen) soll die Verwendungsmöglichkeit von Schweredaten in hydro(geo)logischen Modellierungen mit besonderem Schwerpunkt auf der Hangwasserdynamik, exemplarisch untersucht werden. Geplant sind hierfür gemeinsame hydrogeologische und geophysikalische Modellierungen. Durch die hydrogeologische Modellierungen werden hierbei räumlich und zeitlich dynamische Informationen bezüglich des Wassergehalts in den einzelnen Bereichen des Observatoriums bereitgestellt und anhand der Schwerevariation validiert. Diese Information findet dann Eingang in die geophysikalische Modellierung, mit der der Schwereeffekt für verschiedene Punkte im Observatoriumsbereich berechnet und der hydrologische Einfluss quantifiziert wird. Das Resultat wird dann mit der Schwerebeobachtung verglichen. Moxa ist für diese Untersuchungen aus mehreren Gründen besonders gut geeignet: • Das Observatorium ist im weltweiten Vergleich eines der rauschärmsten, d.h. die geodynamischen Registrierungen haben hohe Signal–Stör–Abstände; • Das zu modellierende Gebiet ist mit etwa 6 km2 überschaubar; • Mit den Daten des supraleitenden Gravimeters in Moxa steht eine mehrjährige langzeitstabile Registrierung zur Verfügung, die es ermöglicht, Signale in der Größenordnung von wenigen nm/s2 über einen Zeitraum von einigen Minuten bis zu einem Jahr signifikant aufzulösen; • In Moxa wird ein signifikanter hydrologischer Einfluß auf die Schwere in der Größenordnung einiger 10er nm/s2 beobachtet; • Neben der Schwerezeitreihe stehen auch meteorologische und hydrologische Datensätze für einen Zeitraum von mehreren Jahren bereits zur Verfügung. Gravimetrie/Geodäsie Im ersten Schritt ist geplant, in der Observatoriumsumgebung weitere Sensoren zur Erfassung hydrologischer Parameter zu installieren. Desgleichen soll sich noch ein genaueres Bild der lokalen Untergrundverhältnisse anhand von Bodenkartierungen und geophysikalischen Messungen verschafft werden. Parallel dazu werden die Modellierungen vorbereitet. Zusätzlich ist vorgesehen, in Moxa ein lokales Meßnetz einzurichten, auf dem Wiederholungsmessungen mit Feldgravimetern vorgenommen werden sollen. Die geplanten Meßkampagnen sollen vor und nach Starkniederschlagsereignissen stattfinden sowie jeweils einmal im Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Hier soll untersucht werden, inwieweit sich mit herkömmlichen Gravimetern hydrologisch bedingte Schwereeffekte nachweisen lassen. Sollten die Untersuchungen ergeben, daß Schwerebeobachtungen für hydrogeologische Modellierungen von großem Nutzen sind, stellt sich die Frage nach der praktischen Umsetzung der Messungen für andere Gebiete, die größtenteils nur mit Feldgravimetern realisiert werden können. Erste Testmessungen in Moxa mit zwei LaCoste & Romberg–Gravimetern haben gezeigt, daß es grundsätzlich möglich ist, mit diesen Instrumenten Schwereänderungen in der Größenordnung von 10 nm/s2 signifikant nachzuweisen. 295 296 Abstracts GGP01 Ebbing, J., Olesen, O. (NGU, Trondheim) The Isostatic state and the Neogene uplift of the Scandinavian Mountains E-Mail: [email protected] The present uplift of Fennoscandia reveals local uplift pattern that cannot be explained by postglacial rebound. A variety of mechanisms have been suggested to generate both the Neogene and the present uplift component of the Scandinavian mountains. The calculation of isostatic gravity and geoid residuals enables us to discuss the previously proposed models in the context of flexural rigidity of the lithospheric plate, local density distribution and tectonic stress field. Assuming that the region is close to isostatic equilibrium, these uplifted mountainous areas must be supported by substantial volumes of low-density material within the crust or the mantle. The Scandinavian mountains must to a large degree be locally compensated since the width of these topographical loads is in the order of 200-300 km. The observed Bouguer gravity field has therefore been compared with gravity responses from an Airy root located at various depths below the Scandinavia mountains. The calculated gravity is most similar to the observed gravity field for low-density rocks at a shallow depth in northern Norway. This differs significantly from the southern mountains where the result point to partly support by lowdensity rocks below the Moho. The isostatic gravity and geoid effect are in addition calculated due to different values of the flexural rigidity of the elastic lithosphere. The analysis indicates that the northern and southern Scandinavian mountains exhibit different isostatic situations. In the southern part the flexural rigidity of the lithosphere (D=1E23 Nm) is partly compensating the to- pographic loading. The isostatic gravity and geoid residuals point to additional sources within the upper mantle. In the northern Scandinavian mountains the lithosphere shows no significant rigidity and the uplift pattern and isostatic residuals are more locally influenced. The tectonic situation is more complex as local subsurface loading (e.g. a large extended granitic intrusion) and horizontal tectonic forces dominate the uplift processes. Web page: http://www.ngu.no Gravimetrie/Geodäsie 297 GGP02 Prutkin, I. (Ruhr-Universität Bochum) Potential field data inversion for 3D objects of arbitrary shape: theory and case histories E-Mail: [email protected] Developed are theoretical foundations, numerical algorithms and packages of computer programs to find geometry of 3D restricted body of arbitrary shape, one ore several 3D contact surfaces using square gravity (or magnetic) data. It should be emphasized, that we have managed to get rid of any modeling: new integral equations have been derived to find a function, determining geometry of the object sought, which integrands are algebraic relative to the function sought and don’t contain its derivatives. The method of local corrections has been suggested, which makes it possible to curtail the time required to solve an inverse problem approximately by an order of magnitude. The parameterization of the solution sought and regularization of an inverse problem were studied. Our technique has been successfully used in mining, prospecting and space geophysics. The inversion of the difference of temporal micro gravity measurements provides the means of permanent control over mining process. The opportunity to find density contrast surface (barren rock-ore or air-ore boundary) at any moment you need has permitted to improve mining technology.Special algorithm has been derived to extract a gravitational effect of the sources in the horizontal layer between given depths. With aid of it 3D relief of the upper boundary of pre-Jurassic rocks was found using square gravity measurements mainly. Subsequent comparison of the relief obtained with the position of the boundary according to the seismic profile, unknown for the author beforehand, has revealed their quite satisfactory coincidence. The volume model of Kendykty granitoid massif has been constructed. 3D geometry of the diorite core in the granite block has been recovered, which lower boundary was expected to be a metallotect. Gravitational and magnetic models of core-mantle boundary were suggested. Their correlation led us to some hypothesis on the core material flow. The method of local corrections allowed to derive the algorithm to find 3D relief of conductivity contrast surface using square electromagnetic data (in direct current approximation or in quasistatic approximation). Recently our algorithms were applied for gravitational data inversion near Crete. Density distributions and contact surfaces were found. 298 Abstracts GGP03 Hördt, A. (Universität Bonn), Fabian, M. (Universität Bonn) Neigungsmessungen an der Hangrutschung Dollendorfer Hardt E-Mail: [email protected] Hangrutschungen sind Forschungsobjekte von hoher gesellschaftlicher Relevanz, da immer wieder bestehende Gebäude gefährdet oder gar neue Siedlungen auf rutschgefährdeten Hängen errichtet werden. Eine grundlegende Fragestellung ist die Art der Bewegung eines rutschenden Hanges. Man kann hier zwischen kontinuierlich rutschenden Hängen, episodischen Bewegungen und durch externe Einflüsse getriggerten Rutschungen unterscheiden. Die Bewegung von Hängen wird klassischerweise u.a. mit Inklinometern untersucht. Die Geräte messen die Vertikalneigung in einer Bohrung gegen das Lot und haben typische Winkelauflösungen von 100 Microradiant (0.1 mm/m). Sie zeichnen nicht kontinuierlich auf, sondern werden in Zeitabständen von Tagen oder Wochen abgelesen. Um zu prüfen, ob sich durch zeitlich hochauflösende, hochgenaue Messungen eine substanzielle Verbesserung der Aussagen treffen lässt, wurde eine Studie an der Hangrutschung Dollendorfer Hardt bei Königswinter durchgeführt. Installiert wurde ein Bohrlochneigungsmesser vom Typ AGI Model 722 in 2.9 m Tiefe, und ein Plattformneigungsmesser Typ AGI Model 701-2. Der Plattformneigungsmesser wurde in einer ca. 30 cm tiefen Grube auf einer Steinplatte über einer Sandfläche aufgestellt und mit einem massiven Eisendeckel geschützt. Beide Geräte haben eine Auflösung von 0.1 Mikroradiant (0.1 Mikrom/m) und wurden an einem Datenlogger bei einem Abtastintervall von 1 Minute betrieben. Zusätzlich wurden 2 Drucksonden zur Messung des Grundwasserpegels, und insgesamt 4 Temperatursonden jeweils in verschiedenen Tiefen Abbildung 1: x- und y Komponente für beide Neigungsmesser an der Dollendorfer Hardt als Funktion der Zeit. Die y- Komponente ist hangaufwärts (Nord) positiv, die xKomponenten ist positiv nach Osten. Abbildung 2: x- Komponente des Bohrlochund des Plattformneigungsmessers, Dollendorfer Hardt, gemeinsam mit der Pegelmessung (1 mbar entspricht etwa 1 cm), für einen Ausschnitt von 10 Tagen. Gravimetrie/Geodäsie installiert. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Daten der 4 Komponenten der Neigungsmesser für einen Zeitraum von etwa 6 Monaten. Die Qualität der Daten ist insgesamt hoch. Lediglich einige Datenlücken, verursacht durch Wartung und Geräteausfälle, sowie verrauschte Daten treten in einer Komponente im ersten Monat der Messreihen auf. Die Daten werden durch einen langperiodischen Anteil dominiert. Es sind jedoch auch einzelne kurzfristige Ereignisse, sowie Tagesgänge zu erkennen. Besonders erwähnenswert ist, dass der Plattformneigungsmesser trotz der einfachen Installation systematische und mit dem Bohrlochgerät korrelierte Signale liefert. Abbildung 2 zeigt einen kurzen Ausschnitt der x-Komponenten, gemeinsam mit dem GW-Pegel für ein Niederschlagsereignis. Das Bohrloch- und das Plattformgerät reagieren gleichzeitig und direkt auf den Niederschlag. Der Pegel steigt jedoch erst einige Tage später an. Dies ist vermutlich auf eine direkte Deformation des Bodenkörpers, verursacht durch die Auflast der Niederschläge, zurückzuführen. In beiden Geräten ist ein Tagesgang zu beobachten, dessen Amplitude allerdings zeitlich variiert. Die Ursache der zeitlichen Variation ist unklar. Aus einer noch höher aufgelösten Betrachtung der Daten (hier nicht gezeigt) ergeben sich folgende weitere Folgerungen für den Stationsbetrieb: Der Bohrlochneigungsmesser erreicht eine Auflösung von 0.1 Mikroradiant, während beim Plattformgerät der Rauschpegel etwa 2 Mikroradiant beträgt. Die kleinste Zeitskala, auf der kohärente Signale vorliegen, liegt bei etwa1 Stunde, so dass eine Abtastung mit ca. 15 Minuten notwendig wäre, um die hier relevanten Effekte zu erfassen. Die Vermessung einer Hangrutschung mit 299 hochauflösenden Neigungsmessern bringt erheblichen Erkenntnisgewinn verglichen mit der klassischen Inklinometermessung. Die langperiodischen Bewegungen hoher Amplitude könnten prinzipiell auch mit Inklinometern erfasst werden.Kurzfristige Ereignisse wie z.B. Niederschlagseffektet und insbesondere zeitnahe Vorläufer eines Rutschvorganges würden jedoch mit konventionellen Messungen übersehen bzw. können grundsätzlich nicht aufgelöst werden. In der Rutschung des Hanges sind keine episodischen Bewegungen zu erkennen, die nicht durch Niederschläge verursacht werden. Der Hang ist daher als im Mittel kontinuierlich rutschend und extern getriggert einzustufen. Eine umfassende Untersuchung sollte die Kombination von Inklinometern, hochauflösenden Neigungsmessern in verschiedenen Tiefen und ein Monitoring der Bodenoberfläche mittels Laserscanning beinhalten. Ein solches Messkonzept würde gleichzeitig einen Vergleich der Einsetzbarkeit der verschiedenen Erfassungsmethoden ermöglichen. 300 Abstracts GGP04 Heyde, I., Kewitsch, P. (BGR) Ergebnisse der ersten Messflüge mit dem BGR Aerogravimetriesystem E-Mail: [email protected] Die BGR führt seit den 60er Jahren seegravimetrische Messungen auf Forschungsschiffen durch. Seit 1984 wird dafür das Seegravimetersystem KSS31 der Firma Bodenseewerk Geosystem GmbH verwendet. Die KSS31 gelten derzeit als die weltweit besten Seegravimeter. Das BGR KSS31 wurde modifiziert, um es für die Aerogravimetrie einzusetzen. Die Modifikationen betrafen vor allem die Erfassung der Messdaten aber nicht zuletzt auch die Gewichtsreduktion des Systems. Für die Aerogravimetrie werden zurzeit ansonsten praktisch durchweg auf dem LaCoste and Romberg Air-Sea Gravimeter Typ S basierende Systeme eingesetzt. Im Gegensatz zu diesen wird die Sensormasse beim KSS31 senkrecht geführt. Somit kann kein Cross-Coupling Effekt auftreten. Ein Schweresensor, der auf einer bewegten Plattform installiert wird, misst die Summe der Schwere- und Inertialbeschleunigungen der Systemeigenbewegung. Die Störungen durch die Trägheitsbeschleunigungen bei einem normalen Messflug können durchaus die 1000fache Amplitude des Nutzsignals einer zu erfassenden geologisch bedingten Schwerevariation aufweisen. Falls die Inertial- und Schwerebeschleunigung in unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen, ist es möglich, die beiden Signale durch Filterung zu separieren. Ist dieses nicht der Fall, muss mindestens eines der Signale direkt bestimmt werden. Bei der flugzeuggestützen Gravimetrie liegen beide Signale im selben Frequenzbereich. Die Inertialbeschleunigung kann jedoch aus der Flugzeugbewegung abgeleitet werden. Hierzu ist die Kenntnis der Flugbahn nötig. Die Bestimmung der Flugbahn ist durch die satellitengestützten Navigationssysteme wie dem Global Positioning System (GPS) möglich. Es sollten hochmoderne GPS Empfänger mit hohen Aufzeichnungsraten, sowohl im Flugzeug als auch als Basisstationen eingesetzt werden. Durch die kinematische, differentielle GPS-Auswertung im Post-Processing ist es dann möglich, die im Flugzeug auftretenden Vertikalbeschleunigungen genügend genau zu erfassen und die gemessenen Schweredaten entsprechend zu korrigieren. Nach Fahrzeugversuchen am Boden wurden Ende November 2003 die ersten Testflüge mit dem System durchgeführt. Vom Flughafen Münster/Osnabrück aus, wurden mit einer Cessna 404 zwei etwa 280 km lange gerade Profile in einer Höhe von ca. 1200 m ü. NN geflogen. Die Hin- und Rückflüge erfolgten jeweils entlang derselben Profillinie. Die Ergebnisse der Messungen und die notwendigen Bearbeitungsschritte werden vorgestellt. Die so erhaltenen Anomalien werden mit dem entsprechenden Schwereprofil am Boden verglichen. Daraus lassen sich Aussagen zur Genauigkeit und zum Auflösungsvermögen des KSS31 Aerogravimetriesystems machen. Webseite: http://www.bgr.de GR Geothermie/Radiometrie 302 Abstracts GR01 – Mo.,08.3.,11:00-11:20 Uhr · H0110 Orzol, J. (GGA-Institut), Jatho, R. (BGR), Jung, R. (GGA-Institut), Kehrer, P. (BGR), Kaus, A. (Hannover, BGR) Das GeneSys–Projekt – Erdwärmegewinnung aus gering–permeablen Sedimenten E-Mail: [email protected] Das GEOZENTRUM Hannover plant seinen Wärmebedarf durch ein innovatives Einbohrlochkonzept zur Nutzung geothermischer Energie zu decken. Das vorgeschlagene Konzept kann im gesamten norddeutschen Raum Anwendung finden. Um die Machbarkeit des Konzeptes nachzuweisen, werden in einem Vorprojekt zunächst Experimente in einer aufgelassenen Gasbohrung durchgeführt. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll die Wärmegewinnung aus gering–permeablen Sedimenten untersucht werden. Ein mögliches Konzept sieht dabei den Anschluß der Bohrung an ein weitverzweigtes Kluft– Störungssystem und die Produktion von Thermalwässern aus dem Buntsandstein vor. Das aus diesen Tiefen geförderte Formationswasser wird nach Abkühlung an der Oberfläche durch dieselbe Bohrung in einen flacheren Horizont reinjiziert. Erfahrungen der Erdöl– Erdgas–Industrie zeigen, dass im Bereich des Norddeutschen Beckens flächendeckend geeignete Formationen für die Reinjektion auftreten. Da die Durchlässigkeit der Gesteine im Allgemeinen zu gering ist, um wirtschaftlich relevante Volumina fördern zu können, muß das Gebirge stimuliert werden. Die Stimulation von Lagerstätten mittels Hydraulic Fracturing ist in der Ergas–Erdölindustrie ein übliches Verfahren, dass im Wesentlichen darauf abzielt, bohrlochnahe Fließwiderstände zu reduzieren. Um die erforderlichen Volumenströme fördern zu können, müssen in der Geothermie großflächige Risse (105 – 106 m2 ) mit hoher hydraulischer Leitfähigkeit geschaffen werden. Die in der Erdgas– Abbildung 1: Zehn Hochdruckpumpen wur- Abbildung 2: Injektionsdruck und Injektionsden eingesetzt, um die gewünschten Fließraten rate bei der zweiten Stufe der Stimulation des Detfurth Sandsteins. zu realisieren. Geothermie/Radiometrie Erdölindustrie übliche Frac–Technik ist nicht unmittelbar einsetzbar. Es wird stattdessen geprüft, ob die in kristallinen Gesteinen angewandte Wasserfrac–Technologie auf dichte Sedimentgesteine übertragbar ist. Hierbei werden große Wassermengen (> 10.000 m3 ) bei Fließraten von bis zu 100 ls−1 und mit hohen Drücken in die Formation verpresst. Die Dauer der Injektionsphase beträgt im Allgemeinen mehrere Tage. Durch Scherbewegungen entlang der Rissflächen verbleibt nach der Injektion eine Rißweite, die unter anderem durch die Rauigkeit der Rissflächen bestimmt wird. Es wird eine bleibende Produktivitätssteigerung erzielt. Die Durchführung derartiger Stimulationsmaßnahmen ist technisch und finanziell aufwendig, da große Wassermengen bereitgestellt werden müssen und vor Ort eine hohe Pumpleistung installiert werden muß (Abb. 1). Die Experimente wurden in der BGR eigenen Bohrung Horstberg Z1 (Teufe 4120 m) durchgeführt. Die Bohrung ist bis zur Endteufe verrohrt. Vor Beginn der hydraulischen Testarbeiten wurde vom GGA–Institut ein Temperaturlog gefahren, um die ungestörte Gebirgstemperatur zu ermitteln. Im Bohrlochtiefsten wurden Temperaturen von über 155°C gemessen. In den Teufen der potenziell nutzbaren Schichten wurde die Verrohrung jeweils perforiert und hydraulisch getestet. Hierbei handelt es sich um den Detfurth–Sandstein (Perforationsteufe 3787 m – 3791 m) und den Volpriehausener Sandstein (Perforationsteufe 3920.5 m – 3926.6 m). Da die zur Rissinitiierung und Ausbreitung benötigten Drücke von ca. 460 bar Bohrlochkopfdruck technisch schwer beherrschbar waren, wurde von einer massiven Stimulation des Horizonts abgesehen und stattdessen der Detfurth Sandstein in zwei Stufen stimuliert (Abb.2). Die wichtigste Fragestellungen sind: 1) 303 bleiben die Risse durch einen Selbststützmechanismus nach der Stimulation hydraulisch leitfähig, 2) durchschlagen die im Sandstein induzierten Risse die zwischengeschalteten Tonsteinlagen, 3) kann eine ausreichende Produktivitätssteigerung der Bohrung erzielt werden? Ersten Abschätzungen nach konnte ein mehrere 100000 m2 großer Riss erzeugt werden, der eine gute hydraulische Durchlässigkeit besitzt. Das hydraulische Versuchsprogramm läuft zur Zeit noch und wird im Sommer 2004 mit einem Lang–Zeit–Zirkulationsexperiment abgeschlossen. Webseite: http://www.gga-hannover.de 304 Abstracts GR02 – Mo.,08.3.,11:20-11:40 Uhr · H0110 Zschocke, A. (GGA-Institut) Korrekturansatz für technisch gestörter Temperaturlogs E-Mail: [email protected] Einleitung In der Geothermie ist man unabhängig vom Analyseverfahren darauf angewiesen, dass Temperaturlogs so genau wie möglich die Temperatur des Untergrundes widerspiegeln. Das ist nicht immer der Fall, da die Temperatur im Umfeld der Bohrung durch die Zirkulation von Spülung während des Abteufens verändert wird. Um möglichst präzise Daten zu erhalten, muss nach dem Bohrbetrieb so lange gewartet werden, bis sich die Untergrundtemperaturen wieder den natürlichen Verhältnisse angleichen. Dieses ist gerade bei Industriebohrungen oft nicht möglich, sodass es eine Vielzahl gestörter Messdaten gibt. Eine hinreichend genaue Korrektur dieser gestörten Daten ergäbe eine erhebliche verbesserte Datenbasis, welche die Anwendbarkeit geothermischen Methoden erweitern würde. Die Hornermethode ist ein Korrekturverfahren, bei dem anhand von Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten die Formationstempe- ratur extrapoliert werden kann. Basierend auf diesem etablierten Verfahren, ist das Ziel unserer Untersuchungen, kontinuierliche Temperaturlogs korrigieren zu können, für die keine Widerholungsmessungen vorliegen. Um abschätzen zu können, wie genau Ergebnisse des Korrekturverfahrens sind, werden numerische Rechnungen durchgeführt, die die technische Störung durch den Spülungsumlauf simulieren. Schließlich werden die Korrekturen auch auf Felddaten angewandt. Modell Eine wichtige Erkenntnis aus den Ergebnissen der Modellierung (FD-Programm Boa, Kessels, 1988) ist, dass der Effekt des Spülungsumlaufs eine Krümmung im Temperaturlog verursacht, was ohne Korrektur als Effekt einer Grundwasserströmung fehl interpretiert würde (Abb. 1). Die angewandte Gleichung zur Berechnung der Störfunktion berücksichtigt Zirkulations- und Stillstandphase nach dem Superpositionsprinzip. Eingang finden die Parameter qh (W m−1 ), radialer Wärmestrom; λ(W m−1 s−1 ), Wärmeleitfähigkeit; r(m), Bohrlochradius; tz (s), Zirkulationszeit; ts (s), Stillstandzeit. Alle diese Parameter sind durch die Modellvorgaben bekannt, bis auf den Abbildung 1: Modellierte Temperaturlogs, radialen Wärmestrom qh . Dieser wird iterativ links: während des Abteufens, rechts: Tem- angepasst, bis die Differenz zur zwischen peraturlogs aus der anschließenden Stillstand- korrigiertem Log und Formations- bzw. phase. Starttemperatur minimal wird. Geothermie/Radiometrie 305 Abbildung 2: Von links nach rechts: gestörte und ungestörte (gestrichelt) Temperaturverteilung; Differenz zwischen gestörtem und ungestörtem Temperaturlog (gestrichelt) mit dem berechneten Korrektursignal; Abweichung des korrigierten vom ungestörten Temperaturlog; lineare Interpolation des horizontalen Wärmestroms. ⎧ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 2 ⎪ ⎨ 2 r r ⎬ qh · E1 − E1 ΔT = 4πλ ⎪ 4κ(ts + tz ) 4κt ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ s ⎪ ⎩ ⎭ Zirkulation Stillstand (1) Es stellt sich heraus, dass mit dem Ansatz eines linearen Verlaufs von qh (z) hinreichend genaue Ergebnisse erzielt werden (Abweichung < 0,2 K, Abb. 2). Methode Für die Korrektur von Logs kann wie folgt vorgegangen werden. Die bewährte Hornermethode liefert die Formationstemperatur im Bohrlochtiefsten, da dort meist Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden (BHT). Ein zweites Datum kann z.B. die Oberflächentemperatur aus meteorologischen Daten oder aus benachbarten, ungestörten Temperaturlogs sein. Der horizontale Wärmestrom ist nun für die Korrektur so zu wählen, dass die so ermittelten Temperaturen an der Oberfläche und im Bohrlochtiefsten auch bei der Logkorrektur reproduziert werden. Da der Wär- mestrom eine Gerade mit der Tiefe beschreibt, ist sie durch diese beiden Punkte eindeutig beschrieben. Um die Ergebnisse von korrigierten Temperaturdaten bewerten zu können, wird das Korrekturverfahren auf Logs angewendet, für die Wiederholungsmessungen vorliegen. Das Ergebnis jeder dieser Messungen sollte annähernd die gleiche Formationstemperatur ergeben. Kessels, W.: Abschätzung der zu erwartenden Temperaturstörungen im Gebirge durch das Erstellen der Kontinentalen Tiefbohrung der Bundesrepublik Deutschland (KTB), KTBReport 88-4, 155-177, 155-177, 1988 Webseite: http://www.gga-hannover.de 306 Abstracts GR03 – Mo.,08.3.,11:40-12:00 Uhr · H0110 Wagner, R. (RWTH Aachen, Angewandte Geophysik), Kühn, M. (Perth, CSIRO - ARRC), Pape, H. (RWTH Aachen, Angewandte Geophysik), Meyn, V. (TU Clasuthal, ITE), Vath, U. (Göttingen), Clauser, C. (RWTH Aachen, Angewandte Geophysik) Untersuchungen zur Entstehung von Anhydritzementation in hydrothermalen Lagerstätten mit Hilfe der Simulation reaktiver Strömung E-Mail: [email protected] Mehr als die Hälfte der Investitionskosten für eine geothermische Heizzentrale (GHZ) werden durch das Abteufen und den untertägigen Ausbau einer Sondendoublette in Anspruch genommen. Die wesentlichen Eignungsparameter eines potentiellen Speichers für die Erdwärmenutzung sind Teufenlage, Mächtigkeit, Porosität und Permeabilität. Während über die ersten beiden Eigenschaften oftmals präzise Informationen vorliegen, können hohe primäre Porositäten und Permeabilitäten durch sekundäre geochemische Prozesse während der Diagenese erheblich beeinträchtigt sein. Das betrifft im Besonderen die Neubildung von zementbildenden Mineralen im Porenraum. Aus diesen Unsicherheiten in der Vorhersage der konkreten petrophysikalischen Ausprägung eines Speichers ergibt sich ein nicht zu vernachlässigendes Aufschlussrisiko am jeweiligen Standort jeder geplanten GHZ. Die Bohrung Allermöhe 1 in Hamburg hat gezeigt, dass Porosität und Permeabilität der potentiellen Speicherschichten im Rät, im Gegensatz z.B. zum Standort NeustadtGlewe, durch Anhydritzementation stark reduziert sind. Damit sind die für eine geothermale Nutzung notwendigen Förderraten nicht erreichbar. Um für die Zukunft teure, aber hinsichtlich der geforderten Permeabilität nicht fündige Fehlbohrungen zu vermeiden, müssen die räumlichen Verteilungsmuster der Anhydritzementation des Rät untersucht werden und dafür die geochemischen, hydrodynamischen und geothermischen Prozesse, die zu ihrer Entstehung führten, verstanden werden. Mit Hilfe geeigneter numerischer Simulationen kann jedoch ein tieferes Verständnis dieser Zementationsprozesse erzielt werden. Mit Hilfe der Simulation reaktiver Strömung unter Berücksichtigung der rezenten dreidimensionalen Struktur des Rhät-Aquifers bei Allermöhe wurde der noch unbekannte Transportmechanismus von gelöstem CaSO4 in geothermischen Reservoiren geklärt: Die Simulation von stratiformer Konvektionsströmung, deren Antrieb infolge der Topographie des Aquifers verursachten Temperaturunterschiede ermöglicht wird, zeigte, dass durch diesen Prozess der Transport von im Formationswasser gelösten Calcium- und Sulfat-Ionen über lange Zeiten und große Distanzen ermöglicht wird. Demnach tritt dort Anhydritzementation in Erscheinung, wo übersättigte Kalziumsulfat-Lösung in tiefe, d. h. wärmere, Bereiche des Rhät-Aquifers zuströmt. Der laterale Temperaturgradient ist jedoch zu gering, um den Porenraum selbst in geologischen Zeiträumen vollständig zu verfüllen. Für die bei Neuruppin (nordwestlich von Berlin) und im Gasfeld Thönse (bei Hannover) beobachtete Anhydritzementation liegen jeweils Diagenesemodelle vor, die eine rein evaporitische Genese ausschließen. Das Modell von Gaupp (1991) zur Erklärung der in den Bohrungen Großburgwedel 4 Geothermie/Radiometrie und Texas Z1 beobachteten Anhydritzementation basiert auf der Annahme kurzzeitiger Hochtemperatur-Ereignisse, wodurch die Löslichkeit von CaSO4 lokal stark herabgesetzt wird. Dieses Modell stützt sich auf Ergebnisse der Fluideinschluß-Mikrothermometrie. Ähnliche Voraussetzungen können auch für die Bohrung Neuruppin 2 belegt werden: An Proben aus der Bohrung Neuruppin 2 wurden ungewöhnlich hohe Inkohlungswerte gemessen, die auf ein zeitlich begrenztes Hochtemperatur-Ereignis im Rhät-Aquifer bei Neuruppin schließen lassen. Mögliche Ursache hierfür sind heiße, mineralisierte Fluide, die aus seismisch aktivierten Klüften aus tiefen Reservoiren in den Rhät ausgetreten sind. 307 hung von Zementationskeimen unter AquiferBedingungen sichtbar zu machen. Hier konnten erstmals die Entstehung von Anhydritkeimen in einem porösen Medium sowie die zeitliche Veränderung der damit einhergehenden räumlichen Zementationsmuster demonstriert werden. Aus den Versuchsergebnissen konnten Schlüsse hinsichtlich der Entstehungsszenarien der Anhydritzementation gezogen werden. Aus den extrem geringen Keimbildungswahrscheinlichkeiten von nur 10 m−3 s−1 und aus den begleitenden Versuchen zur Anhydritausfällung in definierten Räumen bestimmte Kristallwachstumsraten konnte abgeschätzt werden, dass sich eine Zementationsfront unter gewöhnlichen Reservoir-Bedingungen (d.h. keine lokal erhöhte Temperatur) mit einer Mit Hilfe des numerischen SimulationsGeschwindigkeit von weniger als 10−6 m a−1 werkzeuges SHEMAT wurden verschiedene in Fließrichtung der Grundwasserströmung numerische Parameterstudien durchgeführt, ausbreitet. um den Einfluß von heißen, aus Klüften austretenden Fluiden auf den Zementationsgrad und auf das räumliche Verteilungsmuster der Zementation am Beispiel des Rhät-Aquifers bei Neuruppin zu untersuchen. Unter diesen Voraussetzungen konnte eine nahezu vollständige Verfüllung des Porenraums in geologisch kurzen Zeiten in der Umgebung der Austrittsstelle der heißen Fluide simuliert werden. Die Simulationsergebnisse stützen die Annahme, dass eine starke Anhydritzementation ohne Hochtemperaturereignisse, die jedoch für die Standorte Thönse und Neuruppin belegt sind, nicht auftreten kann. Für die numerische Simulation wurden die Ergebnisse von Durchströmungsexperimenten zu Grunde gelegt, die am Institut für Erdöl- und Erdgastechnik der TU Clausthal (ITE) unter realen Aquifer-Bediungungen durchgeführt wurden. Die Laborausstattung am ITE mit der Möglichkeit zur Durchführung zeitlich aufgelöster Röntgentomographie an Sandsteinkernen, erlaubte die Entste- 308 Abstracts GR04 – Mo.,08.3.,12:00-12:20 Uhr · H0110 Weßling, S., Kessels, W., Schellschmidt, R. (Hannover, GGA) Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit zur Untersuchung von Kohlefeuern im Norden Chinas E-Mail: [email protected] Die Bekämpfung von ungewollten Kohlefeuern stellt eine weltweite Herausforderung dar. Neben der Vernichtung von Rohstoffen, den hohen Kosten für Brandbekämpfung und einer erschwerten Kohlegewinnung ist eine starke Belastung der Umwelt zu verzeichnen. Es besteht bis heute nur eine sehr begrenzte Kenntnis über die Dynamik des Brandprozesses. Eine Möglichkeit, das dynamische Verhalten von Bränden zu untersuchen, bieten numerische Berechnungen, die auf einer mathematischen Formulierung relevanter physikalischer und chemischer Prozesse basieren. Der Energietransport durch das Umgebungsgestein von Brandherden ist einer der relevanten Prozesse, die berücksichtigt werden müssen. Für den Energietransport spielt die Wärmeleit- fähigkeit auch im brandbenachbarten Gebiet eine entscheidende Rolle. Die Leitfähigkeit regelt die Temperatur des Brandherdes, die sich aus dem Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion im Brandherd und Wärmeabfluss in das Umgebungsgestein ergibt. Zur Untersuchung makroskopischer Transportphänomene ist die Formulierung einer effektiven Wärmeleitfähigkeit notwendig. Die effektive Wärmeleitfähigkeit ist eine gemittelte Größe, die sich aus den Leitfähigkeiten der Komponenten des Gesteinsverbandes bestimmen lässt. Für die Untersuchung von Bränden natürlicher Kohleflöze und Halden wird die effek- Abbildung 2: Wärmeleitfähigkeiten in Abhängigkeit von der Temperatur im Vergleich: Festgestein ohne Klüfte, Festgestein mit Klüften, in denen Wärme ausschließlich konduktiv transportiert wird, sowie Festgestein mit Abbildung 1: Ersatzmodell für ein geklüftetes Klüften, in denen Wärme konduktiv und durch Strahlung transportiert wird. Medium Geothermie/Radiometrie tive Wärmeleitfähigkeit überwiegend zusammengesetzt aus konduktivem Wärmetransport im Festgestein und dem Wärmetransport in den zumeist mit Luft gefüllten Zwischenräumen. Durch die in Brandnähe vorherrschenden hohen Temperaturen spielt die Wärmeübertragung durch Strahlung eine entscheidende Rolle bei der Formulierung einer makroskopischen effektiven Wärmeleitfähigkeit. men kann (unter 1%), wird davon ausgegangen, dass der Einfluss der Klufträume für den Wärmeabfluss von Bedeutung ist. Einen besonderen Einfluss haben die Klüfte auf die Temperaturabhängigkeit der effektiven Wärmeleitfähigkeit. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich luftgefüllte Klüfte wie Wärmeisolatoren (solange die Klüfte hinreichend dünn sind, sodass kein konvektiver Wärmetransport existiert). Die effektive Wärmeleitfähigkeit verringert sich in diesem Fall um ein Vielfaches im Vergleich zum Festgestein. Bei hohen Temperaturen wird Wärmeübertragung durch Strahlung der dominante Prozess, sodass hier die luftgefüllten Klüfte sich einem sehr guten Wärmeleiter nähern. In diesem Fall übertrifft die effektive Wärmeleitfähigkeit des makroskopischen Gesteinsverbandes die Leitfähigkeit des Festgesteins. Das übliche Verhalten einer sinkenden Leitfähigkeit mit steigender Temperatur trifft demnach für geklüftete, mit Luft gefüllte Medien nicht zu. Eine Veranschaulichung der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ist in Abbildung 2 gegeben. Zur Ableitung einer makroskopischen, den Dimensionen der Kohlefeuer angepassten Leitfähigkeit wurde die effektive Wärmeleitfähigkeit eines theoretischen Ersatzmodells für klüftige Medien formuliert. Anhand des Ersatzmodells wurde dann die Wärmeleitfähigkeit eines mit Luft gefüllten, geklüfteten Mediums in Abhängigkeit von Temperaturvariationen abgeschätzt. Das Ersatzmodell ist in Abbildung 1 gezeigt. Es besteht aus einer Wechselfolge von festen Gesteinsschichten und geklüfteten Schichten. Innerhalb des festen Materials wurde ausschließlich konduktiver Wärmetransport angenommen, innerhalb der mit Luft gefüllten Klüfte findet Strahlung und konduktiver Wärmetransport statt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit des Ersatz- Webseite: http://www.gga-hannover.de modells setzt sich zusammen aus einer parallelen und seriellen Anordnung thermischer Widerstände. Um den Bezug der makroskopischen Wärmeleitfähigkeit zur mikroskopischen Struktur des Gesteins herstellen zu können wurde neben dem Parameter der Porosität noch der Parameter der Klufthäufigkeit eingeführt. Die Abschätzung der effektiven Wärmeleitfähigkeit anhand des Ersatzmodells hat folgende Sachverhalte gezeigt. Die Kontaktfläche zwischen den Kluftflächen im Verhältnis zur Kluftfläche ist entscheidend für den Einfluss von luftgefüllten Klüften auf die Wärmeleitfähigkeit. Da dieses Verhältnis in geklüfteten Medien sehr niedrige Werte anneh- 309 310 Abstracts GR05 – Mo.,08.3.,12:20-12:40 Uhr · H0110 Sauer, J. (Hannover, GGA) Gammaspektrometrische Untersuchungen auf rekultivierten Braunkohlentagebauflächen E-Mail: [email protected] Die Sanierung und Rekultivierung der Halden von Braunkohlentagebauen dient der Rückgewinnung landwirtschaftlich nutzbaren Flächen, der Aufforstung von Waldgebieten oder in Verbindung mit wassergefüllten Restseen der Schaffung von Sport- und Erholungszentren. Nach der Planierung der verkippten Massen („Mondlandschaft”) wird Mutterboden zur späteren Nutzung aufgetragen. Zur Einschätzung der neugeschaffenen Landschaft werden bodenkundliche Untersuchungen vorgenommen. Geophysikalische Messungen unterstützen diese Arbeiten. Basierend auf den im Rahmen der Hofbodenkartierung für die Landwirtschaft gewonnenen Ergebnissen können Gamma Ray-Messungen sandige und kalkige Böden gut von lehmig-tonigen Flächen unterscheiden [1]. Im Braunkohlentagebau Berzdorf bei Görlitz fanden Untersuchungen auf einer planierten Fläche vor dem Auftragen von Mutterboden statt. Hierbei konnten tonige und sandige Strukturen ausgewiesen werden, stark hob sich anstehender Granodiorit hervor. Flächenhafte Darstellungen der Gesamtstrahlung und der Thorium-, Uran- und Kaliumfenster verbesserten die Aussage. An markanten Punkten dieser Fläche wurden die Spektren aufgenommen, wobei Granodiorit sich im Thorium- Bereich heraushob und keine erhöhten Uran-Werte hat. An einer Böschung war die Grenze von anstehendem Ton zu Sand aus den Messwerten gut erkennbar. Auf einer mit Gras und Buschwerk bewachsenen Fläche konnten die Angaben der Umweltfirma bestätigt werden, dass tonig-bindiges Material aufgetragen wurde. Von bodenkundlichem Interesse sind Untersuchungen auf neu geschaffenen Agrar-Böden (z.B.: Espenhain südlich von Leipzig) welche mehrere Jahre schon in Nutzung sind. Eine qualitative Einstufung (Bodenschätzung) steht im Vordergrund, aber auch Fragen der Sedimentation spielen eine Rolle. Möglichkeiten der Erhöhung von Messgeschwindigkeit und Genauigkeit werden erörtert. Literatur 1. SAUER, J. (2002): Gammaspektrometrische Messungen an der Erdoberfläche – ein Beitrag zur teilflächenspezifischen Bewirtschaftung. – Zeitschr. für Angew. Geol., 48 (3). 16-19. Hannover. GS Geschichte der Geophysik 312 Abstracts GS01 – Do.,11.3.,15:00-15:20 Uhr · H0104 Schweitzer, J. (NORSAR) Ernst von Rebeur-Paschwitz (1861 - 1895) E-Mail: [email protected] Der Astronom und Geophysiker Ernst v. Rebeur-Paschwitz wurde am 9. August 1861 in Frankfurt/Oder geboren und verstarb am 3. Oktober 1895. Trotz seines frühen Todes hat Rebeur-Paschwitz in seinem Forscherleben bahnbrechende Ergebnisse auf dem Gebiet der Seismologie veröffentlicht und wird dafür zu Recht bis heute weltweit als einer der Begründer der instrumentellen Seismologie angesehen. Am bekanntesten und am weitesten zitiert ist seine weltweit erste Beobachtung eines Erbebens in teleseismischem Abstand vor 115 Jahren am 17. April 1889. Damit war der Grundstein zur systematischen Untersuchung des Aufbaus der Erde mit Erdbebenwellen gelegt. Weitere wichtige Beiträge von RebeurPaschwitz beschäftigten sich mit der Entwicklung des Horizontalpendels und der zeitabhängigen Registrierung seiner Bewegung, mit der Beobachtung von Erdbebenwellen und der Messung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, mit der Beobachtung der Gezeiten der festen Erde und mit schließlich seinen Ideen zur Gründung einer internationalen Organisation zum Austausch seismologischer Beobachtungen und deren Sammlung und Auswertung an einer Zentrale. Diese und weitere Punkte aus der Biographie und dem wissenschaflichem Werk von Ernst v. Rebeur-Paschwitz sollen im Vortrag gewürdigt werden. Geschichte der Geophysik 313 GS02 – Do.,11.3.,15:20-15:40 Uhr · H0104 Sauer, J. (Hannover, GGA) Von der Feldwaage zum Protonenmagnetometer - 45 Jahre geomagnetische Feldmessungen E-Mail: [email protected] Vor ca. 50 Jahren war die Blütezeit des Einsatzes der geomagnetischen Feldwaagen in der angewandten Geophysik. Adolph Schmidt entwickelte 1914 eine auf Achatschneiden gelagerte magnetische Feldwaage. Angenheister hat in einer Variante der Feldwaage die Schneidenauflage durch eine Faden- bzw. Bandaufhängung ersetzt, welche in späteren Jahren durch Fanselau weiter vervollständigt wurde. Die beiden Feldwaagentypen – nach SCHMIDT und nach FANSELAU – wurden weltweit in großen Stückzahlen gefertigt und in der Messpraxis eingesetzt: jedes System hatte seine Fürsprecher mit Betonung der Vorteile gegenüber dem anderem Prinzip. Da Messungen der Vertikalintensität die sichersten Rückschlüsse auf geologische Ursachen gestatten, war die Feldwaage für Vertikalintensität als das wesentliche Instrument der magnetischen Aufschlussmethode anzusehen, nur für Ergänzungsmessungen bediente man sich der Feldwaage für Horizontalintensität [1]. Die Geländemessungen erforderten ein gutes Kartenverständnis bei der Auswahl der Messschleifen, einen sorgsamen Umgang mit der Feldwaage nebst Zubehör bei Transport und Aufstellung am Messpunkt und das Fernhalten jeglicher eisenhaltiger Teile vom Magnetsystem. Die sogenannte Helmholtzspule war für die Bestimmung der Skalenwerte von Bedeutung. Einzelne praktischen Beispiele aus dieser Zeit sollen den Mess- und Auswertevorgang demonstrieren, wonach eine kritische Betrachtung von Messfehlern folgt. Gegen Ende des II. Weltkrieges gelang es zwei amerikanischen Arbeitsgruppen den durch die LARMOR-Beziehung gegebenen Zusammenhang zwischen der Präzessionsfrequenz eines Atomkerns mit dem gyromagnetischen Verhältnis γ und dem äußeren Magnetfeld F erstmals nachzuweisen, wobei aber als Geburtsstunde der Protonenmagnetometer ein im Jahre 1954 veröffentliches Verfahren der freien Präzession nach PACKARD und VARIAN angesehen wird. Die Genauigkeit dieser Kernpräzessionsmagnetometer übertraf die der Feldwaagen [2]. Die Totalintensität der Protonenmagnetometer ersetzt die Vertikalintensität der Feldwaagen in der geologischen Erkundung. In der elektronischen Messtechnik dominierte noch die Röhrentechnik, so dass heute teilweise nicht mehr bekannte Messverfahren zur Bestimmung der Präzessionsfrequenz benutzt wurden. Mit dem Fortschreiten der Transistorisierung kamen bald tragbare Geräte zum Einsatz, der Datenlogger ersetzte nun das Messprotokoll. Mit der Möglichkeit, den Vertikalgradienten der Totalintensität zu messen, wird die tägliche Variation eliminiert. Vergleiche beider Messprinzipien sollen den messtechnischen Fortschritt dokumentieren, verdeutlichen aber auch die Grundsätze geomagnetischer Messungen im Gelände. Literatur: 1. HAALCK, H. (1953): Lehrbuch der angewandten Geophysik. Teil I. - Gebrüder Bornträger. - Berlin - Nikolasee. 314 Abstracts 2. WIESE, H. et al. (1960): Geomagnetische Instrumente und Messmethoden. - VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin. HG Hydrogeophysik 316 Abstracts HGP01 Kümpel, H.-J. (GGA-Institut, Hannover), Fabian, M. (Universität Bonn) Irregularities in Pump-Induced Tilt Above Shallow Aquifers E-Mail: [email protected] Near surface ground tilt induced by the extraction of fluids from subsurface reservoirs has repeatedly been used to constrain reservoir parameters. In general, pump-induced tilt is found to be proportional in strength to the pore pressure gradient created by the pumping, to be a function of poroelastic rock parameters, and to depend on the geometric configuration of the tilt sensor and the productive sections of a well. Assuming radial flow, the strike of the tilt signal should point toward the productive well. However, inversion of near surface tilt can be hampered through irregularities in the pump-induced signals and suffer from insufficient knowledge of the influence of heterogeneities in the subsoil, either within or above the reservoir. We can learn more about the impact of such heterogeneities and reduce ambiguities by analyzing case studies. New observational data from 3 test sites in Germany confirm that a variety of causes can produce irregularities in pump-induced surface deformation fields, namely: (1) The strike of a tilt signal can considerably deviate from the direction toward the active well. A reason could be that the steepest effective pore pressure gradient builds up in another than radial direction (thereby generating anisotropic fluid flow). Accordingly, tilt hodographs for a complete pump cycle may be elliptic rather than follow a line. (2) The normal rule of how the signal strength depends on the horizontal and the vertical distance may be violated. Structural heterogeneities in the subsurface are the most likely cause for this behaviour. (3) Recovery of the induced tilt signal following the cessation of pumping can be incomplete. This could indicate a non-reversible compaction possibly due to overexploitation of a reservoir. (4) A transient sign reversal of ground tilt may occur during the build-up phase of the signal. This feature could be an analogue to the so-called Noordbergum effect occasionally seen in the response of well levels at locations aside from the pumped well. We conclude that near surface deformation in the vicinity of pumped wells bears a wealth of information that may be useful to constrain the conditions of fluid flow at depth, and that there is often a need for model calculations to fully understand the involved phenomena. Hydrogeophysik 317 HGP02 Fabian, M. (Uni Bonn) Poroelastic Modelling of the Time Development of Pump Induced Tilt and Pore Pressure E-Mail: [email protected] Modelling the time development of the poroelastic response to fluid withdrawal from a half-space is important for the understanding of pump induced vertical tilt and pore pressure fields and of the field-spreading in subsoil. The shown models account for comparatively simple scenarios of the buried layer structure, namely the homogeneous half-space, a halfspace containing a buried slab and a subsoil with four layers. The models are easy to interpret. However, even if the models are simple, they grossly match subsoil situations that often come across in sedimentary basins with large ground water deposits. For instance, Fig.1 shows a picture sequence of the development of the induced pore pressure changes in a sedimentary subsoil with four layers. The first seven subfigures of Fig.1 show time slices drawn for selected time steps in the first hour after onset of fluid production at a constant rate of 100 m3 /h from the well at 100 m depth. The last subfigure illustrates the steady state. The zero-lines of pore pressure enclose areas where the Noordbergum effect temporarily appears. The Noordbergum effect is a well known and frequently observed phenomenon. It can only be explained by a strong coupling between pore fluids and subsoil matrix. Models based only on diffusivity, e. g. on the Darcy equation, do not show the effect. The models result from an iterative approach of forward modelling. The poroelastic parameters of the layers can be adapted in successive steps until the generated response signals nearly match observations of tilt and pore pressure changes close to the surface or from larger depths. Experimental data obtained from sites in the surrounding of waterworks, geothermal works or above oil and gas reservoirs becomes assessable. The influence of buried layers and of parameter changes in an exploited reservoir on the pump induced response of tilt and pore pressure will be predictable. Ambiguities in the interpretation of the subsoil structure from geophysical exploration and hydrologic and geologic interpretations could be reduced. Due to the high time resolution of modelling, the transient response to pumping, e. g. the Noordbergum effect or inversions of tilt signals, becomes useful for interpretations derived from data of short-term pump tests. Calculation was done with the program POEL developed by R. Wang from the GeoForschungsZentrum Potsdam. Construction of the models respected to experimental investigations at a geologically well known test site in the Lower Rhine Embayment,near Cologne, Western Germany. References: M. Fabian (2004). Near surface tilt and pore pressure changes induced by pumping in multi-layered poroelastic half-spaces. Diss. thesis (in progress), Math.-Nat. Fak., Univ. Bonn, download: http://www.shakeronline.com/, Shaker Verlag, Aachen. R. Wang & H.-J. Kümpel (2003). Poroelasticity: Efficient modelling of strongly coupled slow deformation processes in multi-layered half-space. Geophysics, 68(2), 705–717. 318 Abstracts Figure 1: Development of pump induced pore pressure changes during the first hour after onset of pumping and steady state in a sedimentary subsoil with four layers. Hydrogeophysik 319 HGP03 Letz, H., Jahr, T., Jentzsch, G. (Jena) Das Neigungsmesser-Array an der KTB: Planung, Aufbau, Installation und erste Daten E-Mail: [email protected] Im Jahr 2003 wurde in der Umgebung der KTB ein Neigungsmesser-Array aufgebaut. Ziel ist es, die durch die geplanten Injektionstests in der KTB-Vorbohrung induzierte Deformation der oberen Erdkruste zu beobachten. In einem weiteren Schritt werden numerische Modellierungen zur Interpretation der beobachteten, induzierten Neigungen vorgenommen. 1. Vorerkundung Die Entfernung der größten Neigungseffekte zur KTB-Lokation wurde für eine Injektionstiefe von 4 km über eine Finite-ElementeModellierung mit 2.4 km abgeschätzt. Mögliche Stationspunkte konnten anschließend für diese Entfernung unter Berücksichtigung der lokalen Geologie erkundet werden (Abb. 1). Die Tiefe des Grundwasser-Horizontes und des anstehenden Gesteins wurde geoelektrisch sondiert (Abb. 2), so dass schließlich fünf optimale Stationspunkte festgelegt werden konnten: Berg, Eiglasdorf, Stockau, Mittelberg und Püllersreuth. 2. Bohrungen Die Bohrungen wurden von Mai bis Juli 2003 mit Tiefen zwischen 30 und 46 m niedergebracht, wobei pro Station eine stahlverrohrte Instrumenten- und eine PVCverrohrte Grundwasserbohrung angelegt wurden (Abb. 3). Pro Station wurde mindestens eine Bohrung bezüglich des vertikalen und horizontalen Verlaufs vermessen, um die Eignung der Bohrung für die die ASKANIABohrlochneigungsmesser (ABNM) zu garantieren. 3. Installation Die ABNM wurden von Juli bis Oktober 2003 installiert, wobei jeder Neigungsmesser zusätzlich mit Geophonen bestückt ist. In enger Kooperation mit dem GFZ (SeismologieProjekt von Asch, Kind, Rabbel und Shapiro) können die Bohrlöcher somit auch für rausch- Abbildung 2: Geoelektrische Sondierung in Abbildung 1: Geologie und mögliche Stati- Berg. Das anstehende Gestein wurde in einer Tiefe von 22 m angetroffen. onspunkte für die Neigungsmesser 320 Abstracts werden. Die Orientierung der ABNM gegen Nord wurde in eigenen Messkampagnen bestimmt. Die Daten werden mit 0.1 Hz aufgezeichnet und wie die seismologischen Daten über Funk zum KTB-Turm gesendet. 4. Erste Daten Zur Zeit werden an allen fünf ABNMStationen Daten registriert, eine erste Auswertung liegt bereits für eine Zeitreihe der Station Mittelberg vor (Abb. 4). Die erwarteten Signale der Erdgezeiten sind deutlich zu erkennen, wobei die zu Beginn einer Registrierung typischen Störungen, wie Driften, Sprünge, Datenfehler und erhöhtes Rauschen beobachtet werden. Es lässt sich aber gleichzeitig eine hohe Datenqualität über das Gezeitensignal und die insitu Kalibrierungen feststellen. Ein weiteres Ziel ist es, wenn genügend Daten vorliegen, die Gezeitenparameter VOR dem Beginn der Injektionstests zu bestimmen, um eventuelle Veränderungen dieser Parameter durch den Injektionsprozess beobachten zu können. Abbildung 3: Bohrarbeiten in Stockau. Die In5. Ausblick strumentenbohrung wird anschließend von 14 Verschiedene numerische Modellrechnunauf 30 cm aufgebohrt. gen zeigen, dass die Injektions-induzierten Deformationen mit den ABNM nachweisbar sein sollten. Die Interpretation dieser Signale wird über Finite-Elemente-Modellierungen erfolgen. Dabei lassen sich sowohl die rheologischen Parameter im Bereich der KTB, als auch der gesamte Injektionsprozess untersuchen. Abbildung 4: Erste Zeitreihen von der Station Mittelberg. Neben einer starken Drift zu Beginn der Registrierung sind auch einigen Erdbeben zu erkennen. arme seismologische Beobachtungen genutzt Hydrogeophysik 321 HGP04 Münch, H.-M. (ICG-IV und Uni Bonn), Kemna, A. (ICG-IV), Zimmermann, E. (ZEL, FZJ), Vereecken, H. (Agrosphäre: ICG-IV, FZ Jülich GmbH (FZJ)), Hördt, A. (Angewandte Geophysik, Uni Bonn) SIP-Messungen an Sanden in Abhängigkeit von Salinität und Sättigung E-Mail: [email protected] Zur Charakterisierung von Fließ- und Transportprozessen in Böden und Sedimenten mittels nichtinvasiver elektrischer Verfahren müssen die erfassten elektrischen Leitungsund Polarisationseigenschaften mit fließ- und transportrelevanten Strukturmerkmalen und Zustandsvariablen verknüpft werden. Insbesondere die induzierten Polarisationseigenschaften enthalten Strukturinformationen, die wesentlich zur erforderlichen Parameterverknüpfung beitragen können. Hierzu werden am ICG-IV Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) im Frequenzbereich 4 mHz bis 42 kHz mit einem von uns neu entwickelten Messsystem durchgeführt. Untersucht wird die Abhängigkeit der Impedanzspektren von relevanten Strukturmerkmalen bzw. Materialeigenschaften, wie Porosität, Korn-/Porengrößenverteilung, spezifische Oberfläche, Rauigkeit, Kompaktierbarkeit, Kationenaustauschkapazität, sowie relevanten Zustandsvariablen, wie Wassergehalt der Bodenprobe und chemische Eigenschaften des Porenfluids (DC-Leitfähigkeit, pH-Wert). Dazu wurden die jeweiligen Strukturmerkmale mit unabhängigen Messverfahren bestimmt und die Zustandsvariablen systematisch variiert. der gemessenen Phase konnte durch verschiedene messtechnische Verbesserungen signifikant gesteigert werden. Es wurden Methoden entwickelt, um aus den Impedanzspektren Informationen zu extrahieren, die mit Strukturmerkmalen und Zustandsvariablen korreliert werden können. So wurden aus den Spektren unter Verwendung von Multi-Cole-Cole-Fits jeweils Relaxationszeit, Polarisierbarkeit und Cole-Cole-Exponent ermittelt. Mit der Relaxationszeit verbunden ist die Relaxationslänge, die in Bezug gesetzt werden kann zu räumlichen Ausdehnungen, die signifikant sind für die hydraulischen Eigenschaften. Ferner können Eigenschaften wie der Zementations- und der Sättigungsexponent bestimmt werden unter Benutzung eines modifizierten Archie-Gesetzes. Die Besonderheit liegt darin, Real- und Imaginärteil der Leitfähigkeiten getrennt und frequenzabhängig zu analysieren. Zur Variation des Wassergehaltes wird eine Multi-Step-Outflow-Anlage verwendet, die ebenfalls am ICG-IV entwickelt wurde. Im Gegensatz zur Verdunstungstrocknung erlaubt sie die schnelle Einstellung eines kontrollierten Wassergehaltes bei konstanter elektrischer Leitfähigkeit des Porenwassers. Die SIP-Messungen sollen auch unmittelbar wähEs werden die Ergebnisse von SIPrend des Betriebs der Multi-Step-OutflowMessungen an Fluiden und künstlichen Anlage erfolgen. Proben (z. B. Glaskugeln und gesiebter Sand) präsentiert. Als natürliche Proben sollen Webseite: http://www.fzungesiebte Sande und ungestörte Boden- juelich.de/icg/icg-iv/index.php?index=2 proben verwendet werden. Die Genauigkeit 322 Abstracts HGP05 Gößling, K., Kemna, A., Vanderborght, J. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut Agrosphäre, ICG-IV), Vereecken, H. (Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut Agrosphäre, ICG-IV), Borgers, K. (Katholieke Universiteit Leuven, Institute for Land and Water Management), Tezkan, B. (Universität zu Köln, Institut für Geophysik und Meteorologie) Geoelektrische Tomographie (ERT) zur Überwachung eines Tracerversuchs auf dem Testfeld Krauthausen E-Mail: [email protected] Mit dem Ziel eines besseren Verständnisses des Stofftransports im Grundwasser wurde im Herbst 2003 auf dem Testfeld Krauthausen (Vereecken et al., 2000) ein Tracerexperiment durchgeführt. Dabei wurden die Möglichkeiten der Geoelektrischen Tomographie (ERT) zur Überwachung der raumzeitlichen Ausbreitung der Tracerwolke untersucht. Gegenstand der Untersuchungen in Krauthausen ist der oberflächennahe heterogene Grundwasserleiter. Die Basis dieses sandigen und kiesigen Aquifers wird in einer Tiefe von ca. 11 m von dünnen Ton- und Siltlagen gebildet. Der Grundwasserspiegel lag während des Experiments in etwa 2 m Tiefe. Als Tracer wurden über eine Woche 140.000 l entionisiertes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 250 µS/cm (40 ohmm) im Tiefenbereich von 3 bis 11 m in ein verfiltertes Bohrloch eingeleitet. Damit war die Leitfähigkeit gegenüber dem Grundwasser um den Faktor 4 niedriger. Die zeitliche Ausbreitung der Tracerwolke wurde bis zwei Monate nach der Einleitung in Abständen zwischen einem Tag und einer Woche beobachtet. Zusätzlich zu Leitfähigkeitsbestimmungen im Labor an Wasserproben aus verschiedenen Tiefen von 23 Bohrlöchern wurden ERTMessungen auf drei Profilen durchgeführt. Dabei soll die nach Archie geltende Proportionalität zwischen der Leitfähigkeit des Porenfluids und der Leitfähigkeit des Bodens aus- genutzt werden. Vorraussetzung hierfür ist allerdings eine vernachlässigbare Grenzflächenleitfähigkeit, also ein niedriger Tongehalt. Der Messaufbau für die ERT bestand aus einem Profil mit 40 Oberflächenelektroden und 5 mal 13 Bohrlochelektroden in Fließrichtung des Grundwassers, sowie zwei dazu senkrechten Profilen in verschiedenen Abständen von der Einleitungsbohrung. Die senkrechten Profile setzten sich zusammen aus 32 Oberflächenelektroden und 4 Bohrlöchern mit jeweils 13 Elektroden. Mit der Multielektrodenapparatur RESECS (GeoServe) wurden für jedes Profil sämtliche Dipol-Dipol Konfigurationen gemessen, und zwar in den Bohrlöchern mit Dipollänge „skip two“ (bei Elektrodenabstand 50 cm), an der Oberfläche mit Dipollänge „skip one“ (bei Elektrodenabstand 75 cm bzw. 110 cm). Die Auswertung der ERT-Daten erfolgte mit dem 2D-Inversionsprogramm CRTomo von Kemna (2000). Es handelt sich dabei um einen Finite-Elemente-Vorwärtscode mit variablen Randbedingungen. Neben absoluten Inversionen der einzelnen Zeitschritte wurden Differenzinversionen (Kemna et al., 2002) gerechnet. Dabei werden für jeden Messtag jeweils die Änderungen der Messdaten bezogen auf eine Hintergrundmessung vor Beginn der Einleitung invertiert, um die Änderungen der Leitfähigkeitsverteilung zu analysieren. Gegenstand der Untersuchungen waren die Hydrogeophysik Auswahl und Wichtung der Daten nach verschiedenen Fehlermodellen. Zur Auswahl standen dabei die von der RESECS-Apparatur ausgegebenen Standardabweichungen für die Spannungsmessungen, sowie die Differenz zwischen den gemessenen Spannungen für normale und reziproke Messkonfiguration. Außerdem wurde die Möglichkeit einer Überwachung der Tracerausbreitung durch reine Oberflächenmessungen abgeschätzt. Der Vergleich der ERT-Ergebnisse mit den Ergebnissen der Labormessungen zeigt eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Lokalisierung der Tracerwolke. Ein entscheidender Vorteil der ERT-Messungen ist die Empfindlichkeit auf Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit auch zwischen den Bohrlöchern. Webseite: http://www.fzjuelich.de/icg/icg-iv/index.php?index=27 323 324 Abstracts HGP06 Noell, U., Südekum, W. (Leibniz Institute for Applied Geosciences) 3D-Geoelectrical measurements for the assessment of groundwater vulnerability: A valid approach? E-Mail: [email protected] Groundwater vulnerability is an estimate of the relative risk of groundwater contamination. Sometimes it is meant as contamination by a particular constituent, such as nitrate. In this case the analysis must inevitably entail some constituent specific parameter. In our case, however, vulnerability is meant as intrinsic vulnerability. The vadose zone is highly heterogeneous. However, this zone needs to be investigated for the assessment of groundwater vulnerability of primary aquifers. Preferential flow (a term used to explain the rapid and unpredictable movement of water and chemicals through soil) is now regarded as the most significant field-scale leaching process affecting groundwater pollution. Three types of preferential flow have been identified: (1) macropore flow (movement of water and chemicals through continuous voids created by biological or physical processes), (2) finger flow (column-like flow pathways induced by abrupt changes in pore-size distribution), and (3) funnel flow (movement along inclined textural boundaries). Since geophysical methods are mostly not invasive they are now increasingly used in various studies on preferential flow pathways. In Eversen near Celle on the floodplains of the Oertze River 3D-geoelectric measurements were carried out. The size of the area was some 30x30 m. The soil is classified as Gley and soil samples taken by hand augering showed predominantly medium to coarse sand, partly gravelly. The groundwater level during the first measurement campaign was partly at ground level and dropped to about 1mbg during the second campaign. We used a combination of Pole-Dipole and Dipole-Dipole configurations. The distance between the electrodes was 1 m. Sensitivity studies showed acceptable sensitivity up to a depth of 6 mbg. A stepwise interpretation was conducted. First, 2D-slices were calculated by inversion of the Pole-Dipole measurements using Back-Projection as introduced in the Sensinv2D-Programme. In the second step, the Pole-Dipole and Dipole-Dipole measurements were combined and a 3D-inversion was applied again using Back Projection. The 2D-Inversions for the same slice at different times, a.) groundwater partly at surface level and b.) groundwater level at about 1 mbg show a decrease of resistivity with increasing saturation (Figure 1). A discontinuous layer of higher resistivity was detected at a depth of about 2 mbg. This layer coincides with a zone of presumably higher cementation as encountered during the auger drilling process. The 3D-inversion result shows the discontinuous layer of higher resistivity (about 200-300 Ohmm) at a depth of about 2 mbg as a patchy pattern. This layer is interpreted as a zone where the density of mobile electrical charges is reduced by leaching. The discontinuity of the layer, however, may reflect the distribution of preferential Hydrogeophysik 325 Figure 1: 2D-sections conducted at different times. The area within the ellipse is a.) fully saturated b.) only partly saturated. flow pathways. Although the inversion algorithm does not allow the calculation of error bars, several investigations show that the inversion might underestimate the real resistivity contrast and overestimate the size of the structures (Friedel, 2000). Recent studies on hydrophobic and hydrophilic soil behaviour reveal that the creation of preferential pathways might be caused by microbial activity which is likely to occur in sandy soils (Lamparter, 20003). It is therefore considered important to investigate in more detail whether 3D-geoelectrical measurements might be able to map preferential pathways on site. Friedel, S., 2000, Über die Abbildung- seigenschaften der geoelektrischen Impedanztomographie unter Berücksichtigung von endlicher Anzahl und endlicher Genauigkeit der Messdaten, ISBN, 3-8265-7587-3. Lamparter, A., 2003, Einfluss der Hydrophobie auf den Wasser- und Stofftransport eines sandigen Podsols unter Kiefernwald, Diplomarbeit, Fachhochschule Osnabrück, Studiengang Bodenwissenschaften. 326 Abstracts HGP07 Hagrey al, S. A., Meissner, R., Ismaeil, A., Werban, U. (Kiel, Universität) Geoelektrische Abbildung von Baumstämmen E-Mail: [email protected] Von innen nach außen besteht der radiale Schnitt durch einen Baumstamm aus zentralem dichten Kernholz, Splintholz (Xylem), Phloem und der Rinde. Je nach Baumart bildet sich eine Grenze zwischen Splintholz und Kernholz aus. Durch jahreszeitlich bedingtes schubweises sekundäres Dickenwachstum kommt es zur Ausbildung von Jahresringen. Die Jahresringe zeigen Variationen, stark beeinflusst durch Umwelteinflüsse und Krankheiten, in Wachstumsrate und Holzart. Die Holzrentabilität hängt von der Ausreifung des Kernholzes und dem optimalen Nutzungszeitpunkt ab. Die Feuchteverteilung innerhalb des Stammes gibt Informationen über die Tiefe der Kern- und Splintholzringe. Die elektrische Leitfähigkeit der StammMaterialien beträgt für trockene Zellwände (Cellulose-Verbindung) 10-8 mS/m, für die Zellwandsubstanz 0,24 mS/m und für gesättigtes Holz 4 mS/m (Torgovnikov, 1993). Dies verursacht einen elektrischen Kontrast zwischen den verschiedenen Hozringen und ist Grundlage für die Anwendung des elektrischen Tomographie-Verfahrens. Wir haben ein Ringarray von Feinelektroden (N*16) entwickelt, das radial um den Stamm mit dem gleichen Winkelintervall angebracht wird. Die Feinelektrode ist nadelförmig (Durchmesser=1 mm-1,5 mm, Eindringtiefe ca. 1 m) und besteht aus Gel- bzw. Edelstahl-Material. Die Messungen wurden nahezu zerstörungsfrei an lebenden Bäumen und geschlagenen Ästen in Dipol-Dipol- bzw. Wenner-Anordnung durchgeführt. Die Inversion erfolgt durch Anwendung eines 2D-iterativen Algorithmusses für Zylinderkörper. Das Ziel ist die Abbildung der Innenstruktur der Jahresringe und der Feuchteverteilung innerhalb des Stammes. Elektrische tomographische Messungen werden an verschiedenen Bäumen (z.B. Eiche, Buche, Kiefer, Pappel, Zeder) darunter auch an Obstbäumen (Pfirsich, Olive) und bedrohten Bäumen (Korkeiche) in Deutschland, Portugal und Italien im Rahmen zweier (EU/BMBF)-Forschungsprojekte durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Innenstruktur und die Wasserverteilung in guter Auflösung. Die Strukturvariationen zwischen den Bäumen sind zum Teil beträchtlich. Die Trennung von Splint- und Kernholz ist möglich. Kranke Zonen können gut lokalisiert werden. Die Korrelationen mit Ergebnissen verschiedener Verfahren (z.B. der hochfrequenten Seismik-Tomographie, Saftflussdaten, frisch geschlagenen Stämmen) zeigen eine gute 2D Auflösung. Eine mögliche Anwendung der elektrischen Tomographie an Bäumen ist im Baumpflegebereich und in der Absicherung der Kerndiagnose von Stämmen zu finden. Die Interpretation der 2D-Widerstandsinversionsmodelle in Wassergehalts- und Holzdichteverteilung verlangt die Erstellung von empirischen Kalibrierungs-Gleichungen (ähnlich der Archie-Gleichung) für Baumarten. Webseite: http://www.ifg.unikiel.de/Ingenieurgeophysik/ Hydrogeophysik 327 HGP08 Siemon, B., Pielawa, J., Rehli, H.-J., Röttger, B., Voß, W. (Hannover) Ergebnisse einer aerogeophysikalischen Grundwassererkundung in Ost-Caprivi E-Mail: [email protected] Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) führt seit Herbst 2002 im Auftrag des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) das Projekt Grundwassererkundung im Nordosten Namibias und aerogeophysikalische Untersuchungen ausgewählter mineralhöffiger Zonen durch. Die Partner auf namibischer Seite sind das Department of Water Affairs (DWA) und der Geological Survey of Namibia (GSN). Ziel dieses auf drei Jahre veranschlagten Vorhabens ist es, Erkenntnisse über Verfügbarkeit und Nutzungsstrategien für Grundwasserressourcen ausgewählter Landesteile und zur Mineralexploration zu gewinnen. Die BGR setzte in der ersten Projektphase ihr Hubschraubermesssystem ein, mit dem gleichzeitig elektromagnetische, magnetische und radiometrische Daten erhoben und mit genauen Lagekoordinaten und Höhenwerten versehen werden können (Abb. 1). Das Messsystem besteht aus einem Elektromagnetiksystem mit koplanaren Spulensätzen für fünf Messfrequenzen (384 Hz, 1830 Hz, 8610 Hz, 41.300 Hz und 192.500 Hz), einem Cäsium-Magnetometer, einem 256-Kanal-Gammastrahlenspektrometer mit fünf 4,2-l-NaJ-Kristallen, je einem DGPSEmpfänger im Hubschrauber und in der Flugsonde, einem Laserhöhenmesser, einem Radarhöhenmesser, einem barometrischer Höhenmesser und einer Bodenstation zur Registrierung der zeitlich veränderlichen Messgrößen. Aufgrund der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit vom Tongehalt in der Gesteinsmatrix einerseits und vom Mineralgehalt im Grundwasser andererseits sind für eine Grundwassererkundung besonders die Daten der Elektromagnetik von Bedeutung. Basierend auf einfachen 1D-Modellen des spezifischen Widerstandes werden Karten und Vertikalsektionen produziert, die einen Einblick in die räumliche Verteilung der elektrischen Abbildung 1: Aerogeophysikalisches Mess- Parameter geben und so Rückschlüsse auf die system der BGR, bestehend aus Hubschrau- hydraulischen Parameter ermöglichen. ber, Flugsonde und Bodenstation. Eines der für das DWA beflogenen Mess- 328 Abstracts Abbildung 2: Scheinbare spezifische Widerstände, abgeleitet aus einem Halbraummodell für die Daten der 41-kHz-Frequenz. Diese Karte spiegelt die Widerstandsvariationen, und somit auch die Wasserqualitäten (der Grundwasserspiegel liegt meist unterhalb von 10 m), in geringer Tiefe (< 20 m) wider. gebiete liegt in Ost-Caprivi, direkt nördlich der Grenze zu Botswana. In diesem Gebiet ist mit Versalzungen des Grundwassers in relativ geringer Tiefe zu rechnen. Mit 35 Messflügen wurde dieses etwa 2200 qkm umfassende Gebiet vom 4. November bis 9. Dezember 2003 mit einem Linienabstand von 400 m begeflogen, was auf 274 Messprofile mit einer Gesamtprofillänge von über 6700 km führte. In der Karte der scheinbaren spezifischen Widerstände für die Messfrequenz 41 kHz (Abb. 2) sind diese Versalzungszonen durch ihre sehr niedrigen Widerstandswerte zu erkennen, während hohe Widerstandswerte auf Süßwasser im sedimentären Untergrund hindeuten. Die Ergebnisse der Aeroelektromagnetik zeigen in den Karten und Vertikal- sektionen deutlich die Variationen der Süß/Salzwassergrenze bis in etwa 100 m Tiefe, wobei lokal große laterale Unterschiede aufgedeckt werden konnten. Für eine sinnvolle Grundwassernutzung durch die ländliche Bevölkerung bieten diese Ergebnisse eine solide Basis für weitere hydrogeologische Untersuchungen in diesem Projektgebiet. Webseite: http://www.bgr.de/ Hydrogeophysik 329 HGP09 Stadtler, C., Fielitz, F., Röttger, B., Schildknecht, F., Siemon, B., Voß, W. (Hannover, BGR) Hubschrauber- (HEM) und Transientelektromagnetische (TEM) Messungen zur Grundwassererkundung in Namibia E-Mail: [email protected] Im Rahmen der Technischen Zusammenarbeit mit Namibia wurden in 2002/2003 im Projekt „Grundwassererkundung im Nordosten Namibias“ in zwei Messgebieten, im OstCaprivi und bei Oshivelo östlich der Etosha Pfanne, HEM- und TEM-Messungen durchgeführt. Es sollten gemeinsam mit dem Projektpartner, dem Department of Water Affairs, Windhoek, geeignete Stellen für neue Grundwasserbohrungen gefunden werden, um die Wasserversorgung in den Regionen zu verbessern. Hierzu wurde zunächst mit dem Hubschraubermesssystem der BGR in den beiden Messgebieten eine Gesamtfläche von etwa 13.000 km2 mit Linienabständen von 400 bzw. 2000 m beflogen, was einer Gesamtprofillänge von etwa 12.000 km entspricht. Basierend auf den HEM-Ergebnissen führte die Firma Poseidon, Botswana, im Auftrag der Projektpartner TEM-Messungen auf Profilen mit einem mittleren Punkt- und Profilabstand von 5 bzw. 10 km an insgesamt 115 Sondierungspunkten durch. Bei HEM-Messungen wird ein frequenzelektromagnetisches Messsystem, das in einer Flugsonde (Bird) installiert ist, eingesetzt. Sie wird von einem Hubschrauber in etwa 30 m Höhe über Grund geschleppt. Das System arbeitet mit 5 horizontal-koplanaren Spulensystemen bei Frequenzen im Bereich von 385 Hz - 192 kHz und einer Taktrate von 10 Messungen pro Sekunde. Das entspricht bei einer Fluggeschwindigkeit von 140 km/h einem Messpunktabstand von 4 m entlang einer Fluglinie. Die maximale Eindringtiefe variiert in Abhängigkeit von der Verteilung der spezifischen Widerstände im Erduntergrund und beträgt im Mittel etwa 100 m. Für die TEMSondierungen wurde an der Erdoberfläche eine quadratische Spule mit 200 m Kantenlänge ausgelegt und ein stationäres Magnetfeld erzeugt. Durch das Abschalten des Primärfeldes werden im Untergrund Ströme induziert, deren zeitliches Verhalten während des Abklingens von der Verteilung der spezifischen Widerstände im Untergrund abhängt. Das Abklingen der Ströme wird anhand der von ihnen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen über einen Zeitbereich von wenigen Mikrosekunden bis zu einigen hundert Millisekunden mit etwa 10 Messpunkten pro Dekade erfasst. TEM-Messungen im Zeitbereich entsprechen Messungen im Frequenzbereich mit vielen Frequenzen. TEM-Messungen können Informationen bis in große Tiefen (mehr als 500 m) liefern, je nach Widerstandsverteilung im Untergrund und verwendetem Messgerät. Die aus den HEM-Messungen abgeleiteten Widerstände lassen sich aufgrund der hohen Messpunktdichte besonders gut in Kartenform und als Vertikalschnitte, die auf 1D-Inversionrechnungen basieren, präsentieren und ermöglichen somit die dreidimensionale Widerstandsverteilung zu erfassen. Nachteilig wirkt sich bei einigen Fragestellungen ihre vergleichsweise geringe Eindringtiefe aus, insbesondere dann, wenn das zu erkundende Objekt (nutzbarer Grundwasserleiter) unterhalb einer elektrisch gut leitenden Schicht, z.B. Grundwasserstauer (Tone 330 Abstracts und Schluffe) oder Salzwasser, liegt. TEMMessungen bieten hier aufgrund ihrer wesentlich größeren Erkundungstiefe Abhilfe, so dass auch Grundwasserleiter erkundet werden können, die mit HEM-Messungen nicht oder nur unvollständig zu erfassen sind. Die 1D-Inversionsergebnisse werden ebenfalls in Form von 1D-Modellen und Vertikalschnitten präsentiert. Ein Vergleich der HEM- und TEMSchichtmodelle in den Messgebieten Caprivi und Oshivelo zeigt, dass die Inversionsergebnisse beider Messverfahren häufig sehr gut zusammenpassen, insbesondere dann, wenn eine gut leitende Schicht in mittleren Tiefen (ca. 30 - 80 m) vorhanden ist. Liegt solch eine Schicht jedoch höher oder tiefer, treten unterschiedliche Ergebnisse in beiden Verfahren auf. Oberflächennahe Widerstandsänderungen im Untergrund (im Zehnermeterbereich) werden durch TEM-Messungen häufig schlecht aufgelöst und in Modellen zu einer Schicht zusammengefasst, die durch große Äquivalenzen der spezifischen Widerstände und Mächtigkeiten gekennzeichnet ist. Dieser Effekt tritt bei den HEM-Ergebnissen zwar auch auf, aber in deutlich geringerer Tiefe (einige Meter). Ferner können insbesondere dünne, gut leitende Schichten, die durch die TEM-Messungen bei frühen Messzeiten nicht ausreichend zu erfassen waren oder in 1D-Inversionsmodellen nicht berücksichtigt werden konnten, die Lage der oberen Schichtgrenzen in den Inversionsergebnissen beeinflussen. Tiefere Schichtgrenzen bleiben hiervon aber unbeeinflusst. Demgegenüber können tief liegende (> 100 m), gut leitende Schichten die unterste Schicht (Substratum) der HEM-Modelle selbst dann nachhaltig beeinflussen, wenn diese deutlich tiefer als die berechnete Oberkante des Substratums liegen sollte. Die praktische Folge hiervon ist, dass ein abtauchender guter Leiter nicht zwangsläufig ein vergleichbares Abtauchen des Substratums nach sich zieht, sondern eine Zunahme im spezifischen Widerstand. Durch Kombination der Inversionsergebnisse beider Messverfahren können Schichtmodelle mit guter Auflösung des oberflächennahen Bereichs und großer Eindringtiefe erstellt werden. Die oberste Schicht der TEMModelle erscheint in den HEM-Modellen in mehrere Schichten unterteilt, so dass für den oberflächennahen Untergrund ein detailliertes Bild der spezifischen Widerstände entsteht. Durch die große Aussagetiefe der TEMModelle können spezifische Widerstände bis in große Tiefen bestimmt werden. Kleine Abweichungen in den Widerständen und Schichtmächtigkeiten zwischen den Modellen können meist durch das Äquivalenz-Problem erklärt werden. In einigen Fällen liegen Schichtgrenzen in den TEM- und HEM-Modellen in unterschiedlichen Tiefen. Das könnte am oben erwähnten Einfluss einer im Modell unberücksichtigten, gut leitenden Schicht im flachen oder tiefen Untergrund liegen. Der Grund, warum einige Modelle keine Übereinstimmungen aufweisen, muss noch genauer untersucht werden. Außerdem soll getestet werden, wie sich der Einbau von Randinformationen aus HEM-Messungen in die TEM-Modelle auf die Inversionen auswirkt. Der kombinierte Einsatz beider Messverfahren in Namibia hat gezeigt, dass durch die Methoden mächtige Grundwasserleiter in großer Tiefe lokalisiert und kartiert werden können und durch die Kombination der Inversionsergebnisse ein detaillierteres und besseres Bild über die Verteilung der spezifischen Widerstände im Untergrund entsteht. Hydrogeophysik 331 HGP10 Scholl, C. (IGM, Köln), Goldman, M. (GII, Israel), Helwig, S. L. (IGM, Köln), Kafri, U. (GSI, Israel), Lange, J., Tezkan, B. (IGM, Köln) Grundwassererkundung mit Transient-ElektroMagnetik (TEM) in Nordisrael E-Mail: [email protected] Für Israel ist die Frischwasserversorgung ein äußerst wichtiger Faktor. Eine der wichtigsten Quellen für Frischwasser stellt der See Genezareth im Norden des Landes dar. Problematisch ist dabei der für einen Süßwassersee hohe Salzgehalt von etwa 220 mg Cl− pro l. Zum Vergleich: Die den See speisenden Flüsse weisen einen Salzgehalt von 20-30 mg/l auf, das Mittelmeer liegt bei rund 22000 mg/l. Die hohe Salinität wird verursacht durch den See saline Quellen, deren Wasser in den See fließt. Wichtig für die weitere Versorgung Israels mit Frischwasser ist, den Ausstoß von Salz aus diesen Quellen möglichst niedrig zu halten. Dazu ist es notwendig zu wissen, was die Ursache für den hohen Salzgehalt des Wassers ist. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene hydrogeologische Modelle diskutiert, die versuchen, den Salzgehalt, die Grundwasserdynamik und die sonstigen chemischen Befunde zu erklären. Die populärsten Modelle geben als Quelle der Versalzung entweder eine vor Urzeiten gebildete Sole, die in tiefen Aquiferen liegt und durch unterschiedlichste Prozesse wieder an die Oberfläche tritt, oder eindringendes Mittelmeerwasser an, das im Küstenbereich in die oberen Aquifere eindringt und gravitativ getrieben an den etwa 200 m tiefer liegenden Quellen am See austritt. Bessere Kenntnis über die Verteilung des salinen Grundwassers in Nordisrael ist wichtig um die verschiedenen Modelle zu verifizieren. Die salzwasserführenden Aquifere stellen elektrisch gut leitende Schichten dar. Je nach Porosität und Salzgehalt wird ein spezifischer Widerstand zwischen 1 und 10 Ωm erwartet. Für entsprechende Widerstände kommt in Nordisrael keine andere geologische Ursache in Betracht. Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrund mit elektromagnetischen Methoden bieten sich also an, um die Verteilung salinen Wassers festzustellen. Eine Gruppe von elektromagnetischen Methoden für mittlere bis größere Tiefen sind die Transient-ElektroMagnetischen (TEM) Methoden. Hier wird zunächst mit einem Sender ein primäres elektromagnetisches Feld erzeugt. Durch das Abschalten dieses Feldes werden im Untergrund Ströme induziert. Die zerfallenden sekundären elektromagnetischen Felder werden an Empfängerstationen aufgezeichnet. Aus diesen sogenannten „Transienten“lassen sich Leitfähigkeitsmodelle ableiten. Das Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität Köln (IGM) hat im Frühjahr 2002 und im Dezember 2003 Messungen in Nordisrael durchgeführt. In Zusammenarbeit mit dem Geophysical Institut of Israel (GII) und dem Geological Survey of Israel (GSI) soll dabei die Leitfähigkeitstruktur des Untergrundes zwischen der Bucht von Haifa und dem See Genezareth sowie dem Küstenstreifen südwestlich des Karmelgebirges untersucht werden. Für die Tiefe bis zu 500 m wurde dazu vom GII die „SHort-Offset“Modifikation (SHOTEM) der TEM-Methode eingesetzt. Hier wird als Sender eine Spule verwendet, die Empfängerspule wird in der 332 Abstracts Nähe des Senders aufgebaut. Um die Tiefenbereiche zwischen 300 und 3000 m auflösen zu können, führte das IGM Messungen mit der „Long-Offset“-Modifikation (LOTEM) durch. Hier wird ein geerdeter Dipol als Sender verwendet. Die Empfänger-Stationen bestehen aus Sensoren für die unterschiedlichen elektrischen und magnetischen Feldkomponenten und werden typischerweise in einigen Kilometern Entfernung vom Sender aufgebaut. In der ersten Phase wurden die Messungen vorhandener Bohrlöcher durchgeführt, um die Ergebnisse mit den Vorinformationen aus dem Bohrloch abgleichen zu können. Im Nachhinein stellte sich diese Wahl als problematisch dar, da viele dieser Bohrungen als Erdölmutungsbohrungen in geologische Störungszonen niedergebracht wurden. Dennoch können die einzelnen aufgezeichneten Komponenten in erster Näherung mit geschichteten Erdmodellen erklärt werden. Die Komplexität des Untergrundes macht sich allerdings bemerkbar, wenn man versucht, die verschiedenen, an einem Empfangspunkt aufgezeichneten Komponenten mit einem einheitlichen Modell zu erklären. Bisherige Analysen der Daten und Modellrechnungen zeigen, dass die größten Störungen der Transienten an den meisten Stationen durch oberflächennahe Strukturen erzeugt werden und durch einfache Operationen und Interpretationsstratgien minimiert werden können. Bei der Messung 2003 wurde unter Verwendung seismischer Ergebnisse verstärkt darauf geachtet, die Auslagen über geologisch möglichst einfachem Untergrund durchzuführen. Ein erstes Ergebnis zeigt ein stimmiges Bild auf dem Profil zwischen Haifa und dem Jordantal, auf dem sich zwei durchgehende gutleitende Schichten abzeichnen. Den- noch ist die Auswertung der Daten von 2002 noch nicht abgeschlossen. Um die Schichttiefen, Mächtigkeiten und Leitfähigkeiten genauer zu spezifizieren und damit eine abschließende hydrogeologische Interpretation zu ermöglichen, sind weitere Modellrechnungen und/oder die Einbeziehung von weiteren (seismischen) Vorinformationen nötig. Die Aufbereitung der im Dezember 2003 aufgezeichneten Daten steht noch am Anfang. Hydrogeophysik 333 HGP11 Büttner, G., Musolff, A., Schafmeister, M. (Greifswald, Institut für Geologische Wissenschaften) Geophysikalische Untersuchungen der Salzwasser/ Süßwasserverteilung in einem zeitlich instationären Grundwassersystem auf der Insel Usedom - Projektskizze E-Mail: [email protected] Küstennahe Grundwasserleiter werden stark durch Meeresspiegel beeinflusst. Zeitliche Variationen, bedingt durch Änderungen des Meeresniveaus, des Salzgehaltes, den geologischen und klimatischen Bedingungen, resultieren in eine dynamische Variation der Strömungsverhältnisse. In dem hier vorgestellten Teilgebiet geht es um den geophysikalischen Beitrag für ein Projekt, das sich mit der Entwicklung küstennaher Grundwasserleiter im Ostseeraum zwischen Mecklenburger Bucht und Swine beschäftigt. Die untersuchte Zeitspanne des Vorhabens reicht vom Beginn der Littorina Transgression (8.000 BP) bis heute. Nach lang anhaltenden Süßwassereinflüssen unterlag die Region zunehmend marinen Einflüssen. Auf Basis von hydrochemischen Messungen und Isotopenuntersuchungen an Grundwasserproben werden hydrochemische und hydraulische 4D-Modelle berechnet, die Alter, Ursprung und die zugrunde liegenden Mischungsprozesse abbilden. Die geophysikalischen Messungen sollen die rezente Verteilung von Salz- und Süßwasser in den Grundwasserleitern erfassen und damit als Verifizierungsgröße in die Modellierungen eingehen. In Vorarbeit zu einem DFG- Antrag wurde im September 2003 eine Messkampagne im Nordwesten der Insel Usedom durchgeführt (siehe Abb. 1). Das Untersuchungsgebiet befindet sich in der holozänen PeenemünderZinnowitzer-Seesandebene, die an ihrer Westseite durch pleistozäne Geschiebemergel begrenzt ist. Es wurden verschiedene geoelektrische Sektionen mit unterschiedlichen Auslagen für unterschiedliche Tiefenaussagen aufgenommen. Zusätzlich wurde auf einem der Profile eine Messung mit dem Bodenradar (Messfrequenz 250 MHz) durchgeführt. Die Pseudosektion (Profil 1, Abb. 2) in der Seesandebene zeigt eine gute Korrelation zu Daten aus tiefenorientierten Grundwasserentnahmen und Bohrungen. So spiegelt der spezifische Widerstand des oberflächlich anstehenden wassergesättigten Torfes (ca. 70 - 80 Ωm) den geringen Salzgehalt (ca. 0,5 g/l) des oberflächennahen Wassers wider. Die mit der TieAbbildung 1: Lage der Messprofile und Mess- fe zunehmende Salinität kann sowohl in der punkte für die elektrolytische Leitfähigkeit, elektrolytischen Leitfähigkeit des Wassers als nach TK10 (LVERMA-MV). auch in der Pseudosektion beobachtet werden. 334 Abstracts Abbildung 2: Verteilung des spezifischen Widerstandes aus der Pseudosektionsmessung und der elektrolytischen Leitfähigkeit in der Grundwasserentnahmestelle auf Profil 1. Abbildung 3: Verteilung des spezifischen Widerstandes auf Profil 2, Elektrodenabstand 4 m. So kann auch hier im Bereich zwischen 1 m und 3 m Tiefe ein gradueller Übergang registriert werden. Der darunter liegende Bereich wird durch nahezu konstante spezifische Widerstände (ca. 8 Ωm) charakterisiert. Diese spiegeln die erhöhte Ionenkonzentration (4 g/l) des Porenwassers wider. Ein weiteres Testprofil (Profil 2) wurde an den Übergang der Seesandebene zum westlich anstehenden Geschiebemergel gelegt. An der südöstlichen und nordwestlichen Seite des Profils befindet sich je ein Entwässerungsgraben. Eine Messung der elektrolytischen Leitfähigkeiten ergab im Osten höhere Werte des Grabenwassers (B: 3340 µS/cm) als an der Westseite (C: 900 µS/cm). Daraus kann geschlussfolgert werden, dass sich im Bereich des Profils der Übergang von Süßwasser im Nordwesten zum brackigen Wasser im Südosten befinden muss. Dieser Grenzbereich lässt sich in beiden Pseudosektionen (Elektrodenabstand 4 m (siehe Abb. 3) bzw. 2 m) exakt verifizieren. Ergänzt wurden diese Messungen mit einem Radarprofil. In beiden Pseudosektionen ist deutlich der Verlauf der Salzwasser/ Süßwassergrenze zu erkennen. So weisen auch die Porenwässer am östlichen Rand des Profils eine höhere elektrolytische Leitfähigkeit auf, als am westlichen Rand. Bei Bewilligung des Projektes ist nach einer detaillierten Bestandsaufnahme das jahreszeitliche Verhalten der Süßwasser/ Salzwasserverteilung und der detaillierte geologische Aufbau zu erfassen. Hydrogeophysik 335 HGP12 Niesner, E. (Leoben) Der Alfa-Faktor in Einbohrloch Flowmetermessungen - Einflussgrössen und FEMModellierungen E-Mail: [email protected] lumens unterschiedlich groß ist. Durch die Bohrung, das Filterrohr, den Filterkies und etwaigen Einbauten werden die Strömungsverhältnisse im Nahbereich der Bohrung aber deutlich gestört. Bedingt durch den durch das ausgebaute Bohrloch hervorgerufenen Permeabilitätskontrast zwischen der Formation und dem freien Wasser im Bohrloch ist die im Bohrloch gemessene Geschwindigkeit va nicht identisch mit der Filtergeschwindigkeit v f , der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers im Aquifer. Das Verhältnis dieser beiden Geschwindigkeiten va v f wird über den sogenannten Alfa Faktor spezifiziert. Der theoretische Wertebereich dieses Faktors liegt laut Literaturangaben zwischen 1 und 8. Eine gute Messgenauigkeit der Einbohrlochmesssonden ist daher zur Bestimmung der Filtergeschwindigkeit nicht ausreichend, da der Fehler verursacht durch den Alfa Faktor um Grössenordungen über der Messgenauigkeit liegt. Zur Korrektur der mit dem Flowmeter gemessenen „scheinbaren “Strömungsgeschwindigkeit ist es daher notwendig die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Einflussparametern und dem Alfa Faktor möglichst genau zu bestimmen. Je besser diese Zusammenhänge bekannt sind, umso besser können sich die Einbohrlochverfahren gegenüber den Mehrbohrlochverfahren durchsetzten. Ziel dieser Arbeit war es diese Beziehungen zwischen den Einflussparametern wie Permeabilität der Formation und Abbildung 1: Alfa-Faktor in Abhängigkeit von des Filterkieses, des Bohrungsdurchmessers, u.a. über Modellierung mit Hilfe der Finiten der Permeabilität in einer offenen Bohrung Immer häufiger werden Einbohrloch Flowmetermessungen zur Ermittlung von Grundwasserströmungsgeschwindigkeit und Richtung herangezogen. Diese Messmethode ist wesentlich schneller und auch billiger als die meist verwendeten Mehrbohrlochmethoden. Oftmals sind die Mehrbohrlochmethoden auch mangels geeigneter Bohrungen nicht anwendbar.Die Entwicklung von in Einbohrlochmessungen einsetzbaren Flowmetersonden ist in den letzten Jahren rasant vorangeschritten. Die erreichbare Messgeschwindigkeit liegt bereits unter einem Meter pro Tag. Besonders die neuen optischen Sonden (Photometry Flowmeter (Mares, 1995), GFK-Probe (Schöttler,1998), Darkfield-Sonde (Niesner,1998), Colloidal Borescope, (Kearl,1998), u.a.) erreichen sehr gute Messgenauigkeiten (Kerschner, 2003). Alle diese Sonden messen die, sich im Zentrum des Filterrohres einstellende horizontale Strm̈ungsgeschwindigkeit va und Richtung, wobei die Grösse des betrachteten Messvo- 336 Abstracts Abbildung 2: Strömungsgeschwindigkeits- und Richtungsverteilung in einer verrohrten Bohrung mit Filterkies; Filtergeschwindigkeit 1 × 10−5 m/s Elemente Methode zu berechnen. In dem Modell wurden die Strömungsverhältnisse in der Bohrung über die Navier-Stokes Gleichungen und in der Formation über die Brinkmann Gleichungen beschrieben. Zu Beginn wurden die Strömungsverhältnisse in einem offenen Bohrloch ohne Filterrrohr und Filterkies modelliert wobei die Permeabilität der Formation variiert wurde. Ein Beispiel für die berechnete Abhängigkeit des Alfa Faktors von der Permeabilität der Formation im offenen Bohrloch zeigt die Abbildung 1. In den weiteren Schritten wurde das Modell durch den Einbau eines Schlitzfilterrohres und einer Filterkiesschüttung immer realitätsnäher gestaltet. Auch die Strömungsrichtung in Bezug auf die Symmetrie des Filterrohres musste mit einbezogen werden. Ein Ergebnis der Berechnung der Strömungsverteilung in diesem komplexeren Modell ist in der Abbildung 2 dargestellt. Die Modellrechnungen ergaben wesentlich geringere Streuungen der Alfa-Werte als die eingangs erwähnten. Ein Faktor von 2 ist für die meisten Aquifer eine gute Approximation. Das Einbinden der Ergebnisse einer Modellierung kann aber die Genauigkeit noch deutlich verbessern. Weitere zusätzliche Ergebnisse lieferten Messungen an einem Laboraufbau in dem definierte Grundwasserströmungen um eine ausgebaute Bohrung simuliert werden konnten. Diese Modellrechnungen waren Teil eines vom FFF (Fonds zur Förderung der gewerblichen Wirtschaft) und der Fa. GECO Umwelttechnik unterstützten Forschungsprojektes. Literatur: Kerschner, Frederik: Analysis of the Influence Factors On Darkfield High Resolution Well Logging Flowmeter Measurements Montanuniversität Leoben, Institut für Geophysik, Diplomarbeit 2003. KO DGG-Kolloquium 338 Abstracts KO01 – Mi.,10.3.,09:30-10:30 Uhr · H0110 Siemon, B. (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover) Aeroelektromagnetik DGG-Kolloquium 339 KO02 – Mi.,10.3.,10:30-11:30 Uhr · H0110 Meyer, U. (GeoForschungszentrum, Potsdam), Heyde, I. (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover) Entwicklung und Anwendung von aerogravimetrischen Messsystemen 340 Abstracts KO03 – Mi.,10.3.,11:50-12:50 Uhr · H0110 Arndt, R. (Geologische Bundesanstalt, Wien) Aeromagnetik - Alte Methode / neue Bilder DGG-Kolloquium 341 KO04 – Mi.,10.3.,15:00-16:00 Uhr · H0110 Rybach, L. (ETH Hönggerberg), Bucher, B. (Paul Scherrer Institut, Villigen), Schwarz, G. (Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen, Villingen) Aero-Gammaspektrometrie - Methodik und neue Anwendungen MA Erdmagnetismus Erdmagnetismus 343 MA01 – Fr.,12.3.,09:30-09:50 Uhr · H0111 Wehland, F., Appel, E. (Institut für Geowissenschaften, Tübingen), Alt-Epping, U. (Forschungszentrum Ozeanränder, Bremen) Pyrrhotin in kontaktmetamorphosen Kalken - ein Weg zur kontinuierlichen Aufzeichnung von kurzzeitigen Erdmagnetfeldvariationen E-Mail: [email protected] Die gängingen Methoden zur Untersuchung des Verhaltens des Erdmagnetfeldes stützen sich auf die Ergebnisse aus Basalten und Sedimentgesteinen. Obgleich beide Medien wertvolle Informationen liefern, unterliegen sie dennoch einigen Schwierigkeiten wie dem Auftreten von Schichtlücken oder der lock-in Tiefe. Dies hat zur Folge, dass Ungenauigkeiten bei der Untersuchung kurzzeitiger Variationen des Erdmagnetfeldes, wie zum Beispiel während einer Umkehr (reversal), nur schwer zu korrigieren sind. Eine Lösung bietet hier die Idee einer kontinuierlichen Aufzeichnung der Erdmagnetfeldvariationen während der Abkühlung eines kontaktmetamorphosen Gesteins mittels sukzessiver partieller thermoremanenten Magnetisierungen (pTRMs). Probenmaterial an, in denen sich Pyrrhotin während der prograden Metamorphose als sekundäres Mineral bildet und retrograd eine TRM unterhalb der Curietemperatur von 325°C erwirbt. Die Qualität und Dauer der Aufzeichnung hängt dabei zum einen von den Gesteinsparametern (Bereichstruktur und Korngrößenverteilung der magnetischen Teilchen), zum anderen von der Beschaffenheit der Intrusion selbst (Größe, Alter, Dauer des Magmatismus, Eindringtiefe) ab. Deshalb wurde bei der Auswahl der Probengebiete darauf geachtet, dass alle Intrusionen eine niedrige Eindringtiefe, ein junges Alter (Tertiär), aber unterschiedliche Größe besitzen. Untersucht wurden Proben aus dem kontaktmetamorphen Bereich des Manaslu Granits (NeDabei bieten sich unreine Kalksteinen als pal), der Isle of Skye (Schottland) und den verschiedenen Intrusionen auf Elba (Italien). Die Untersuchung der Bereichstrukturverteilung und Interaktion der magnetischen Teilchen mittels FORC-Diagramme (First Order Reversal Curves, Abb.1) läßt anhand der hohen Koerzitivkraftwerte (Hkoerz ) erkennen, dass die Proben eine Verteilung im SD-PSD (single domain, pseudo single domain) Bereich besitzt, wobei die Interaktion (Variation entlang Hinter ) vernachlässigt werden kann. Eine Abschätzung des Blockungstemperaturspektrums mittels Thellier Experiments an im Abbildung 1: FORC Diagramm einer pyrrho- Labor induzierten TRMs ergab ein maximatinhaltigen Probe: die geschlossenen Konturen les Aufzeichnungspotential pyrrhotinhaltiger und die hohen Koerzitivkraftwerte stehen für Proben bis zu niedrigen Temperaturen. BeiTeilchen im SD Bereich de Techniken beweisen, dass die Aufzeich- 344 Abstracts Abbildung 2: Die thermische Demagnetisierung der NRM zeigt ein Mehrkomponentenverhalten, welches in Beziehung zur Größe der Intrusiva steht nung unabhängiger pTRMs in pyrrhotinhaltigen Proben möglich ist. Die thermische Demagnetisierung der NRM (Natural Remanent Magnetisation) von Proben nahe großen Intrusiva wie dem Manaslu Granit zeigt ein mehr Komponentenverhalten innerhalb des Blockungsspektrums von Pyrrhotins auf (Komponenten A-D, Abb.2a), welches auf eine längere thermische Einwirkung oder/und gepluster magmatischer Aktivität zurückzuführen ist. Die Anzahl der Komponenten nahe kleiner Intrusiva (Isle of Skye, Elba, Abb.2b) reduziert sich auf maximal zwei. Die damit im Zusammenhang stehende kürzere thermische Überprägung ist im Einklang mit den Ergebnissen von thermischen Modellierungen, welche eine Zeitabschätzung der Abkühlung für den Aufzeichnungsbereich (325°C - ca. 200°C) von weniger als 400kyr ergeben. Ein negativer Faltentest an der Hoch- (k = 20.4 ; alpha95= 8.4, Abb. 2b (A)) und Niedertemperaturkomponente (k = 10.2 ; alpha95 = 11.0, Abb. 2b (B)) der Elba Proben demonstriert, dass die NRM eine TRM ist. Die beiden Richtungen schließen einen Winkel von ca. 160° ein und besitzen einen Übergangsbereich (Abb. 2b (B), der sich über 40°C erstreckt. Da aufgrund der gesteinsmagnetischen Parame- ter (nichtinteragierende SD-PSD Teilchen) ein zweites Aufheizen des Gesteins einen schrafen Übergang zur Folge hätte, beinhaltet dieser Übergangsbereich Informationen über eine Umkehr (Reversal) des Erdmagnetfeldes. Die Abschätzung dieses Übergangsbereiches mittels der thermischen Modellierung ergibt für die Dauer der Umkehr ein Zeitspanne von 1015kyr. Erdmagnetismus MA02 – Fr.,12.3.,09:50-10:10 Uhr · H0111 Wicht, J. (Max-Planck-Institut für Aeronomie) Paleomagnetische Interpretation simulierter magnetischer Feldumkehrungen E-Mail: [email protected] Die Eigenschaften geomagnetischer Feldumkehrungen und Exkursionen werden meist aufgrund paläomagnetischer Daten von einer Site abgeschätzt. Dynamosimulationen zeigen jedoch, dass die relative Stärke des Dipols während Feldumkehrungen und Exkursionen stark abnimmt. Das Magnetfeld ist dann stärker ortsabhängig als in stabilen Perioden, die durch einen starken Dipol gekennzeichnet sind. Infolgedessen können Reversal- und Exkursionseigenschaften, die auf einer lokalen Analyse beruhen, stark von Site zu Site variieren. Ich verwende selbstkonsistente Dynamosimulationen um diesen Effekt zu verstehen und zu quantifizieren. Es zeigt sich, dass die geschätzte Dauer einer Feldumkehr um mehr als eine Größenordnung variieren kann. Das Gleiche gilt für Exkursionen. Ferner sind Exkursionen nicht immer globale Ereignisse. Eine größere Anzahl kurzer Exkursionen tritt zum Beispiel in hohen Breiten auf. Dies hängt unmittelbar mit der dort erhöhten Säkularvariation (ASD) zusammen. Stärkere Exkursionen werden eher global festgestellt, ihre spezifische magnetische Signatur kann jedoch stark von der Site abhängen. Webseite: http://www.linmpi.mpg.de/ wicht/Reversals 345 346 Abstracts MA03 – Fr.,12.3.,10:10-10:30 Uhr · H0111 Webers, W. (Potsdam, GeoForschungsZentrum) Zur Verwendung simultaner Magnetfeldmodelle bezogen auf die Erdoberfläche und auf Satelliten - Chancen E-Mail: [email protected] Wie aus der Theorie der Potentialfelder bekannt ist, gibt es nur dann eine eineindeutige Beziehung zwischen dem Potentialfeld und seiner Quelle, wenn das Potentialfeld in allen Punkten des dreidimensionalen Raumes bekannt ist, d.h. auch in allen Punkten des Quellgebietes selbst (vgl. u.a. Diesselhorst, 1939). Das bedeutet praktisch, daß in derart ´kompletter´ Weise das Feld nie zur Verfügung stehen kann. Andererseits liefern Felddaten auf zueinander konzentrischen Kugelflächen (Ellipsoidflächen etc.) stets weitere Informationen über die Feldquellen, die somit keinesfalls allein aus geometrischen Relationen ableitbar sind. Das geomagnetische Innenfeld ist ein mit der Entfernung vom Quellgebiet abklingendes Potentialfeld. Simultane, unabhängige Modelle des geomagnetischen Innenfeldes für die Daten der Erdoberfläche haben somit im Vergleich zu dem aus Daten von Satelliten berechneten unterschiedlichen physikalischen Inhalt. Physikalisch bedeutet dies, jene kürzeren Wellenlängen des Feldes, die eine bestimmte Satellitenhöhe nicht erreichen, können naturgemäß nicht in deren zugehörigem Feldmodell enthalten sein. Sobald also Felddaten von der Erdoberfläche mit denen von Satelliten kombiniert werden, muß zwingend der unterschiedlkiche physikalische Gehalt bestimmt und berücksichtigt werden. Für das geomagnetische Innenfeld bietet das Kugelfunktionsmodell unabhängig für die Erdoberfläche und für die Satellitenhöhe aus den jeweiligen Daten berechnet die Möglich- keit des Vergleichs im mathematischen Funktionenraum, so daß daraus ein Verfahren der Feldfortsetzung nach unten abgeleitet wurde. Mit diesem bestimmt man in Abhängigkeit vom Ort die Differenz im Feldwert. Die jeweiligen Differenzbildungen in Kombination mit Feldfortsetzungen nach oben und nach unten liefern Details zu den Feldanteilen. Der Einsatz von mehreren Satelliten zu konzentrischen Bahnen im Vergleich zur Erdoberfläche und untereinander vervielfacht Detailangaben zu den Feldkonstituenten. Hierzu werden Modellrechnungen vorgestellt. Erdmagnetismus 347 MAP01 Glaßmeier, K. H. (Braunschweig), Vogt, J. (Bremen), Stadelmann, A. (Braunschweig), Buchert, S. (Uppsala) Erdmagnetische Variationen in der Paläomagnetosphäre E-Mail: [email protected] Im langjährigen Mittel haben erdmagnetische Variationen in hohen magnetischen Breiten Amplituden von etwa 200 nT, d.h. im Vergleich zum Hauptfeld sind sie vernachlässigbar. Andererseits gibt es Hinweise in paläomagnetischen Daten, z.B. in den Steens Mountain Ergebnissen, auf starke Ringstromfelder während einer Umkehr des Erdmagnetfeldes, die in der Regel mit einer starken Abnahme des Hauptfeldes einhergeht. Es stellt sich also die Frage, in welcher Weise die Stärke erdmagnetischer Variationen mit der Hauptfeldstärke skaliert. Wir haben gekannte Skalierungsgesetze für z.B. den Ringstrom überprüft und neue für die polaren Elektrojets abgeleitet. Entgegen früheren Ergebnissen zeigen unsere Skalierungsrelationen für den Ringstrom, dass dessen Stärke mit abnehmendem Hauptfeld auch abnehmen sollte. Für die polaren Elektrojets sollte man in erster Näherung eine Zunahme der Stärke erdmagnetischer Variationen mit abnehmender Hauptfeldstärke erwarten, da die ionosphärische Hallleitfähigkeit mit abnehmendem Hauptfeld zunimmt. Berücksichtigt man allerdings das dreidimensionale Stromsystem im Ionosphären-Magnetosphären-System, dann stellt sich heraus, dass Rekonnexionsprozesse an der Magnetopause durch diese Ströme bzw. ihr Magnetfeld beeinflusst werden. Folgt man dem Hill-Siscoe Szenarium, dann sollte man mit zunehmenden Stärke der polaren Elektrojets und der beteiligten feldparallelen Ströme eine Abnahme bzw. Sättigung des magnetosphärischen Feldes erwarten. Dieser Sättigungseffekt hat zur Folge, dass die Stärke des polaren Elektrojets limitiert ist und mit abnehmendem Hauptfeld ebenfalls abnimmt. Unter normalen Umständen sollten daher erdmagnetische Variationen in der Paläomagnetosphäre nicht erhöht sein. 348 Abstracts MAP02 Leonhardt, R. (LMU München), Fabian, K. (Uni Bremen) Towards a paleomagnetic reconstruction of the global geomagnetic field during polarity reversals E-Mail: [email protected] A paleomagnetic record of a sequence of transitional field vectors during a geomagnetic reversal contains more information than the sequence of VGP’s at the sampling location. A reconstruction method is proposed to find the unique maximum entropy spherical harmonic expansion of the transitional fields up to a given order, which minimizes the total magnetic energy variation at the core-mantle boundary during the reversal. It is shown that application of this reconstruction method to a single data set from stratigraphic lava flows allows to successfully predict transitional paths observed at different sites for the same reversal. Correlation of a lava flow record with a much better dated sedimentary record solves the main obstacle of reversal field reconstruction: The synchronization of spatially separated records of the same reversal. Using the new method it is achievable to combine several high quality reversal records into a single geometric reversal scenario. Using a combination of four paleomagnetic records of the Brunhes/Matuyama reversal to reconstruct the spherical harmonic expansion, the geomagnetic field behavior of the majority of available paleomagnetic records of this reversal can be predicted. Erdmagnetismus 349 MAP03 Gurevitch, E.L. (St. Petersburg), Heunemann, C., Soffel, H.C., Bachtadse, V. (Munich), Radko, V. (Talnakh), Westphal, M. (Strasbourg), Pozzi, J.P., Feinberg, H. (Paris) Palaeomagnetism and Magnetostratigraphy of the Permo-Triassic Siberian Trap Basalts E-Mail: [email protected] A detailed palaeomagnetic and magnetostratigraphic study of outcrops and samples of borehole cores samples from the Siberian Trap Basalts (Permo-Triassic boundary) in the Noril’sk and Abagalakh regions in northwest Central Siberia is presented. Thermal and alternating field demagnetisation techniques have been used and yielded characteristic magnetisation directions. The natural remanent magnetisation is of single component character. Only occasionally a viscous overprint can be identified which is easily removed. The average mean direction after tectonic correction is D= 93.7◦ , 74.7◦ with k= 19 and α95 = 3.3◦ for the 95 flows sampled in outcrops. The corresponding pole position is 56.2◦ N, 146.0◦ E. In addition, unorientated samples from four borehole cores in the same regions have been studied. They confirm the reversed-normal succession found in the outcrops. This simple magnetostratigraphic succession is in favour of a rather short time for the major eruptive process in this region although there is evidence that the complete volcanic activity of the Siberian Traps was much longer and lasted several millions of years. 350 Abstracts MAP04 Krása, D., Matzka, J. (Universität München) Ocean basalt magnetisation does not provide evidence for long-term geomagnetic field intensity variations E-Mail: [email protected] Ocean floor basalts are regarded as a unique palaeomagnetic archive for the last 120 Ma. Based on absolute palaeointensity determinations on submarine basaltic glass (SBG) previous studies inferred low geomagnetic field intensities for the time span between 10 and 40 Ma. Recently, this record was questioned due to arguments contesting the suitability of SBGs for palaeointensity experiments. However, a similar pattern of variation with age is also found for the NRM intensity of ocean floor basalts, lending potential support for the long-term palaeointensity variations determined from SBGs. It is long known that the primary magnetominerals in ocean basalts are titanomagnetites that undergo lowtemperature oxidation with increasing age that strongly influences their magnetic properties. However, characterisation of the NRM is difficult in the case of ocean basalts as the standard stepwise thermal demagnetisation often shows a complex behaviour. By applying a special continuous thermal demagnetisation procedure, we are able to demonstrate that the NRM in fact is carried by the low-temperature oxidation products of the primary titanomagnetite. This supports a magnetomineralogical control of the observed long-term NRM intensity variations of ocean basalts. It seems thus not necessary to invoke long-term changes in palaeofield intensity to explain the NRM intensity pattern of ocean basalts. In order to study palaeointensity variations, preference should be given to other magnetomineralogies not affected by low-temperature oxidation. Erdmagnetismus 351 MAP05 Hambach, U. (Universität Bayreuth), Krumsiek, K. (Universität zu Köln) Das Paläoerdmagnetfeld in MIS 7 – Ergebnisse einer Pilotstudie am Travertinkomplex von Weimar-Ehringsdorf E-Mail: [email protected] Das marine Isotopenstadium (MIS) 7 (ca. 180–250 ka) ist als ein Zeitraum eines höchst instabilen Paläoerdmagnetfeldes (PEMF) charakterisiert (Guyodo & Valet 1999). Zwischen etwa 180 und 260 ka werden bis zu 3 Exkursionen des PEMFs beschrieben (Lund et al. 2001, McWilliams 2001). Travertine sind potentiell hoch auflösende Archive der Paläoumwelt (Reinders & Hambach 1999). Zur Rekonstruktion des PEMFs wurden sie allerdings bisher kaum genutzt (Reinders et al. accepted). Travertin kann als eines der wenigen Sedimente mittels TIMS Th/U–Datierungen direkt radiometrisch datiert werden. Neue Daten von WeimarEhringsdorf stellen den Komplex in das MIS 7 (Mallik & Frank 2002). Im Rahmen einer Pilotstudie wurden aus dem ca. 25 m mächtigen Travertin aus 7 z.T. überlappenden Profilen 224 Kerne gebohrt, die 442 Einzelproben ergaben. Die Proben wurden routinemäßig paläo– und gesteinsmagnetisch untersucht. Die pauschale Volumensuszeptibilität ist gering und liegt im Mittel bei 5.58 · 10−6 SI. Die Beträge der natürlichen remanenten Magnetisierung nach einer Entmagnetisierung mit 10 mT variieren zwischen 0.0031 und 4.5 mA/m. 130 Proben sind schwächer als 0.1 mA/m und 107 sogar schwächer als 0.05 mA/m magnetisiert. Dennoch ließen sich aus 99 Proben paläomagnetisch verwertbare Ergebnisse gewinnen. Das Entmagnetisierungsverhalten ist recht eintönig; es sind kaum Überlagerungen durch viskose Remanenzen zu beobachten. Überlappende Profile liefern übereinstimmende Ergebnisse. Im mittleren Travertin (ca. 215 ka) variieren die Remanenzen um das geozentrisch axiale Dipolfeld (GAD) am Ort. Im Unteren Travertin (243 +/6.2 ka) weichen die Remanenzen z.T. deutlich vom GAD ab. Zumindest im zentralen Bereich ist eine Exkursion des PEMFs abgebildet. Die Remanenzen sind mit ca. 1 mA/m deutlich stärker als im übrigen Travertin. Ein Niveau ist voll invers polarisiert. Die Probendichte ist jedoch zu gering, als das zum jetzigen Stand der Bearbeitung Aussagen über die Struktur des PEMFs möglich wären. Im Rahmen der weiteren Bearbeitung soll die Probendichte erhöht werden, um gerade auch den Bereich der Exkursion des PEMFs zeitlich besser aufzulösen. Weitere TIMSDatierungen sollen klären helfen, ob eine von Lund et al. (2001) in marinen Sedimenten auf ca. 236 ka datierte Exkursion im Travertinkomplex von Weimar-Ehringsdorf aufgezeichnet ist. 352 Abstracts Abbildung 1: Chronostratigraphie des Travertinkomplexes von Weimar–Ehringsdorf. TIMS– Uran-Reihen–Alter sind gegen den paläoklimatischen marinen sowie terrestrischen Record des Zeitraums 150 bis 280 ka aufgetragen (SPECMAP, Bassinot et al. 1994; Devils Hole vein calcite, Winograd et al. 1997). Der SINT–800 Record zeigt die Variationen des virtuellen erdmagnetischen Diplomoments (VADM) in diesem Zeitraum (Guyodo & Valet 1999). Erdmagnetismus 353 MAP06 Müller, H., von Dobeneck, T. (Universität Bremen) Laborexperiment zum Einfluss der Kompaktion auf den Remanenzerwerb von marinen Sedimenten E-Mail: [email protected] Die über geologische Zeiträume fortschreitende Kompaktion mariner Sedimente führt neben einer Verdichtung und Fixierung auch zu einer partiellen Reorientierung von Partikeln im Sedimentgefüge. Daher stellt sich die Frage, ob die Kompaktion neben ihrer unumstritten tragenden Rolle beim Erhalt der Sedimentationsremanenz auch aktiv die magnetische Einregelung von magnetischen Teilchen einleiten kann und damit direkt zum Remanenzerwerb beiträgt. Ein solcher Prozess wäre mit einer viskoplastischen Überprägung der oberflächennah gebilde- Abbildung 1: Zeitlicher Verlauf der Kompression (grau hinterlegt) und Feldlagerung. Dargestellt ist die Änderung der Vertikalkomponente des magnetischen Moments des Komprimierten Kerns, der exponentiell angenäherte, viskos remanente Anteil eines feldgelagerten Kerns (VRM*) und die Differenz dieser Anteile als pDRM(Kompaktion*). Zu jeder Kompressionsphase ist die mittlere Deformationsrate Δ h/Δ t angegeben. ten Sedimentationsremanenz verbunden und daher für die magnetostratigraphische Interpretation von erheblicher Bedeutung - insbesondere für längere Zeitreihen der „relativen Paläointensität“. Frühere Laboruntersuchungen zu Kompaktionseffekten waren als Resedimentationsversuche ausgelegt und konnten weder das natürliche Gefüge noch die langsame Entwässerung angemessen simulieren. Daher wurde hier erstmals der Versuch gemacht, pelagische Oberflächensedimente mit intakter Mikrostruktur in einem Laborexperiment unter kontrollierten Feldbedingungen kontinuierlich zu komprimieren und diesen Vorgang mit Messungen der magnetischen Remanenz lückenlos zu verfolgen. Als Probenmaterial dienten Nannofossil- Abbildung 2: Zunahme der Vertikalkomponente der Magnetisierung (Richtung des Laborfelds) mit abnehmender Porosität im Zuge der Sedimentkompaktion. Betrachtet wurden vier Tiefenintervalle. 354 Abstracts schlämme des subtropischen und subantarktischen Südatlantiks. Aus Kastengreiferkernen wurden jeweils zehn identische, 40 cm lange und 2.1 cm starke Unterkerne gewonnen. Diese wurden mit einer Gleitfolie zwischen Sedimentsäule und Probenrohr sowie mit einer zentrisch eingebrachten Drainage zur radialen Entwässerung versehen. Das Kompaktionsexperiment wurde in einem Helmholz-Spulenkäfig in einem Vertikalfeld von 5 Oe durchgeführt. Mittels eines hoch untersetzten Elektromotors wurde ein unmagnetischer Druckstempel mit integrierter Weg- und Druckmessung betätigt, der über mehrere Wochen hinweg bei konstanter Deformationsrate das natürliche Sediment im künstlichen Magnetfeld vertikal verdichtete. In regelmäßigen Abständen von Tagen wurde der Sedimentkern aus der Vorrichtung ausgebaut und in einem Ganzkern-Kryogenmagnetometer gemessen. An Markierungen auf der Gleitfolie konnte die Sedimentdeformation tiefenabhängig verfolgt werden. Dabei beobachtet man einen Remanenzzuwachs in Richtung des angelegten Laborfelds, der mit zunehmender Sedimenttiefe sogar an Effektivität zunimmt und sich somit nicht direkt an der Anfangsporosität des Sediments orientiert. Dieses überraschende Ergebnis deckt sich mit früheren Experimenten und lässt sich über diskontinuierliche, lokale Schwächezonen erklären, an denen das geomagnetische Drehmoment ausreicht, um magnetische Partikel im äußeren Magnetfeld auszurichten. Unter statischen Versuchsbedingungen ist ein derartiges Verhalten lediglich nahe der Sediment-Wassergrenze möglich und wird mit zunehmender Sedimenttiefe aufgrund hoher Scherspannungen unterbunden. Die Dynamik der Kompaktion aktiviert somit einen Remanenzerwerb aufgrund plastischer Deformationen im bereits verdichteten Sediment. Neben der Aktivierung führt die Kompaktion im magnetischen Nullfeld zu einer Abnahme der Remanenz, führt also ohne und somit auch bei unterdrücktem magnetischen Drehmoment zu einem Remanenzverlust aufgrund zufällig orientierter mechanischer Umorientierungen. Erdmagnetismus 355 MAP07 Witt, A., Fabian, K., Bleil, U. (Universität Bremen) Mikromagnetische Bestimmung der kritischen Einbereichsgrößen natürlicher Magnetite: Oktaeder und Magnetosomen E-Mail: [email protected] Ein neues dreidimensionales Modellrechnungsprogramm ermöglicht die konsistente Berechnung beliebig geformter konvexer magnetischer Partikel. Es beruht auf einer durch FFT beschleunigten Berechnung der magnetischen Streufeldenergie und einem neuen Verfahren zur Berücksichtigung der mikromagnetischen Randbedingungen für geneigte Grenzflächen. In einem ersten Schritt wird zunächst die unregelmäßige Teilchenform in ein optimales rechtwinkliges Gittereingepasst. Jede Gitterzelle wird entsprechend ihres Schnittvolumens mit dem magnetischen Partikel individuell gewichtet. Die eigentliche mikromagnetische Optimierung wird in einem unabhängigen zweiten Schritt auf diesem Gitter durchgeführt. Ideomorphe Magnetitkristalle sind oktaedrisch. Hier werden die für diese Kristallgeometrie charakteristischen Magnetisierungsstrukturen im Übergang von Einbereichsteilchen zu inhomogenen Strukturen vorgestellt. Die kritischen Einbereichsgrößen und magnetischen Energiedichten können als Funktion der magnetischen Materialkonstanten berechnet und in einem Phasendiagramm zusammengefasst werden. Der Einfluß von Temperaturänderungen oder chemischer Alteration auf die Stabilität von Einbereichsteilchen lässt sich in diesem Diagramm übersichtlich ablesen. Auf ähnliche Weise wird für eine in magnetotaktischen Bakterien häufig auftretende Magnetosomenform die Stabilität des Einbereichszustandes als Funktion des Seitenverhältnisses analysiert. Es stellt sich heraus, dass zwei unterschiedliche Effekte zu einer deutlichen Stabilisierung des Einbereichszustandes in diesen Biomineralen führen: (1) In Magnetosomen ist die stabile (111)-Achse der magnetokristallinen Energie parallel zur langen Teilchenseite, wodurch magnetokristalline und Entmagnetisierungsenergie im gleichen Sinne stabilisierend wirken; (2) Abbildung 2: Kristallographische Darstellung Die gebrochenen Kanten der hexagonalen Säulenkristalle wirken als Abrundung. Daeines Magnetosoms. 356 Abstracts Abbildung 1: Mikromagnetische Gesamtenergiedichte als Funktion der Korngröße für oktaedrische Teilchen. Dargestellt ist der Einbereichsgrenzübergang für Oktaeder und zum Vergleich die kritische Einbereichsgröße für würfelförmige Teilchen. durch wird eine starke Auswärtsbiegung experimentelle Befunde zu Magnetosomender Kantenmagnetisierungen verhindert. Bei größen. rechtwinkligen Teilchen entstehen durch diese Auswärtsbiegung sogenannte FlowerZustände, die, als Keime entgegengesetzter magnetischer Domänen, den Einbereichszustand destabilisieren. In perfekten Ellipsoiden ist dieser Keimbildungsmechanismus unmöglich (Brownsches Paradoxon). Auch bei den hier untersuchten Magnetosomen wird durch die Kantenabrundung die Keimbildung umgekehrter Magnetisierungen deutlich erschwert und findet daher erst bei größeren Teilchenvolumina statt. Die größere Stabilität des Einbereichszustandes erhöht die Effektivität der Magnetosomen als magnetische Orientierungshilfe für die magnetotaktischen Bakterien. Die hier vorgestellten Ergebnisse erklären frühere MG Marine Geophysik 358 Abstracts MG01 – Do.,11.3.,09:30-09:50 Uhr · H0110 Hansen, M. B., Huebscher, C. (Institute of Geophysics, University of Hamburg), LykkeAndersen, H. (Department of Earth Sciences, University of Aarhus), Dehghani, A. (Institute of Geophysics, University of Hamburg), Reicherter, K. (Institute of Geophysics and Geology, University of Leipzig), Gajewski, D. (Institute of Geophysics, University of Hamburg) Neotectonics in the western Baltic Sea (BaltSeis/NeoBaltic) E-Mail: [email protected] Overview This joined Danish German research project aims to investigate and describe the post-Permian to recent structural evolution of the northern part of the North German Basin (NGB) and the transitional zone between it and the Baltic Shield in the western Baltic Sea, with a special emphasis on recent tectonic movement along structural zones of weakness (neotectonic). Marine high-resolution reflection seismic data (HRS) and potential field data (gravity and magnetic) are being used for this investigation. Until recent six research surveys have been completed in the region, with the most recent survey in the summer of 2003. The University of Aarhus, Denmark undertook the first three surveys in the Danish territorial waters of the western Baltic Sea in the years between 1998 and 2000. During these expeditions, more 3000 km of 2D HRS data were collected. In the years from 2001 and until recent the University of Hamburg extended the data pool to include data from the German territorial waters of the western Baltic. During these cruises, 2D HRS data were gathered as well as gravity and magnetic data along the ship track. Thus, in total, a dataset comprising more than 6000 km of HRS data, 4000 km of gravity data and 3000 km magnetic data have been compiled (Fig. 1). tion has mainly focused on the post-Permian structural evolution of the northernmost part of the NGB along the southern flank of the Ringkoebing-Fyn High (RFH). Based on the preliminary interpretation the overall geological evolution of the NGB can be subdivided into four distinct time periods: Triassic - Early Jurassic: After the deposition of the Upper Permian Zechstein evaporites, the deposition of clastic sediments continued throughout the Triassic and during the Early Jurassic (Ziegler, 1990). The deposition of this sequence also initiated the movement of the Zechstein evaporites inthe region. Middle Jurassic - Early Cretaceous: The deposition ceased in the study region during the Middle Jurassic, when the entire area was uplifted by the Mid North Sea Doming (Underhill, 1998). The uplift was followed by a pronounced erosion of Upper Triassic and Lower Jurassic strata. This event is marked by a clear unconformity on the seismic sections. The region remained an area of non-deposition until the end of the Early Cretaceous. Only a little salt movement has been detected in the study region during this period of time. Early Cretaceous - Late Cretaceous: The deposition of sediments resumed with the Albian transgression in the late part of the Early Cretaceous. The sedimentation continued throughout the Late Cretaceous, with the deposition of the Upper Cretaceous Chalks. Results The interpretation process has been The sequence shows no thickness variations running along with the data acquisition and across salt structures in the region, indicating processing. Until now, detailed interpreta- Marine Geophysik 359 Figure 1: Fig. 1. Basemap showing the position of all the seismic sections in the data pool along with the major structural elements and lineaments of the study region. no, or only very little, slat movement during this period. Cenozoic: Towards the end of the Late Cretaceous, the Alpine Collision caused induced the reactivation of salt structures in the study area. The reactivation is seen by the thinning of the Cenozoic sequence above the different structures. In the Bay of Kiel, this reactivation caused the development of a graben structure in the sediments above the evaporites. Outlook When the final data processing has been completed, the detailed interpretation of the post-Permian to recent structural evolution of the entire western Baltic Sea will follow. The project furthermore aims to determine wither any tectonic movements are taking place in the region at the present day. During the talk, some of the first results of the geological interpretation will be presented. References Underhill, J. A. (1998). Jurassic. In: K. W. Glennie (eds): Petroleum Geology of the North Sea, 4th edn. Blackwell, Ox- ford, 636 pp. Ziegler, P. A. (1990). Geological Atlas of Western and Central Europe. Shell Internationale Petroleum Maatschapij BV, 239 pp. Web page: http://www.geophysics.dkrz.de 360 Abstracts MG02 – Do.,11.3.,09:50-10:10 Uhr · H0110 Müller, C. (Kiel, CAU-Kiel) Very High Resolution 2.5-D Seismics in the Baltic Sea Revisited: Enhancing Interpretation by Prestack Migration E-Mail: [email protected] VHR 3-D seismic acquisition is lately gaining popularity in the geophysical community. This in part is due to the increasing capability of computers to handle large datasets for processing and migration, but also due to the broad and affordable availability of high precision differential GPS. Most applications are in the field of engeneering and archaeological geophysics where the threedimensional imaging of small scale structures is of great interesst and the possibilities offered by the method are highly attractive (Missiaen et al., 2002; Scheidhauer et al., 2001). As part of the DFG project ”Scattering and Reflection of Seismic Waves in Shallow Waters” (1997-1999) hosted at Kiel University several marine surveys were carried out in Kiel Bay on ”FS-Alkor”, ”FK-Littorina”and ”FB-Polarfuchs” research vessels. The project was aimed towards the development of a three-dimensional acquisition and interpretation technique for small scale subsurface structures using high-frequency sources and multi-channel seismics. Electrodynamic subbottom profilers (Boomers) proved to be repeatable enough for very high resolution (VHR) 3-D seismics. Acquisition was done with one boomer source and two unequal streamers (50m with 12 channels and 100 m with 48 channels) towed 15 m apart on outriggers to booth sides of the boat. The inter-profile distance was 20 m. Data were recorded with a shot rate between 1 Hz and 2 Hz. This corresponds to a shot to shot distance of 2-4 m, when accounting for the average vessel speed of 2 m/s. The sampling rate was 250 µs. So far only single channel data were used to generate the 3-D data cube and for subsequent interpretation (Müller et al. (2002)). The data set was recently revisited by the author and reprocessed: In general the biggest problem for low cost VHR 3-D applications is that a nominal geometry has to be assumed. Even if the Source is equiped with a GPS Antenna the position of the hydrophones usually is not known. Statistical methods have been proposed in the recent past to partly solve this geometry problem with impressive success (Wardell et al., 2002) but are not tested here. In this case study the hydrophone positions are refined by determining offsets from first arrival times and estimating the hydrophone positions under consideration of the ships track. The raw data quality of the shorter streamer is poor and migrated sections show significantly lower signal to noise ratio than images obtained from the longer streamer. In part this can be explained by the lower number of channels in the streamer. Still these sections serve as support for interpretation. Differences in signal shape were addressed by transforming amplitude to perigram traces (Bittner and Rabbel, 1991). Marine Geophysik The migrated data in general show rich structural detail, proving that the survey area is a suitable test ground for VHR 3-D application development. Moreover the weather conditions and shallow waters in the area often generate only little wave motion facilitating acquisition and positioning problems. Depth images still suffer from geometry uncertainties, but show an improved penetration depth of up to 100 m. A Pleistocene, glacial, fluvial channel system was revealed (26 m deep) situated below a flat mud-bed cover which locally constitutes the seafloor (19 m) (see figure). This till-horizon is underlain by a second till layer showing strong topographic variations in the seismic cube. The area is also characterized by a steeply dipping event intersecting the till horizons, possibly representing a sedimentary faultzone. Acknowledgements Founding of the initial project by the German Research Society (DFG) and the 361 grant of ship time by the Institute of Marine Research (IFM, Kiel University) is greatly acknowledged. References Bittner, R. & Rabbel, W., 1991. Energyand Power-Sections in seismic Interpretation. Continental Lithosphere: Deep Seismic Reflections, Geodynamics 22, 1991, 409-415. Missiaen, T., Murphy, S., Loncke, L. & Henriet, J.P., 2002. Very high-resolution seismic mapping of shallow gas in the Belgian coastal zone. Continental Shelf Research 22(16), 2291-2301. Müller, C., Milkereit, B., Bohlen, T. & Theilen, F. 2002. Towards high-resolution 3D marine seismic surveying using Boomer sources. Geophysical Prospecting, 50(5), 517-526. Wardell, N., Diviacco, P. & Sinceri, R. 2002. Pre-Processing techniques for marine Very High Resolution 3D (VHR3D) seismic data, First Break, Vol 20, Nr. 7, 2002, 457466. Scheidhauer M., Beres M., Dupuy D. & Marillier F. 2001. A High-Resolution 2D/3D Seismic Study of a Thrust Fault Zone in Lake Geneva, Switzerland. 63rd EAGE Conference, Amsterdam, The Netherlands, Extended Abstracts P130. Figure 1: 3-D Interpretation of the seismic horizons as observed in the migrated data cube. The flat seafloor is rendered transparently and is underlain by the obserevd fluvial channel system. Interpretation of the deeper, second till horizon was facilitated by the use of multichannel data. Web page: kiel.de http://www.geophysik.uni- 362 Abstracts MG03 – Do.,11.3.,10:10-10:30 Uhr · H0110 Krastel, S., Antobreh, A.A., Hanebuth, T., Henrich, R., Schulz, H.-D. (DFG Forschungszentrum Ozeanränder, Universität Bremen), Wynn, R.B. (Southampton Oceanography Centre) Sedimenttransport in Hochproduktionsgebieten: Afrikanischen Kontinentalhang E-Mail: [email protected] Der Kontinentalhang vor Nordwest Afrika ist durch komplexe Systeme küstenparalleler und hangabwärts gerichteter Sedimentationsprozesse geprägt. Insbesondere südlich von 26°N kommt es durch küstennahen Auftrieb zur erhöhten Akkumulation von Sedimenten und daraus resultierenden, intensiven Sedimentbewegungen. Im April/Mai 2003 wurden während der Meteor-Ausfahrt M58/1 des DFG-Forschungszentrums Ozeanränder (Universität Bremen) seismische und hydroakustische Messungen sowie geologische Beprobungen am mauretanischen Kontinentalhang durchgeführt, um die Sedimenttransportprozesse in diesem Gebiet zu untersuchen. Die Messungen konzentrierten sich auf 3 Gebiete: vor Cap Blanc, vor Cap Timiris und im Gebiet des Mauritania Slide Complex. Ein Fallbeispiel vom NW- 3000 m kartiert. Der obere Teil des CanyonSystems besteht aus mehreren Armen, die bis zur Schelfkante reichen. Die einzelnen 100150 m tiefen Arme vereinigen sich in ca. 2000 m Wassertiefe zu einem einzelnen Canyon, der stark mäandriert, Alt-Arme besitzt und bis zu 275 m tief ist. Wir vermuten, dass die Gesamtlänge des Canyons >400 km ist. Sedimentkerne im Canyon enthalten zahlreiche junge Turbidit-Ablagerungen, die aktiven Sedimenttransport durch den Canyon in die Tiefsee Das Gebiet vor Cap Blanc ist durch geringe Hangneigungen charakterisiert. Parasound Profile zeigen, dass dieser Hang zur Zeit stabil ist. Große Rutschmassen können jedoch auf den seismischen Profilen ab ca. 200 ms Zweiweglaufzeit unterhalb des Meeresbodens identifiziert werden. Auch wenn der Hang vor Cap Blanc zur Zeit stabil ist, hat es in diesem Gebiet Zeiten intensiver Sedimentumlagerungen gegeben. Eine der Überraschungen der Ausfahrt M58/1 war die Entdeckung eines großen Canyon-Systems vor Cap Timiris. Dieses Canyon-System wurde mittels Hydrosweep auf einer Gesamtlänge von 215 km von der Schelfkante bis in eine Wassertiefe von Abbildung 1: Fahrtroute der Meteor-Ausfahrt M58/1. Der mauretanische Kontinentalhang ist durch unterschiedlichen Arten des Sedimenttransports charakterisiert. Marine Geophysik implizieren. Dieser Teil des Kontinentalhanges ist durch rezenten kanalisierten Sedimenttransport charakterisiert. Der Mauritania-Slide-Complex befindet sich zwischen 17° und 18.5° N. Die Fläche beträgt ca. 34.000 km2, das Gesamtvolumen ist 400 km3. Parasound-Profile zeigen mehrere 50-100 m hohe Abrisskanten in Wassertiefen zwischen 800 m und 1200 m. Oberhalb des jüngsten Schuttstroms sind <50 cm Sedimente abgelagert worden, was auf ein Alter von 10.000 Jahren hindeutet. Seismische Profile zeigen, dass zahlreiche Rutschkörper übereinander abgelagert sind. Der Kontinentalhang zwischen 17° und 18.5° N ist schon seit langem durch großskaligen flächigen Sedimenttransport charakterisiert. 363 364 Abstracts MG04 – Do.,11.3.,10:30-10:50 Uhr · H0110 Scheuer, C., Gohl, K. (AWI-Bremerhaven) Sedimentationsprozesse entlang des Kontinentalrands der westlichen Bellingshausensee in der Westantarktis E-Mail: [email protected] Seit Beginn der westantarktischen Vereisung im Känozoikum haben die Wechsel von glazialen und interglazialen Perioden den Sedimenteintrag vom kontinentalen Schelf bis in die Tiefsee beeinflusst. Entlang des Kontinentalhanges und -fußes der Westantarktis wurden Sedimente abgelagert, deren Entwicklung maßgeblich von Massentransportprozessen durch mächtige Schelfeispakete beeinflusst war. Deshalb spiegeln sowohl die Sedimentstratigraphie als auch die Meeresbodentopographie die Dynamik des westantarktischen Schelfeisschildes und die damit verbundenen Erosions-, Transport-, und Ablagerungsprozesse wieder. chen Bellingshausensee aufgenommen wurden. Das hangparallele Profil AWI-20010001 verbindet dabei vorherige Profile aus der östlichen Bellingshausensee und der östlichen Amundsensee zu einem über ca. 2000 km langen Profil, das sich entlang des gesamten Kontinentalfußes der Bellingshausensee erstreckt (Abb. 1). Die Profile AWI-94003 und AWI94030 verlaufen senkrecht zum Kontinentalhang und ermöglichen eine Korrelation zwischen den Sedimentablagerungen am Kontinentalfuß und denen auf dem Schelf. Die Ergebnisse der Untersuchungen tragen zu einem besseren Verständnis und einem regionalen Vergleich der klimagesteuerten SedimenWir präsentieren Ergebnisse reflektionsseis- tationsprozesse entlang des westantarktischen mischer Mehrkanal-Daten, die am bisher we- Kontinentalrandes bei. Wir konnten anhand der seismischen Pronig untersuchten Kontinentalrand der westlifile drei stratigraphische Einheiten definieren, die wir als Unit 1, Unit 2 und Unit 3 bezeichnen (Abb. 2). Die unterste Einheit Unit 3 ist überwiegend hemipelagisch und pre-glazialen Ursprungs, mit einer Sedimentationsrate von ca. 17 m/mio.J. Die mittlere Einheit Unit 2 besteht zu einem hohen Anteil aus glazial trans- Abbildung 1: Übersicht der reflexionsseismischen Profile in der westlichen Bellingshausensee, Westantarktis (incl. Profile vom BAS, Abbildung 2: Segment des Profils AWIOGS und Vernadzky Institut) 20010001 Marine Geophysik portiertem Sedimentmaterial, welches durch das Schelfeis über die Schelfkante transportiert wurde. Die Sedimentationsrate betrug ca. 55 m/mio.J. Die oberste Einheit Unit 1 wurde ebenfalls durch überwiegend terrigenes und glaziales Sedimentmaterial gebildet. Die Grenze zu Unit 2 bildet die Basis eines am Kontinentalhang identifizierten Sedimentkeils, der aus stark progradierenden Schelfsequenzen besteht. Die Sedimentationsrate war mit über 300 m/mio.J. sehr hoch, was für einen starken glazialen Sedimenttransport und folglich für eine starke Schelfeisbildung spricht. Durch Korrelierung mit ODP-Bohrungen und mit den Profilen, die entlang der Antarktischen Halbinsel aufgenommen wurden, konnte das Einsetzen des glazialen Sedimenteintrags (Basis von Einheit Unit 2) auf das mittlere bis späte Miozän vor rund 9,6 Millionen Jahren datiert werden. 365 366 Abstracts MG05 – Do.,11.3.,11:10-11:30 Uhr · H0110 Franke, D., Hinz, K., Reichert, C. (BGR Hannover) Seismic images from the shelf of the East Siberian Sea/Siberian Arctic E-Mail: [email protected] The area under discussion (Fig. 1) comprises a relative large part of the broad shelf of the East Siberian Sea located between the New Siberian and the De Long Islands to the west and Wrangel Island to the east. The Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) in cooperation with Sevmorneftegeofizika (SMNG) carried out a seismic survey on the shelf of the East Siberian Sea between latitudes 147° and 165°E in 1994 (cruise BGR94), using the research vessel MV Akademik Nemchinov. The scientific objective was to reveal the structural style of that virtually unexplored East Siberian Shelf. Although adverse ice conditions often hampered the survey, about 2609 km of MCS data have been acquired on the East Siberian Shelf south of latitude 76°N. In addition, an about 496 km long seismic line was surveyed in 1994 along the Sannikov Strait that separates the New Siberian Islands in the north from the Lyakhov Islands in the south. This line provides a tie between our East Siberian data and our data set on the Laptev Shelf (Fig. 1; see also Franke et al., 2001). The multichannel reflection seismic data from the shelf of the East Siberian Sea document a prominent difference in the structural evolution of the East Siberian Shelf and the Laptev Shelf adjacent to the west. The surveyed part of the East Siberian Sea definitely does not show large Upper Cretaceous or Tertiary rift basins with the tectonic style of the Ust Lena Rift and the Anisin Basin on the adjacent Laptev Sea shelf. Moreover, no indication for the Blagoveshchensk Basin, in its postulated form to stretch several hundred kilometers from south of Novaya Sibir Island onto the East Siberian Shelf, could be found, nor any indication for the so-called Anzhu Ridge postulated Figure 1: Location of the reflection seismic lines in the East Siberian Sea with the altime- Figure 2: Line drawing interpretation of MCS ter derived gravity field (Laxon and McAdoo, line BGR94-12 (top) and example seismic section (bottom). 1994) Marine Geophysik to form its southern boundary. Considering the general ESE-WNW strike of the axis of the sag basins discovered on our lines (cf. Fig. 2) this orientation can hardly be reconciled with the opening and subsequent seafloor spreading in the Makarov Basin: seafloor spreading along an inferred N-S trending spreading axis would result in EW extension on the adjacent continental shelf as it is the case in the Laptev Sea, where the mid-oceanic Gakkel Ridge of the Eurasia Basin interacts with the Laptev continental shelf (Franke et al., 2001). Seafloor spreading along a possibly EW striking spreading ridge in the Makarov Basin would create some minor compression on the adjacent continental shelf instead of extension. In our opinion the MCS data north of the De Long Uplift (Sekretov, 2001) bear only rare indications for faults related to extensional processes or rift basins that formed in parallel with the development of the Makarov Basin. Our seismic data and our interpretation for the surveyed part of the East Siberian Sea shelf imply a relative stable epicontinental platform, composed of a complex suite of mainly Paleozoic and Mesozoic rocks. Since Upper Cretaceous time gradual subsidence commenced with increasing rates toward the north, comparable to a tilted platform. The discovered sag basins are thought to result from a deep-seated process in the kind of flexural cantilever model (Kuznir et al., 1987) or of depth depending stretching (Roberts et al., 1997), i.e. upper crustal extension is significantly smaller than whole crust and or whole lithospheric extension, affecting the pre-Cenozoic crust of the East Siberian Sea shelf during the Neogene. The extensional forces might be caused by the spreading process in the Eurasia Basin resulting in strike-slip or transform faults and thus in the formation of some sort of pull-apart basins on the shelf of the East Siberian Sea, and or, 367 in a more global scale, to interactions of the Eurasia plate with the North America and Pacific plates. References: Franke, D., K. Hinz, and O. Oncken, The Laptev Sea Rift, Marine and Petroleum Geology 18(10), 1083-1127, 2001. Kusznir, N.J., G.D. Karner, and S. Egan, Geometric, thermal and isostatic consequences of detachments in continental lithosphere extension and basin formation in: Sedimentary Basins and Basin Forming Mechanisms, edited by C. Beaumont, and A.J. Tankard, Mem. Can. Soc. Petrol. Geol. 12, 185-203, 1987. Roberts, A.M., E.R. Lundin, and N.J. Kusznir, Subsidence of the Voring Basin and the influence of the Atlantic continental margin. Symposium on Geological Processes at Passive Margins London 1996, J. Geol. Soc. London 154, ISSN 0016-7649, pp. 551-557, 1997. Sekretov, S.B., Northwestern margin of the East Siberian Sea, Russian Arctic: seismic stratigraphy, structure of the sedimentary cover and some remarks on the tectonic history, Tectonophysics, 339, 353-383, 2001. 368 Abstracts MG06 – Do.,11.3.,11:30-11:50 Uhr · H0110 Jokat, W., Schmidt-Aursch, M.C. (AWI Bremerhaven) Gakkel Rücken I - Refraktionsseismische Untersuchungen im Rifttal E-Mail: [email protected] In den letzten Dekaden wurden weltweit verschiedene Segmente des globalen mittelozeanischen Rückensystems mit Hilfe von unterschiedlichsten Methoden untersucht. Beprobt wurden unterschiedliche Rückensegmente um Variationen in der Petrologie und dem Krustenaufbau in Abhängigkeit von der Spreizungsrate zu erfassen. Die Krustenmächtigkeit im Rifttal der Rücken scheint eine Funktion der Spreizungsgeschwindigkeit zu sein. Bei Spreizungsraten über 2 cm/Jahr zeigen alle Messungen einen mehr oder weniger konstanten Wert von 7 km für die Krustenmächtigkeit. Bei Raten unterhalb von 2 cm/Jahr nimmt die Dicke sehr schnell ab. Durch die geringeren Spreizungsgeschwindigkeiten wird weniger Magma gefördert, und damit bildet sich nur eine dünne Kruste unterhalb des Spreizungszentrums. Dies wurde zwar bereits vor mehr als 20 Jahren aufgrund von refraktionsseismischen Messungen in der Arktis beschrieben, das Modell konnte sich aber nicht durchsetzen. Ursache hierfür waren die geringe Anzahl von geophysikalischen Experimenten an langsam spreizenden Rücken. Neuere Experimente entlang des Mohns und Südwest-Indischen Rückens fanden ebenfalls dünne ozeanische Kruste (3–4 km), allerdings war der Einfluß von Transform Störungen auf die gemessene Krustenmächtigkeit in den untersuchten Segmenten unbekannt. Zur Überprüfung der diversen Modelle wird ein sehr langsam spreizendes Rückensystem benötigt, dessen Rifttal nicht durch Transform/Fracture Zonen versetzt war. Diese Randbedingungen erfüllt weltweit nur der Gakkel Rücken in der zentralen Arktis. Im Jahr 2001 wurde ein etwa 1000 km langes Segment dieses Rückensystems durch eine internationale Zwei-Schiff-Expedition (USCGC Healy, FS Polarstern) petrologisch und geophysikalisch untersucht. Die entsprechenden seismischen Modelle zeigen Variationen in der Dicke der ozeanischen Kruste zwischen 1000 und 4000 m an. Aufgrund der dünnen Kruste, verglichen mit einer Wassertiefe von bis 5000 m, konnten die Geschwindigkeiten für die ersten 1000 m teilweise nur schlecht bestimmt werden. Erstaunlicherweise zeigt die Variation der Krustendicke im Rifttal keine Korrelation mit der Spreizungsgeschwindigkeit. Obwohl diese Richtung Osten abnimmt, nimmt die Dicke der ozeanischen Kruste deutlich um etwa 50% zu. Die Kruste ist stets besonders dünn, wenn Peridotite gedredgt worden sind. Dies deutet darauf hin, dass dieses Mantelgestein nicht durch tektonische Bewegungen bis zum Meeresboden gelangt ist, sondern dass in diesen Regionen keine normale ozeanische Kruste existiert. Vielmehr spricht einiges dafür, dass in diesem Fall alterierte Mantelgesteine die Kruste bilden. Die Kombination der refraktionsseismischen Ergebnisse mit detaillierter Helikoptermagnetik erlaubt einen ersten Blick in die generelle Struktur dieses Spreizungssystems. Entlang des Zentraltals gibt es etwa in einem Abstand von 100 km langlebige lineare Eruptionszentren. Sie verlaufen senkrecht zur Rückenachse. Marine Geophysik 369 Abbildung 1: Bathymetrische Übersichtskarte des westlichen Gakkel-Rückens. Markante Basement Rücken (A–F) sind mit unterbrochenen Linien markiert. Die refraktionsseismischen Stationen und Profile sind durch weiße Dreiecke und Linien dargestellt. 370 Abstracts MG07 – Do.,11.3.,11:50-12:10 Uhr · H0110 Schmidt-Aursch, M.C., Jokat, W. (AWI Bremerhaven) Gakkel Rücken II - Dreidimensionale Schweremodellierungen E-Mail: [email protected] Der mittelozeanische Gakkel Rücken erstreckt sich über 1800 km durch den arktischen Ozean. Mit Spreizungsraten zwischen 13 mm/Jahr nordöstlich von Grönland und 6 mm/Jahr in der Nähe seines Endes in der Laptev See ist er nicht nur der nördlichste Teil des mittelatlantischen Rückensystems, sondern auch der weltweit am langsamsten spreizende Rücken. Damit kann er einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Schmelzerzeugungsprozessen im oberen Mantel und Krustenbildung an sehr langsam spreizenden Rücken liefern. Die beiden Forschungseisbrecher FS Polarstern und USCGC Healy untersuchten während der internationalen AMORE Expedition im Sommer 2001 den westlichen Teil des Gakkel Rückens. Neben einer detaillierten petrologischen Beprobung des Meeresbodens wurden zahlreiche geophysikalische Experimente durchgeführt, darunter auch refraktionsseismische Messungen entlang des Zentraltales und Wärmeflußmessungen. Erste Analysen der Gesteinsproben und die Vorwärtsmodellierung der seismischen Daten führten zu einer Aufteilung des Rückens in drei Bereiche mit unterschiedlichen Charakteristiken. Die westliche vulkanische Provinz (westlich von 3° E) wird durch Magmatismus in Form von axialen Vulkanzentren und zahlreichen kleineren Vulkankegeln geprägt. Hier wurden fast ausschließlich Basalte gefunden und die Krustenmächtigkeit nimmt die höchsten Werte an. Östlich davon dominieren Peridotite den Meeresboden und es finden sich keine Anzeichen von extrusivem Magmatismus. In dieser Region wurden auch die geringsten Krustenmächtigkeiten modelliert. Erst ab 13° E treten wieder vulkanische Zentren auf, die senkrecht zur Rückenachse ausgeprägte Basement Rücken bilden. Hier wurden auch wieder verstärkt Basalte geborgen und zunehmende Krustenmächtigkeiten beobachtet. Die Ergebnisse der refraktionsseismischen Messungen liefern wichtige Randbedingungen für die dreidimensionale Schweremodellierung. Basis der 3D Modellierungen ist der Schweredatensatz des Arctic Gravity Project (AGP) mit einer Auflösung von 5 Minuten, sowie auf Polarstern neu gewonnene Daten. Die aus den seismischen Daten gewonnen Krustenmächtigkeiten im Zentraltal konnten mit der Schweremodellierung auf Abschnitte des Tales ohne seismische Profile und die Rückenflanken ausgedehnt werden. Da die thermische Struktur des Mantels, und somit seine Dichteverteilung, noch nicht ausreichend bekannt ist, wurden Modelle mit unterschiedlichen Manteldichten erstellt, die sich aber in der Krustenmächtigkeit nur wenig unterscheiden. Über den gesamten Rücken zeigt die Krustenmächtigkeit große Variationen. Während entlang des Zentraltales die Kruste zwischen 1 und 4 km dick ist, finden sich senkrecht zum Rücken weit größere Unterschiede. In den Becken zwischen den Basement Rücken ist die Mächtigkeit stellenweise fast null, wohingegen im Bereich der vulkanischen Zentren eine mehr als 6 km dicke Kruste modelliert wurde. Dabei zeigten sich teilweise große Asymmetrien zwischen den Rückenflanken. Marine Geophysik 371 Abbildung 1: Bathymetrische Übersichtskarte des westlichen Gakkel-Rückens. Markante Basement Rücken (A–F) sind mit unterbrochenen Linien markiert. Die Regionen der 3D Schweremodellierung werden durch weiße Quadrate umrandet. 372 Abstracts MG08 – Do.,11.3.,12:10-12:30 Uhr · H0110 Grobys, J., Gohl, K., Uenzelmann-Neben, G. (Bremerhaven, AWI), Davy, B. (Wellington, GNS) Analyse von seismischen Daten vom Bounty Trog (Neuseeland): Ein erstes Modell E-Mail: [email protected] Einführung in das Untersuchungsgebiet Das Campbell-Plateau ist der submarine Hauptbestandteil des neuseeländischen Mikrokontinents. Die relative Paläo-Position des größten ozeanischen Plateaus überwiegend kontinentalen Ursprungs läßt sich innerhalb des Gondwana-Gefüges sehr gut rekonstruieren. Vor dem Gondwana-Aufbruch lag Neuseeland an der proto-pazifischen Plattengrenze Gondwanas. Das Campbell-Plateau und der Chatham Rise waren verbunden mit dem Marie-Byrd-Land der Westantarktis. Der Bounty Trog trennt Campbell Plateau und Chatham Rise voneinander und besitzt vermutlich eine Verlängerung bis in das Great South Basin hinein. Allerdings sind die Krustenstruktur und die magmatisch-tektonische Entwicklung dieser Region weitgehend unbekannt, obwohl sie eine Schlüsselfunktion in der Entwicklung dieser Plattengrenze Gondwanas von einer konvergenten Grenze zu einem kontinentalen Rifting besitzen. Der Bounty Trog liegt parallel zur früheren Gondwana-Subduktionszone, die an der Nordseite des Chatham-Rise verlief. Es ist bisher unbekannt, ob das kreidezeitliche Rift aus einem bereits bestehenden Back-ArcBecken, einem Proto-Bounty Trog, entstanden ist. Eventuell war der Trog ein nicht voll ausgebildetes Riftsystem der frühen SüdpazifikÖffnung, obwohl weder Ort noch Art des Ozean-Kontinent-Übergangs bekannt ist. Der Bounty Trog wird im Osten begrenzt von mindestens 83 Mio. Jahre alter ozeanischer Kruste (C34) und zeigt wenig Zeichen einer späteren Deformation, so daß angenommen werden kann, daß seine Entwicklung seit 83 Mio. Jahren abgeschlossen war. Experiment und Datenqualität Zur Untersuchung der Entwicklung eines solchen ozeanischen Plateaus kontinentalen Ursprungs wurde im Jahr 2003 ein Experiment mit dem Forschungsschiff F/S SONNE auf dem Bounty Trog und dem Campbell Plateau durchgeführt. Dabei wurden sowohl reflexions- als auch refraktionsseismische (mit insgesamt 45 OzeanbodenseismometerStationen (OBS) auf zwei Profilen) Profildaten gesammelt. Der kombinierte Datensatz vom Bounty Trog mit einem OBS-Abstand von ca. 17 km zeigt eine durchweg mittlere bis hohe Datenqualität. Zusätzlich wurde eine Vielzahl von Schwere- und Magnetfelddaten gesammelt. Datenbearbeitung Abbildung 1: Satellitengravimetrische Kar- Zur weiteren Verbesserung der Datenquate mit eingezeichneten Profilen und OBS- lität wurden die OBS-Daten Bandpaß-(2Stationen 30 Hz)-gefiltert, dekonvolviert und teilwei- Marine Geophysik 373 Abbildung 2: OBS-Datenbeispiel des Profils AWI-20030002, Station 14. Eingezeichnet sind einige P-Wellen Phasen wie refraktierte Phasen durch die Kruste (P1, Px) und den oberen Mantel (Pn) sowie Reflektionen von der Kruste-Mantel-Grenze se FK-gefiltert. Mit Hilfe einer LaufzeitTomographie konnte ein erstes Startmodell für weitere Raytracing-basierten Modellierungen erstellt werden. Dabei konnten alle 20 Stationen in die Inversion eingebunden werden. Die reflexionsseismischen Daten wurden standardmäßig CMP-prozessiert und zeitmigriert. Beobachtungen und Ausblick Die Reflektionsseismik zeigt ca. 1200 ms TWT dicke geschichtete Sedimente, in die sich eine tiefe Abflußrinne, über die bis heute Material vom Kontinent und dem Schelf in die Tiefsee gelangt, eingeschnitten hat. Dieser „Bounty Channel “zeichnet sich bis in das Basement ab. Das Basement ist im Allgemeinen sehr gut zu erkennen, an wenigen Stellen vor allem in der OBS-Inversion. Es sind in einigen Bereichen deutlich interne BasementReflektionen zu erkennen. Die Moho läßt sich allerdings in den Steilwinkel-Daten nicht erkennen. Das erste Inversionsmodell der OBS-Daten deutet darauf hin, daß die Krustendicke im Bereich des Bounty Channels auf etwa 12 - 13 km verringert sein könnte, wobei 2 - 3 km auf Sedimente entfallen. Erste abgeschätzte Geschwindigkeiten liegen bei etwa 3 km/s für die Sedimente und ca. 5 km/s für das obere Base- ment bis etwa 7.5 km/s für die untere Kruste. Sollten sich diese Beobachtungen mit detaillierten Raytracing-Modellierungen bestätigen, könnten diese Ergebnisse auf extrem gedehnte Kruste oder sogar die Entwicklung von ozeanischer Kruste im Bounty Trog deuten. Die Ergebnisse dieser Untersuchung haben erhebliche Konsequenzen für den Aufbruch Neuseelands von der Westantarktis, weil vermutet wird, daß ein initiales Rifting entlang des Bounty Trogs und des Great South Basin existierte, bevor sich das Campbell Plateau von Marie-Byrd-Land trennte und den südlichen Pazifik erzeugte. 374 Abstracts MG09 – Do.,11.3.,15:00-15:20 Uhr · H0110 Wunderlich, J., Wendt, G. (Universität Rostock) Hochauflösende Sedimentortung und Schätzung von Sedimentparametern unter Nutzung nichtlinearer Sendeverfahren E-Mail: [email protected] Nichtlineare Sedimentecholote Gegenüber linear-akustischen Schallquellen weisen nichtlineare (parametrische) Quellen eine Reihe von Vorteilen auf. Bei parametrischen Sendeverfahren werden von einem Schallwandler gleichzeitig mindestens zwei Frequenzen mit hohen Schalldrücken abgestrahlt. Die infolge nichtlinearer Wechselwirkungen im Wasser entstehenden Schallwellen der Differenzfrequenzen sind besonders gut für die Objekt- und Sedimentortung geeignet. Es lassen sich kurze, stark gebündelte niederfrequente Schallimpulse mit kleinen Wandlerabmessungen erzeugen, mit denen große Eindringung und hohe Auflösung erreicht werden. Die Halbwertsbreite des Richtdiagramms parametrischer Wandler für die Differenzfrequenz entspricht der Halbwertsbreite bei den Primärfrequenzen. Sie ist im Gegensatz zu linearen Wandlern nur gering von der zur Sedimentortung genutzten Frequenz abhängig. Die absoluten Bandbreiten bei den Primär- und Sekundärfrequenzen sind nahezu gleich. Es können sehr kurze tieffrequente Sendesignale mit kleinen Schallwandlern stark gerichtet abgestrahlt werden. Die vertikale und laterale Auflösung ist durch die kurzen Pulsdauern und kleinen Öffnungswinkel sehr hoch. Die gegenüber linearer Sendung schmaleren Schallkeulen bei parametrischen Verfahren führen bei Beschallung rauher Böden zu einer kürzer dauernden Bodenoberflächenre- verberation. Dadurch können eng zusammen liegende Schichtgrenzen und Objekte, die sich nahe an Schichtgrenzen befinden, besser detektiert werden. Mit kleinen mobilen parametrischen Sedimentecholoten werden sowohl in sehr flachen Gewässern als auch in der Tiefsee hohe Auflösungen und Eindringungen im Sedimentkörper erreicht. Um die Vorteile parametrischer Sendung voll nutzen zu können, kann die Schallkeule elektronisch stabilisiert und geschwenkt werden. Der Sendewandler wird dazu als phasengesteuertes Array betrieben. Eine elektronische Heave-Kompensation ist insbesondere bei stärkerem Seegang oder Dünung sinnvoll. Probleme bei der Realisierung nichtlinearer Systeme bereiten die Erzeugung der hohen Primärschalldrücke und die hohe Signaldynamik der Empfangssignale. Der Pegel des Primärfrequenzsignals ist mehrere Größenordnungen höher als der des Differenzfrequenzsignals. Schätzung von Sedimentparametern Zur genauen Bestimmung der Dicke von Sedimentschichten müssen Schallgeschwindigkeiten bekannt sein. Es ist üblich, sie an Bohrkernen zu messen. Dieses Verfahren ist jedoch aufwändig und fehlerträchtig. Die Ergebnisse stehen erst nach Loboruntersuchungen zur Verfügung und die Laufzeitkorrektur für die Echogramme kann erst im Post- Marine Geophysik Processing erfolgen. Mit parametrischer Sendung lassen sich unter Anwendung von Prinzipien der Refraktionsseismik die Schallgeschwindigkeiten in ausgewählten Sedimentschichten in-situ vom fahrenden Schiff aus schätzen. Dazu werden gleichzeitig Schallimpulse vertikal und schräge gerichtet gesendet. Näherungen für die Schallgeschwindigkeit werden aus den Laufzeiten der jeweiligen Schichtechos berechnet. Die Schallgeschwindigkeit ist auch ein wichtiger Parameter zur Sedimentklassifikation. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Dämpfungskoeffizient. Die Dämpfung von Kompressionswellen hängt hauptsächlich von der Frequenz und der Porosität des Sedimentes ab. Werden mehrere Frequenzen zur Sedimentortung genutzt, kann der Dämpfungskoeffizient aus dem Verhältnis der Echostärken geschätzt werden. Auch die Reflexionskoeffizienten und die Dichte der Sedimente sind aus den Messwerten zu schätzen. Als Schallquelle für die erforderlichen Mehrfrequenzsignale werden häufig ChirpSonare eingesetzt. Da der Öffnungswinkel sich dabei mit der Frequenz ändert, ist die Größe der beschallten Fläche nicht konstant. Änderungen im Empfangssignal hängen nicht nur von den Sedimenteigenschaften, sondern auch von der veränderten Richtwirkung ab. Nichtlineare Echolote sind für diesen Einsatzzweck besser geeignet, da hier der Öffnungswinkel für alle Differenzfrequenzen nahezu gleich ist und daher identische Bodenabschnitte beschallt werden. An der Universität Rostock wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsvorhabens („Adaptive seismoakustische Systeme für die Ostsee“; FKZ 03G0513A) von der Forschungsgruppe Hy- 375 droakustik ein Erprobungsmuster zur in-situ Schätzung dieser Sedimentparameter realisiert. Das System nutzt die Vorteile nichtlinearer Akustik und es werden Differenzfrequenzen zwischen 4 kHz und 12 kHz bei Primärfrequenzen um 100 kHz abgestrahlt. Die Ergebnisse konnten an Bohrkernen verifiziert werden. Zusammenfassung Mit nichtlinearen Sedimentecholoten können hochauflösende Echogramme mit guter Eindringung sowohl in Flachwassergebieten als auch bei größeren Wassertiefen gewonnen werden. Die Möglichkeit sehr kurze Schallimpulse ohne Nachschwingen mit starker Bündelung von kleinen Schallwandlern auszusenden ist besonders bei geringen Wassertiefen und bei der Objektsuche vorteilhaft. Die kleinen Schallwandler gestatten den Entwurf mobiler Echolotsysteme, die auch auf sehr kleinen Messfahrzeugen einsetzbar sind. Da die Richtwirkung bei nichtlinearen Systemen nahezu unabhängig von der erzeugten Differenzfrequenz ist, können Mehrfrequenzsignale zur Schätzung von Materialparametern, wie Schallgeschwindigkeit, Dämpfungskoeffizient und Dichte, abgestrahlt werden, die einen Bodenabschnitt konstanter Größe beschallen. Webseite: http://www-nt.e-technik.unirostock.de/ntie/ 376 Abstracts MG10 – Do.,11.3.,15:20-15:40 Uhr · H0110 Kugler, S., Bohlen, T., Bussat, S. (Universität Kiel), Klein, G. (Geomar Kiel), Forbriger, T. (Universität Karlsruhe) Scholtewellen-Tomographie für flachmarine Sedimente E-Mail: [email protected] Verlässliche Modelle der in-situ Scherwellengeschwindigkeit flachmariner Sedimente sind für geotechnische Anwendungen sowie Sedimentcharakterisierungen von großer Bedeutung. Desweiteren spielen sie beim Prozessing seismischen MehrkomponentenAufzeichnungen vom Meeresboden in der seismischen Exploration eine wichtige Rolle. Wir haben die dreidimensionale Struktur der Scherwellengeschwindigkeit flacher mariner Sedimente eines 1 km2 großen Testgebietes in der Tromper Wiek (Rügen) durch die tomographische Analyse und Inversion der Dispersion von Grenzflächenwellen, die sich entlang des flüssig-fest-Kontaktes am Meeresboden ausbreiten, bestimmt. Die Ausbreitungs- geschwindigkeit dieser sogenannten Scholtewellen ist in starkem Maße von der Scherwellengeschwindigkeit abhängig, ihre Eindringtiefe von der Frequenz. Scholtewellen wurden im Rahmen zweier Seemessungen mittels einer nah der Wasseroberfläche geschleppten Airgun angeregt, und mit Ozean-Boden-Seismometern registriert. Dabei wurden insgesamt etwa 30000 Seismogramme aufgezeichnet. Die Bestimmung der Struktur der Scherwellengeschwindigkeiten auf der Grundlage dieser Daten erfolgte in drei Schritten. Ziel des ersten Schrittes war es, ein Hintergrundmodell der Scholtewellen-Phasenlangsamkeiten zu ermitteln. Dabei wurden Seismogramme, deren Quellen entlang von Profilen über ein Ozean-Boden-Seismometer lagen in Common-Receiver-Gather (CRG) einsortiert. Diese CRG wurden sukzessiv gefenstert Abbildung 1: a) Für 3 Hz aus lokalen Langsamkeits-Frequenz-Spektren gepickte Phasenlangsamkeiten der ScholtewelleFundamentalmode. b) Aus den Werten aus Abb. a) interpoliertes Modell, das der Tomo- Abbildung 2: Scholtewellen Phasenlangsamgraphie als Hintergrundmodell dient. keits-Karte für 3 Hz. Marine Geophysik und durch eine Wellenfeld-Transformation in den Frequenz-Langsamkeits-Bereich überführt. Aus den so berechneten Spektren entnahmen wir die Phasenlangsamkeit der Fundamentalmode für verschiedene Frequenzen. Für eine Frequenz von 3 Hz ist die Phasenlangsamkeit entlang der Profile in Abbildung 1a) dargestellt. Der langwellige Trend der lateralen Variation wurde ausgehend von diesen Werten flächenhaft interpoliert (siehe Abbildung 1b). Entsprechendes wurde für die anderen Frequenzen im Spektrum der Fundamentalmode durchgeführt. Der Kern der Methode ist die nun im zweiten Schritt folgende PhasenlaufzeitTomographie. Die Seismogramme wurden für die Tomographie vorbereitet, indem sie bezüglich der Hintergrundlangsamkeit dekonvolviert und die ScholtewellenFundamentalmode zeitlich gefenstert wurden. Wir parametrisierten das Meßgebiet in Felder konstanter Langsamkeit. Die Oberflächenwellen wurden als Strahlen behandelt, deren Langsamkeit ausschließlich vom Medium entlang des direkten Weges zwischen Quelle und Empfänger abhängt. Anschließend wurden in der Tomographie Abweichungen der Phasenlangsamkeiten der Scholtewelle vom Hintergrundmodell für alle Seismogramme untersucht. Dabei wurde für jede Frequenz dasjenige 2D-Modell der LangsamkeitsResiduen gesucht, das die Laufzeitabweichungen zu den aus dem Hintergrundmodell vorhergesagten im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate am besten erklären kann. Die invertierten Modellparameter umfassten hierbei neben den Langsamkeiten der Felder auch die Gerätephasen. In Abbildung 2) ist das Ergebnis der Tomographie beispielhaft für eine Frequenz von 3 Hz dargestellt. Im letzten Schritt wurde aus den Phasenlangsamkeits-Karten aller Frequenzen 377 für jedes Feld Dispersionskurven montiert. An diese passten wir im Rahmen einer Inversion synthetische Dispersionskurven optimal an, mit dem Ergebnis eines eindimensionalen Scherwellengeschwindigkeits-Tiefen-Modells für jedes Feld. Die Gesamtheit aller Modelle ergab dann die dreidimensionale Struktur der Scherwellengeschwindigkeit des Sediments im Messgebiet. Wir danken der Bundesmarine (WTD 71, Kiel) für die Datenerfassung. Das Projekt wird gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG (Bo 1727/1-2). 378 Abstracts MG11 – Do.,11.3.,15:40-16:00 Uhr · H0110 De Nil, D., Rabbel, W. (Kiel, Christian-Albrechts-Universität) Shear wave velocity of marine gas hydrate bearing sediments determined from converted waves E-Mail: [email protected] Within SFB574 “volatiles and fluids in subduction zones: climate feedback and trigger mechanisms for natural disasters” we have determined shear wave velocities of gas hydrate bearing sediments at the continental margin of the Coco subduction zone offshore Costa Rica from ocean bottom seismic data. Fig. 1 shows an overview of the survey area at Nicoya Slide. Since seismic shear wave velocity correlates with static shear strength, it provides information on slope stability. Based on appropriate rock models, the fine structure of gas hy- drate bearing sediments and the influence of gas hydrates on the elastic properties can be estimated from shear and compressional wave velocity. Since amplitude versus angle analysis does not provide the required sensitivity to shear wave velocity in certain cases, especially in the presence of free gas trapped beneath the gas hydrate bearing zone, we focussed on the evaluation of traveltimes of P-to-S converted waves. We excited P-waves by airguns at the sea-surface and recorded P-waves and P-to-S converted waves by four-component sensors at the sea-floor. Besides the P-reflection from the base of the gas hydrate bearing zone (bottom simulating reflector), we observed reflected Pwaves from within the gas hydrate bearing zone and approximately horizontally polarized phases with lower frequencies which can be explained well by shear waves which resulted from conversion at the sea-floor and were reflected at the base of the gas hydrate stability zone and within the gas hydrate stability zone, respectively (Fig. 2). The presence of these converted waves requires significant shear wave velocity contrasts at the seafloor, at the base of the gas hydrate stability zone and the S-wave reflectors within. According to the available rock models, the obtained relatively low mean P-wave velocFigure 1: Overview of the OBS-survey area at ities of about 1.7km/s and Vp/Vs-ratios of Nicoya Slide during RV Meteor cruise M54- about 2.5 require cementation of sediment 1B (bathymetry data provided by SFB574- grains by gas hydrates. Thus, the presence of A1/Geomar) gas hydrates probably stiffens the continental Marine Geophysik 379 Figure 2: Sections of an approximately trench-parallel profile landward of the main slump mass of Nicoya Slide. The high amplitudes on the transverse component may be attributed to the seaward inclined seafloor and reflectors, scattering and possibly anisotropy. slope at the studied locations. Besides stimulating slope failures by providing a sliding plane at the base of the gas hydrate stability zone, the presence of cementing gas hydrates may also prevent slope failures at steep slope angles which would be instable in case of soft sediments. 380 Abstracts MGP01 Papenberg, C., Petersen, J., Klaeschen, D. (Kiel, GEOMAR) Combined Studies of ODP log Data and Seismic Reflection Data at Southern Hydrate Ridge E-Mail: [email protected] In August 2002 Ocean Drilling Program (ODP) Leg 204 (Hydrate Ridge) provided essential borehole data to complement recent seismic studies at Hydrate Ridge, to correlate amplitude analysis investigations and to constrain previous results. Seismic data was acquired during cruise SO-150 in September 2000 on the German RV SONNE, aiming at qualitative and quantitative estimates of free gas and gas hydrates within the sediments across Hydrate Ridge. Hydrate Ridge is part of the accretionary complex and is characterized by the presence of extensive gas hydrates, causing a prominent Bottom Simulating Reflector (BSR) reflection in marine seismic records. Several seismic in- and crosslines were shot across the ridge to map the spatial distribution of the BSR. Wide angle reflection data of narrowly spaced Ocean Bottom Seismometers (OBS) allow frequency dependent amplitude variations with offset (AVO) investigations. Seismic reflection data, recorded simultaneously with a single channel surface and deep tow streamer completed the data set. The usage of different sources during acquisition provided additional information of the frequency response of the BSR signature. This data set was used to study the complex seismic behaviour of such gas hydrate environments in detail. The borehole data, collected during ODP Leg 204, now improve recent seismic investigations and support previous results. Within the COLIBRI project log information (Vp, Vs and density) was used for forward modeling to combine seismic investigations with new borehole data. The P wave velocity model of a traveltime inversion and AVO analysis of the seismic OBS sections suggest rather low quantities of gas hydrate or at least the lack of massive hydrate zones. Shear wave phases, identified in the seismic OBS sections, refer to slow S wave velocities in the upper sediment layers above the BSR, which support a model with small amounts of hydrate or patchy hydrate zones within the upper sediments. Marine Geophysik 381 MGP02 Petersen, J., Papenberg, C., Klaeschen, D. (Kiel, GEOMAR) Seismic Quantification of Natural Gas Hydrates at Northern Hydrate Ridge, Cascadia Accretionary Complex E-Mail: [email protected] The abundance of gas hydrates at Hydrate Ridge, located landward of the deformation front of the Cascadia accretionary complex, makes it an ideal research target for studying the dynamics of hydrate formation and dissociation processes. Thus, a detailed seismic investigation of Hydrate Ridge was carried out within the HYDGAS project aboard the R/V Sonne in September 2000. The major aim was the quantification of the amount of solid gas hydrate and free methane using multifrequency sources and streamer (deep tow and surface SCS) and ocean bottom (OBH/OBS) receivers. Here, we present results from the northern ridge, the summit of which reaches 590 m water depth. A total of 34 densely spaced GI-Gun profiles (line spacing 400 - 1500m) were acquired with a single channel surface streamer. Analysis of the BSR depth distribution shows two major regions of an anomalous shallow BSR, interpreted as a result of upward fluid migration and associated high heat flow. These areas are located westward of ODP drill site 892 and near the topographic summit. Site 892 penetrated a eastward-dipping thrust fault at a depth of approximately 100 mbsf along which deep-seated fluids rise feeding a carbonate chemoherm structure located 350m further west (Linke et al., 1994, Davis et al., 1995). The mapped reflection amplitudes of the BSR show disrupted or disturbed BSR signatures interpreted as zones of upward migrating fluids. An AVO analysis of the wide angle OBH/OBS data using P and PS converted waves was done to determine the elastic properties of the sediments beneath the instrument locations. The concentrations of gas hydrate and free gas derived from the OBS data are used to calibrate the P wave amplitude data and allow an estimate of the regional hydrate/gas distribution. 382 Abstracts MGP03 Behain, D., Meyer, H., Franke, D. (BGR - Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe), Fertig, J. (Institut für Geophysik, Technische Universität Clausthal) Gas hydrate offshore Sabah: quantification and linkage to the tectonic framework E-Mail: [email protected] During the marine investigation BGR01 offshore Sabah the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) acquired high resolution, long-offset multichannel reflection seismic data (6000 m streamer, 480 channels, 12.5 m group interval, sample rate 1ms, shot distance 25 m). These data have been used for a detailed study on the occurrence and the properties of gas hydrates. In a geodynamic sense the arc-continent collision offshore Sabah can be interpreted either as the final stage of the southward subduction of the (hypothetical) proto-South China Sea or as the result of back thrusting of the Sulu volcanic arc resulting from the northward subduction of the Celebes Sea. Due to different sedimentation history and tectonic structures the margin offshore Sabah has been subdivided into different tectonostratigraphic provinces. Offshore Sabah gas hydrates occur mainly in the provinces East Baram Delta Toe Thrust and in the Lower Tertiary Thrust Sheets, which are characterized by compression tectonic and consist of sets of imbricated thrust sheets forming an imbricated thrust system. The BSRs are present mainly in the axis of anticlines that formed by thrust faulting. BSRs are located between 250 and 300 m beneath the seafloor in water depths between 1100 and 2800 m. The BSRs at the top of each imbricated thrust sheets do not continue to the adjacent thrust sheets and are characterized by strong reflection amplitude in the centre and lateral decrease. The absence of BSRs might be a result of migration of gases along faults between two adjacent thrust sheets. Based on the occurrence and seismic properties of BSRs and due to the uplift in the imbricated thrust sheets we conclude that one of the major processes that significantly affected gas hydrate accumulation and occurrence is the so called gas hydrate recycling, which means dissociation of gas hydrates due to changes in the stability conditions (PT) and its regeneration in a new GHSZ. The tectonic framework offshore Sabah has controlled the distribution of BSRs and favors the recycling of gas hydrates firstly by destabilization of parts of gas hydrates by moving them into a lower pressure zone (uplifting), secondly by building anticlinals, which act as a trap structures for gases and finally by faults which benefited the migration of gases into the trap structures. Using both, AVA forward modeling (Amplitude Versus Angle) and an effective medium theory, synthetic AVA responses as a function of gas hydrate concentration and free gas saturation at the BSR has been modeled. Results indicate that a BSR with high verticalincidence reflection coefficients that increase with offset is a clear indication for the presence of free gas beneath the GHSZ and its amount controls the magnitude of the reflection amplitude of the BSR. The AVA analyses show that offshore Sabah areas with strong BSRs are characterized by bulk free gas saturations beneath the GHSZ of up to five percent. The contribution of gas hydrate alone to the observed angle-dependent reflection coefficient is negligible and can hardly be resolved Marine Geophysik and quantified from AVA analysis. 383 384 Abstracts MGP04 Wagner, M. (Bremen), Hübscher, C., Wong, H.-K. (Hamburg) Reflexionsmuster an der BGHSZ in Beziehung zur Struktur und stratigraphischen Lagerung im Bereich des Yaquina Beckens vor Peru E-Mail: [email protected] Das Yaquina Forearc Becken liegt am Oberen Hang des aktiven peruanischen Kontinentalrandes und ist seit dem Miozän ein Auftriebsgebiet mit hoher Primärproduktivität. Dies führt zur Ablagerung einer organisch reichen Sedimentfazies in Tiefen innerhalb des p-T-Stabilitätsfeldes für Gashydrat, so dass es durch intensive Methangenese zur Bildung von Gashydrat kommt. Im Rahmen des GEOPECO-Projektes (Sonne-146/im Frühjahr 2000) haben wir im Bereich des Yaquina Beckens einen hochauflösenden Mehrkanalseismik-Datensatz aufgenommen, um die Verbreitung und seismische Ausprägung von BSRs in Bezug zur stratigraphischen Lagerung, Struktur, dem Gasgehalt, sowie der Gas- und Fluidmigration zu untersuchen. In Bereichen mit unterschiedlichen tektonischen und sedimentologischen Eigenschaften zeigt die seismische Ausprägung der BGHSZ starke Variationen bezüglich der Amplitude, Kontinuität, dem Winkel zur stratigraphischen Lagerung und der Tiefe unterhalb des Meeresbodens. Dies steht im Zusammenhang mit einem unterschiedlichen Gas- und Gashydratgehalt, der von der Art der Gasbildung und anreicherung, sowie der Gas- und Fluidmigration abhängig ist. Infolge der lithologischen Alternation verschieden permeabler Horizonte verläuft die Gas- und Fluidmigration hauptsächlich schichtparallel und wird zusätzlich durch das Störungssystem kontrolliert. Das zentrale Depositionszentrum des Yaquina Beckens ist als flaches Plateau entwi- ckelt, in dem rezent Turbidite abgelagert wurden. Die Basis dieser ungestörten Sedimente kennzeichnet das Ende der tektonisch aktiven Phase in diesem Bereich. Die Turbidite haben einen erhöhten Anteil an terrigenem Material, was zu einer nur geringen in situ Gasproduktion innerhalb der GHSZ führt. Das Gas entsteht hier überwiegend infolge der Destabilisierung von Gashydrat im Zuge der rezenten Sedimentation. Die Ausprägung der BGHSZ ist somit von den Lagerungsverhältnissen und der senkrechten Permeabilität abhängig, die die Gasmigration zurück in die GHSZ regeln. Nur bei geringer Störungsintensität, hangparalleler Lagerung und dem Auftreten impermeabler Horizonte nahe der BGHSZ sind amplitudenstarke, kontinuierliche Reflexionen an der BGHSZ (konkordanter BSR, s. Abb. 1) zu beobachten. Im rezent tektonisch aktiven unteren Hangabschnitt kontrollieren am Meeresboden anstehende Abschiebungen den Gas- und Fluidaufstieg und die Ausprägung der BGHSZ. Hier herrscht biogene Sedimentation vor, die zu einem höheren Gas- und Gashydratgehalt führt, der zusätzlich durch Gas- und Fluidaufstieg aus Tiefen unterhalb der BGHSZ gespeist wird. Die BGHSZ ist diskontinuierlich ausgebildet, da aufsteigende Fluide an den Störungen die Gashydratbildung unterbinden, was zu Lücken im BSR führt (s. Abb. 1). Zudem wandern im Umfeld der Störungen die Isothermen nach oben, was zu einer Anhebung der BGHSZ und Gashydratdestabilisierung führt. Marine Geophysik 385 Abbildung 1: Profil 20 läuft durch den zentralen Bereich des Yaquina Beckens und zeigt je nach tektonischem, stratigraphischem und sedimentologischem Umfeld charakteristische Reflexionsmuster an der BGHSZ. Durch die Freisetzung von Gas sind dann lokal amplitudenstarke Reflexionen zu beobachten (Patches, s. Abb. 1). 386 Abstracts MGP05 Gronefeld von, G., Bialas, J., Zillmer, M., Flüh, E.R. (GEOMAR) Marine Gashydrate im Schwarzen Meer - 3 D Weitwinkelseismik im Sorokin Trog E-Mail: [email protected] Im Rahmen der Expedition M52/1 MARGASCH (Marine Gashydrate im Schwarzen Meer) wurden im Januar 2001 mit dem Forschungsschiff METEOR im Schwarzen Meer interdisziplinäre Untersuchungen zur quantitativen Verteilung, zum Aufbau und zur Struktur von Gashydratvorkommen und zu ihrer Beziehung zu Fluidaufstiegszonen im Sediment durchgeführt. Eines der beiden Untersuchungsgebiete liegt südöstlich der Halbinsel Krim im Sorokin Trog. In diesem Areal bewirkt eine Kompressionstektonik, die durch diapirartige Faltenstrukturen gekennzeichnet ist, eine Fluid- und Gasmigration zum Meeresboden. Während der Ausfahrt wurden in diesem Gebiet hochauflösende seismische 3D Messungen durchgeführt. In einem 7 x 2.5 km großen Areal wurden zehn Ozeanbodenseismometer sowie vier Ozeanbodenhydrophone im Abstand von 400 m ausgelegt. Die seismischen Signale einer 2 x 1.7 l GI Gun, mit 10 Sekunden Schußintervall, und einer Airgun, mit 60 Sekunden Schußintervall, wurden gleichzeitig von den Ozeanbodeninstrumenten sowie von einem hochauflösenden Streamersystem (AG Spieß, Bremen) an der Wasseroberfläche registriert. Insgesamt wurden 113 Profile, mit einem Profilabstand von 25 bis 50 m, in Nord- Süd Richtung und 5 Profile in OstWest Richtung geschossen. Für die Analyse der Daten werden die von der GI Gun erzeugten und von den Ozeanbodeninstrumenten aufgezeichneten seismischen Signale verwendet. Bevor diese Daten unter geophysikalischen Gesichtspunkten pro- zessiert werden können, werden sie in das Standard Datenformat SEG- Y transformiert. Anschließend werden die Daten mit dem Programmpaketen SEISMOS und SU bearbeitet. Die verwendeten Prozessingschritte sind eine Bandpassfilterung, eine Vorhersage- Dekonvolution sowie eine FK- Filterung. Nach der Datenbearbeitung ist das Signal- Noise Verhältnis verbessert und der Bubbleeffekt im Quellsignal, der die seismischen Reflektionen überlagert, ist beseitigt. Eine erste Analyse der gefilterten Daten ist eine Ge schwindigkeitsmodellierung. Reflexionseinsätze auf zwei sich kreuzenden Profilen der OBH/S Daten werden gepickt. Anschließend wird mit der Raytracing Methode für beide Profile ein 2D- Geschwindigkeitsmodell, das die Reflexionslaufzeiten erklärt, erstellt. Im Schnittpunkt der beiden Profile stimmt die Geschwindigkeitstiefenverteilung überein. Auf dem Nord- Süd Profil sind im Süden höhere Geschwindigkeiten als im Norden des Profils. Diese Geschwindigkeitsverteilung spiegelt sich auch in den Reflexionseigenschaften des Nord- Süd Profils der Streamerdaten (Krastel, Bremen) wieder. So sind hier im Norden Reflektoren mit guter Kontinuität und mittlerer Amplitude zu sehen, wohingegen im Süden transparente Reflektoreigenschaften vorherrschen. In den Streamerdaten wird der Übergang zwischen diesen beiden unterschiedlichen Reflektionszonen durch eine Störzone gebildet. In dem Geschwindigkeitstiefenmodell des Profils hat sich hier ein Gebiet mit geringerer Geschwindigkeit im Vergleich zur Umgebung abgebildet. In dem Marine Geophysik 387 Abbildung 1: Map of the set up of Ocean-Bottom-Hydrophones (OBH) and -Seismometers (OBS) for the 3-D high resolution grid. Blow up: 10 OBS and 4 OBH were deployed with 400 m spacing on top of a mud volcano. seismic lines were shot with various offsets (25 m, 50 m, 100 m) Background: map of the structural trends of the diapiric zones and individual anticlines. modified after Woodside et al.,1997 Ost- West Modell finden sich hingegen keine lateralen Geschwindigkeitsänderungen. Auch auf dem von Ost nach West verlaufenden Streamerprofil zeigen die Reflektoren keine lateralen Änderungen in ihrem Erscheinungsbild. Mit einer 2.5D Kirchhoff Tiefen-Migration werden die OBH Zeit-Sektionen (common receiver gather) in räumliche Abbilder des Untergrundes transformiert. Ein einzelnes Bild hat eine Ausdehnung von 600 Metern in der Tiefe und 400 Metern lateral. Das gesamte Bild des Nord-Süd-Profils ergibt sich aus der Überlagerung der Bilder von 4 Hydrophonen. Die Kirchhoff Migration liefert ein Geschwindigkeitsmodell, wobei die Laufzeiten mit einem Raytracing Verfahren für 1D Modelle berechnet werden. Das Bild zeigt starke laterale Variationen der Reflektoren: im Norden parallele Schichten bis in 500 m Tiefe unter dem Meeresboden, im Süden bis 300 m, und dazwischen die Störungszone, in der sich keine Reflektoren abbilden. Webseite: http://www.gashydrate.de/ 388 Abstracts MGP06 Wagner, M., Krastel, S., Spiess, V. (Bremen), Ivanov, M. (Moscow ), Bohrmann, G. (Bremen), Weinrebe, W. (Kiel) Seismische Charakterisierung von Schlammvulkanen im Sorokin Trog (Schwarzes Meer) E-Mail: [email protected] Der Sorokin Trog bildet eine strukturelle Depression vor der SW-Küste der Krim, die durch Kompressionstektonik geprägt wird. Dieses tektonische Regime führt zur Bildung diapirischer Strukturen und fördert Fluidaufstieg, der sich in der Entstehung von Schlammvulkanen äußert. Im Rahmen der Meteorfahrt M52/1 im Januar 2002 haben wir seismoakustische Messungen an Schlammvulkanen durchgeführt, um die verschiedenen Schlammvulkantypen zu charakterisieren und ihre Beziehungen zu Diapiren, Gashydratsystemen und anderen Strukturen im Untergrund zu untersuchen. Es können drei Typen von Schlammvulkanen unterschieden werden: kegelförmige, Schlammvulkane mit einem flachen Top und Kollapsstrukturen. Die meisten beobachteten Schlammvulkane im Sorokin Trog sind kegelförmig. Der größte Schlammvulkan, der Kazakov Schlammvulkan, hat einen Durchmesser von ca. 2.5 km und eine Höhe von ca. 120 m; die meisten Schlammvulkane haben Durchmesser bis zu 1 km und Höhen bis zu 100 m. Unter allen Schlammvulkanen bis auf den Kazakov Schlammvulkan konnten oberflächennahe (< 500 m Sediment-Tiefe) Diapire identifiziert werden. Trotz zahlreicher oberflächennaher Gashydratfunde, wurde in den seismischen Daten kein BSR beobachtet. Deutliche laterale Amplitudenvariationen und Bright Spots weisen jedoch auf das Vorhandensein von Fluiden, freiem Gas und Gashydrat hin. Marine Geophysik 389 MGP07 Ehrhardt, A., Hübscher, C., Gajewski, D. (Institut für Geophysik, Hamburg) Comparison of three Northern Red Sea Deeps by Reflection Seismic Methods E-Mail: [email protected] Ocean Deeps are widespread features in the Red Sea. They are located in an axial trough or depression and are often associated by magnetic– and heat flow anomalies. The formation of these Deeps is suggested to be an accompanying phenomenon during the transition between continental rifting and seafloor spreading. However, the causative process for the evolution of the Deeps is a matter of debate, the endmember models are pull–apart basin formation vs. collapse structures because of subrosion. Whereas the Deeps in the central part are well developed and already floored by oceanic basement, the northern Deeps are smaller, less deep and exhibit at most single volcanic extrusions or intrusions into the basement and sediments. In order to investigate the formation process, three northern Red Sea Deeps, the Conrad–, Shaban– and Kebrit Deeps, associated with dense brine layers, were investigated by reflection seismic and hydroacoustic methods in 1999 and 2002. The fault system and the stratigraphy of the Miocene evaporites and overlying Plio– Quaternary sediments were derived from the reflection seismic and bathymetric data. First results show different formation processes or different evolutionary levels of the Deeps. The formation of the Conrad Deep started probably only 40,000 years ago. The shape of the Deep and the fault system trends N20◦ E, parallel to the general trend of the Dead Sea Transform in the Gulf of Aqaba. These findings point to a tectonically induced development of the Conrad Deep that is comparable with pull–apart basin formation. The Shaban Deep is a rhombic–shaped depression that is composed out of four subbasins that are separated by a large NW–SE trending (Red Sea trend) volcanic (basaltic) ridge. The fault trends are at most arbitrary and obliterated by the volcanic extrusion. Only the southern extension of the Deep exhibits N20◦ E trends. The small oval–shaped Kebrit Deep is located in a N–S oriented section of the axial depression. The bathymetry reveals four trends, E– W, N–S, NW–SE and N20◦ E that are associated with faults. This stellar fault system originates form the center of the Kebrit Deep, and comprises the main trends in the Red Sea. Whereas the Conrad Deep and the Kebrit Deep seem to be in an early stage of their development, the Shaban Deep shows the characteristics of a further developed ocean deep. The Conrad– and Kebrit Deep reveal different formation processes. The Conrad Deep development was affected by strike–slip tectonics in N20◦ E orientation, in contrast to the Kebrit Deep that reveals the characteristics of a collapse structure, because of subrosion processes. 390 Abstracts MGP08 Neben, S., Schreckenberger, B., Franke, D. (BGR Hannover) Die konjugierenden Kontinenträndern vor Argentinien und dem südlichen Afrika E-Mail: [email protected] Im April bis Juni 2003 unternahm die BGR eine marin-geophysikalische Messfahrt am vulkanischen Kontinentrand vor Südafrika. Hierbei wurden über 3,000 Profilkilometer an Mehrkanalseismik in Kombination mit magnetischen und gravimetrischen vermessen.Zusammen mit dem ausgedehnten Netz an MCS-Linien am Kontinentrand von Argentinien stehen jetzt sieben Traversen an exakt konjugierenden Segmenten dieser passiven Kontinentränder vulkanischen Typs zur Verfügung. Die Bildung des Südatlantiks und das initiale Rifting in diesem Bereich war nach Analyse der Daten von einem immensen Vulkanismus begleitet. Dieser führte im Bereich vor Argentinien zur Anlage einer 60-120 km breiten Struktureinheit mit ausgeprägtem divergenten Reflexionsmuster (sog. seaward dipping reflectors-SDRS). Weiterhin war die Anlage offenbar episoden- oder schubweise. Es lassen sich mindestens drei individuelle SDRSEinheiten erkennen und kartieren. Eine Extrapolation von Ergebnissen aus dem Nordatlantik ergab, dass es sich bei diesen Einheiten um subaerisch abgelagerte tholeiitische Basalte handelt. Die Unterkruste unter diesen Einheiten ist durch eine Schicht mit Geschwindigkeiten 7.3 km/s charakterisiert. Aus den konjugierenden Traversen lassen sich jetzt erste Abschätzungen von Umfang und Volumen der Extrusiva treffen. Weiterführend sollten mit den parallel durchgeführten RefraktionsWeitwinkelseismischen Messungen auch Abschätzungen über Art und Umfang der unterkrustalen Einheiten möglich sein. Marine Geophysik 391 MGP09 Gaw, V., Reston, T. J., Kläschen, D. (GEOMAR, Kiel), Stubenrauch, A., Walker, I. (CONOCO, Aberdeen, UK) The Porcupine Basin (west of Ireland): Asymmetric Detachment Tectonics and Mantle Serpentinisation. Implications for the Structure and Evolution of Conjugate Non-Volcanic Rifted Margins E-Mail: [email protected] The Porcupine Basin, south-west of Ireland, provides an opportunity to investigate the symmetry and temporal development of extension processes leading to continental breakup. The axial stretching factors derived from subsidence increase from 1.5 (typical values of the North Sea) in the north of the basin up to values greater than 6 (typical for continental margins) in the south. Actual stretching factors are likely to be even larger if the mantle underlying the crust has been partially serpentinised. For this reason a series of seismic profiles across the basin can show how a rift evolves to a completely developed continental margin. Furthermore, both sides of the basin may be imaged during one survey, allowing the investigation of symmetry/asymmetry of extension. We have addressed these issues by pre-stack depth migration selected seismic profiles to provide depth images across the basin at different latitudes. These allow structural analysis of the effects of progressive extension. Together with the analysis of reflection characteristics (polarity, waveform, amplitude) allows an integrated interpretation of the basin. A bright reflection (P) appears to represent a detachment fault, and may in part follow the top of partially serpentinised mantle. This is consistent with results from gravity modelling, and with the models of crustal embrittlement and mantle serpentinisation during extension. We infer that this detachment developed as part of a rolling hinge system, with late extension migrating westward. Although overall the basin remains symmetric, the consistent westward structural dip of the detachment implies that, at high stretching factors, extension was asymmetric. We might thus expect considerable differences in the late-stage evolution of conjugate margin pairs, such as Iberia and Newfoundland. 392 Abstracts MGP10 Planert, L. (Kiel, GEOMAR), Tilmann, F. (Cambridge, Bullard Laboratories), Weinrebe, W., Flueh, E., Reston, T. (Kiel, GEOMAR) A Wide-Angle Survey of the Mid-Atlantic Ridge at 5° South E-Mail: [email protected] Slow spreading mid-ocean ridges are characterized by along-axis segmentation where crustal composition and structure varies significantly within a segment and across transform faults and other ridge axis discontinuities. In 2000, the GERSHWIN experiment investigated two spreading segments adjacent to the 5 degS transform fault. A set of intersecting wide-angle profiles were acquired running both parallel and perpendicular to the median valley and extending from the center of one segment across the transform well into the next segment. The lines focused on a number of topographic features (median valley, inside corner high, outside corner, transform fault) in order to resolve related velocity variations inside the crust and the uppermost mantle. This ridge transform intersection is unusual in that the inside corner high south of the 5 degS fracture zone has been split by a change in location of active seafloor spreading resulting in an outside corner massif and the absence of a volcanic ridge in the northernmost part of the median valley. For assessing velocity models we chose a combination of forward modeling and first-arrival tomographic inversion. For profiles with sufficient Moho reflections a joint refraction and reflection travel-time tomography was used. Energy propagation varies strongly but in most cases reaches for more than 40km, sometimes up to 90km. Modeling results show a velocity structure which differs significantly from normal oceanic crustal structure. In the median valley of the southern segment models show an unusual thin crust of about 4km thickness (shallowing towards the transform fault in the north) underlain by a low velocity upper mantle (Vp∼7.5km/s). North of the fracture zone, median valley seafloor depths show a bathymetric high near the middle of the segment. Here, velocities reach up to 7.0km/s within depths of 6.0-6.5km below seafloor (starting with beneath seafloor velocities of about 3km/s). In contrast, velocity depth profiles in the region of the inside corner high and the outside corner massif in the southern segment show either very high near surface velocities (5.0-5.5km/s) or very high velocity gradients causing crustal velocities to reach up to more than 6.0km/s within the first 1000m below seafloor. Below, velocities increase steadily up to between 7.4-7.7km/s at 5.0 to 6.0km depth below seafloor. By assuming that velocities of 7.4-7.5km/s are indicative for the upper mantle, models suggest crustal thicknesses of 4.0-5.0km at the eastern flank of the inside corner high and 4.5-5.5km at the outside corner. Web page: /gershwin/ http://geomar.de/projekte Marine Geophysik 393 MGP11 Bussat, S., Bohlen, T., Kugler, S. (Kiel, Universität) Anregung von Lovewellen im flachmarinen Bereich durch eine Quelle in der Wassersäule? E-Mail: [email protected] Für die Bestimmung von Scherwellengeschwindigkeiten im Meeresboden wurden in der Tromper Wiek (Rügen, Ostsee) Messungen mit Ozean-Boden-Seismometern (OBS) durchgeführt. Bei einer Wassertiefe von 21m konnten Scholtewellen mit einer 5m unter der Wasseroberfläche geschleppten Airgun (Kammervolumen 0,6l) angeregt werden. Schol- tewellen sind in der Radial(R)-Vertikal(Z)Ebene elliptisch polarisierte Grenzflächenwellen, die sich entlang des Meeresbodens ausbreiten. Die Abbildung 1 zeigt die drei Komponenten eines Common-ReceiverGather (CRG), wobei die Horizontalkomponenten des OBS in das Strahlkoordinatensystem rotiert wurden. Ne- Abbildung 1: Radial(R)-, Transversal(T)und Vertikal(Z)-Komponente einer OBSRegistrierung aus der Tromper Wiek nach Spurnormierung und Tiefpassfilterung. Abbildung 2: Langsamkeits-FrequenzSpektren der Seismogramme aus Abb.1 mit eingezeichneten modellierten Dispersionskurven der Scholte- und Lovewelle. 394 Abstracts ben der auf der R- und Z-Komponente deutlich zu sehenden Scholtewelle, ist auf der Transversal(T)-Komponente ebenfalls eine dispersive Welle mit etwa gleicher Amplitude zu erkennen. Die Abbildung 2 zeigt die LangsamkeitsFrequenz-Spektren der CRG. Auf der R- und Z-Komponente sind die Fundamentalmode und die höheren Moden der Scholtewele zu erkennen. Zusätzlich zu den Scholte-Moden (die wahrscheinlich aufgrund der OBS-Neigung noch in der T-Komponente vorhanden sind) zeigt sich in der T-Komponente eine weitere Mode, die einen ähnlichen Verlauf besitzt wie die Fundamentalmode der Scholtewelle. Die Tatsache, dass diese Mode lediglich auf der T-Komponente zu finden ist, weist auf eine Lovewelle hin. Im Folgenden wird diese transversal polarisierte Welle als Lovewelle bezeichnet. Im Weiteren wurde eine Dispersionskurve der Fundamentalmode der Lovewelle mit dem aus einer Scholtewelleninversion gewonnenen Untergrundmodell modelliert. Die berechneten Dispersionskurven der Scholte- und der Love-Mode sind ebenfalls in Abbildung 2 zu sehen. Die modellierte Love-Mode liegt nicht exakt über der registrierten Mode. Für den Fall, dass es sich tatsächlich um eine Lovewelle handelt, würde dies darauf hinweisen, dass das verwendete Untergrundmodell noch nicht korrekt ist und eine kombinierte Inversion von Scholtewelle und Lovewelle durchgeführt werden könnte. Unter der Annahme, dass es sich bei dem Meeresboden in der Tromper Wiek um ein eindimensionales isotropes linear elastisches Medium handelt und die Airgun als ideale Punktquelle anzusehen ist, sollte die beobachtete transversal polarisierte Welle nicht angeregt werden! Es gilt also zu klären, welche Annahme nicht zutrifft. Erste Untersuchungen deuten auf ein isotropes annähernd eindimensionales Medium hin, so dass die Frage nach der idealen Punktquelle und dem linear elastischen Medium bleibt. Ähnliche Beobachtungen wurden bei entsprechenden Messungen im Arkona Becken, der Kieler und der Eckernförder Bucht gemacht. Eine zweite Messung in der Tromper Wiek zeigte unter der Verwendung eines geringeren Airgun-Druckes keine transversal polarisierte Welle. Desweiteren wies dabei die Scholtewelle eine fünfmal kleinere Amplitude als die Raumwellen auf, wohingegen die Seismogramme aus Abbildung 1 eine fünfmal höhere Amplitude der Scholtewelle im Gegensatz zu den Raumwellen besitzen. Die genauen Anregungsmechanismen der durch eine Airgun angeregten transversal polarisierten Wellen sind noch nicht geklärt und müssen somit noch weiter erforscht werden. Danksagung: Wir danken der Bundesmarine Kiel (WTD 71) für die finanzelle Unterstützung und die sehr gute Zusammenarbeit bei den Seemessungen. Marine Geophysik 395 MGP12 von Lom, H., Gerriets, A., Spiess, V. (Universität Bremen), Zwanzig, C., Bruns, R. (ATLAS Hydrographic, Bremen) Proceedings in the Development of the Sediment Echosounder ATLAS PARASOUND and the Digital Acquisition Software ParaDigMA for High-Resolution Sea Floor Studies E-Mail: [email protected] The combination of the ATLAS PARASOUND sediment echosounder, designed by ATLAS Hydrographic, and the digital recording software package ParaDigMA (commercially available as ATLAS PARASTORE-3) for online digitisation, preprocessing and visualisation of recorded seismograms has proven to be a reliable system for high-resolution acoustic sea floor studies. During 10 years of successful operation aboard several research vessels, including R/V Meteor, R/V Sonne and R/V Polarstern, the system had been only slightly modified. Based on this experience now the PARASOUND/ParaDigMA system has been completely redesigned to add significant functionality for surveys of sediment structures and sea floor morphology. During the last two years major improvements of the existing system were developed in a close cooperation of ATLAS Hydrographic and the Department of Earth Sciences, University of Bremen. The innovations primarily concern the control section of the ATLAS PARASOUND echosounder and the ParaDigMA user front end. The previous analogue PARASOUND control terminal has been replaced by a small real time control PC responsible for the control of the echosounder as well as for the continuous digitisation of the data. The control PC communicates via standard network protocols metadata and data with client applications that can display and store the acquired data on different computers on the network (Figure 1). The new network capabilities of the system overcome former limitations and admit a high flexibility with respect to numbers and locations of operator and recording/display PCs. Now the system offers a simultaneous parallel registration of the 2.5-5.5kHz parametric signal and the 18kHz NBS signal. This feature in combination with the recording of complete soundings including the entire water column provides the basis for evolving scientific research topics e. g. gas venting. The ParaDigMA recording software now operates on Windows platforms which provide sophisticated possibilities in data visualisation as well as improved methods in data handling. Former approved features as online plot of the pre-processed seismograms have been continued. This system is in operation on the Russian research vessel AK Boris Petrov since August 2003 and was already used on a cruise to the Kara Sea. To provide existing PARASOUND installations on the major German research vessels with the benefits of the new Windows based ParaDigMA user front end a supplemental interface program (Department of Earth Sciences, University of Bremen) connects the existing data acquisition hardware with the new acquisition software. This combination was successfully tested on R/V Sonne in October 2003 as well as successfully tested and permanently installed on R/V Polarstern in November 2003. In a second step, the sensor hardware cur- 396 Abstracts Figure 1: System Design of new Atlas PARASOUND / ParaDigMA rently undergoes a thorough enhancement, yielding several new features for sub bottom profiling. The future possibilities include: - An extended set of source signal types (e.g. Chirp signal, Barker-coded wavelet) - A broader parametric signal spectrum (1 to 10 kHz). - Additional data channels (low parametric frequency, high parametric frequency, low primary frequency, high primary frequency) - Additional trigger modes (e.g. constant lateral coverage) - Automatic beam steering, including automatic sea floor slope detection According to these new system properties a parallel milestone is the adaptation of the ParaDigMA user front end to the new system requirements to provide optimal control and online presentation of the acquired data. RD Georadar 398 Abstracts RD01 – Fr.,12.3.,11:10-11:30 Uhr · H0111 Schmalholz, J., Yaramanci, U. (TU Berlin) Georadar zur Untersuchung der obersten Bodenschichten E-Mail: [email protected] Das Georadar (oder auch ground penetrating radar (GPR)) ist ein geophysikalisches Instrument, das in der letzten Zeit verstärkt für die Bestimmung der Bodenfeuchte verwendet wird. Obwohl hierbei meist großflächige Gebiete integral erfasst werden sollten (z. B. [1]; [2]; [3]), ist durch die Entwicklung von Georadarantennen höherer Nennfrequenz eine hochauflösende Untersuchung des Oberbodens ermöglicht worden. Aufgrund des verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskoeffizienten von Wasser (ca. 80) gegenüber natürlich vorkommender Bodenminerale (ca. 4 bis 10) im gewöhnlich von Georadar genutzten Frequenzbereich (ca. 10 MHz bis geringe GHz), erzeugen geringe Wassergehaltsänderungen relativ starke Änderungen der dielektrischen Eigenschaften des zu untersuchenden Bodens. Da im innerstädtischen Bereich in den obersten Bodenbereichen vorwiegend heterogene Verhältnisse anzutreffen sind, bergen großflächige integrierende Untersuchungen hohe Fehlerpotentiale, wenn der Wasser- bzw. Stoffeintrag untersucht werden soll. Diese Mechanismen werden stark durch sogenanntes präferentielles Fließen gesteuert, welches sich teilweise auf Bereiche in der Größenordnung von Dezimetern begrenzt. Um eine gleichzeitige Untersuchung der involvierten Teilprojekte (Bodenkunde, Wasserreinhaltung, Umweltchemie, Mikrobiologie und Zoologie) der DFG Forschergruppe „INTERURBAN “ [4] zu ermöglichen, musste ein non-invasives bzw. minimal-invasives Konzept erarbeitet werden. Hierbei sollte neben der räumlichen auch eine genügend ho- he zeitliche Auflösung realisiert werden. Da bei hohen Wassereintragsraten (z. B. starker Regen) hohe Versickerungsraten innerhalb der ersten Minuten stattfinden, musste diesem Punkt Beachtung geschenkt werden. Neben den erwarteten Feucht- und Trockenbereichen im Mutterboden treten in den Untersuchungsgebieten ebenfalls Einlagerungen auf. Diese wurden meist durch zivilisatorischbedingte Verfüllungs- oder Umgrabungsarbeiten in den Boden eingebracht. Aufgrund der hohen Heterogenität und der oberflächennahen Untersuchungsräume, müssen die Umrechnungsformeln zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes aus den gemessenen dielektrischen Eigenschaften kritisch betrachtet werden. Damit die erforderliche räumliche (Dezimeterbereich und kleiner) als auch zeitliche (Minutenbereich) Auflösung erreicht werden kann, wurden unterschiedliche GPRAnwendungen durchgeführt. Neben den Standardmessungen wie Common-Offset (CO) oder Common-Midpoint (CMP) Messungen wurden auch Bodenwellenprofilmessungen [5] und Local Moisture Sounding (LMS) [6] durchgeführt. Die Messergebnisse mussten auf ihre Zuverlässigkeit und Aussagekraft untersucht und wenn möglich auf die Auflösungsanforderungen optimiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Erfassungsbereiche gilt es eine abgestimmte Kombination der Methoden zu finden und diese sowohl für kleinräumige Bereiche als auch zur Extrapolation in die Fläche zu verwenden. Hierfür können sich neben den Georadar-Messungen Georadar 399 Abbildung 1: CO-Radargramm über künstlichen und natürlichen Diffraktoren und Reflektoren in Berlin Tiergarten (links). Schuttablagerungen in Berlin Tiergarten (rechts). auch Ergebnisse anderer Verfahren positiv ergänzen. Besonders TDR (time domain reflectometry), als eines der Standardverfahren der Bodenkunde, eignet sich zur Kombination mit georadargestützten Interpretationen. Es können hierbei Daten erhalten werden, die in direkter Korrelation mit den beim Georadar erhaltenen Werten stehen und nicht Daten, die im Vorfeld über diverse Umrechnungsformeln abgeglichen werden müssen. Da in der ersten Phase des vorgestellten Projektes gute Ergebnisse im Hinblick auf die räumliche Auflösung erzielt werden konnten, soll nun die zeitliche Komponente in die Messungen mit einfließen. Hierdurch sollen die Mechanismen untersucht werden die zu den im Untersuchungsgebiet auftretenden hydrophoben und hydrophilen Bereichen führen. Literatur [1] Danowski, G. and Yaramanci, U. 1999. Estimation of water content and porosity using combined radar and geoelectrical measurements. European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, Vol. 4, 71-85. [2] Du, S. 1996. Determination of Water Content in the Subsurface with the Ground Wave of Ground Penetrating Radar, PhD thesis, University Munich. [3] Greaves, R. J., Lesmes, D. P., Lee, J. M., Toksöz, M. N. 1996. Velocity variati- ons and water content estimated from multioffset, ground-penetrating radar. Geophysics, 61, 683-695. [4] Müller, M., Mohnke, O., Schmalholz, J., Yaramanci, U. 2003. Moisture assessment with small-scale geophysics - the INTERURBAN project. Near Surface Geophysics, Vol. 1, 171-179. [5] Schmalholz, J., Müller, M., Yaramanci, U. 2003. GPR for small-scale investigations in soil. Proceedings of the 9th European Meeting of Environmental and Engeneering Geophysics, Prague. [6] Igel, J. S., Schmalholz, J., Anschütz, H. R., Wilhelm, H., Breh, W., Hötzl, H., Hübner C. 2001. Methods for Determining Soil Moisture with the Ground Penetrating Radar (GPR). Proceedings of the Fourth International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar. Webseite: http://www.interurban.de 400 Abstracts RD02 – Fr.,12.3.,11:30-11:50 Uhr · H0111 Gundelach, V., Eisenburger, D. (BGR Hannover) Bestimmung räumlicher Strukturen im Salz durch EMR Messungen in einer Kavernenbohrung E-Mail: [email protected] In einem Salzstock mit einem in Betrieb befindlichen Kavernenfeld wurden zur Erweiterung der Kenntnisse über interne Strukturen im Salz erstmals EMR-Messungen eingesetzt. Die Messungen erfolgten im Öl und einer Mittenfrequenz im Salz von etwa 50 MHz. Das eingesetzte Verfahren ist ein PulsradarMessverfahren, bei dem ein elektromagnetischer Impuls abgestrahlt und das zurückkehrende Signal empfangen wird. Das Empfangssignal beinhaltet Reflexionen, die von Inhomogenitäten aus dem anliegenden Gebirge hervorgerufen werden, welche sich durch ihre elektrische Impedanz vom umgebenden Steinsalz abheben. Als elektromagnetisch reflektierende Strukturen kommen insbesondere Anhydrit- und Toneinschaltungen, Bereiche unterschiedlicher Durchfeuchtung und Schichtgrenzen unterschiedlicher Salze in Betracht. Die stoffliche Beschaffenheit eines reflektierenden Bereiches geht im allgemeinen nicht direkt aus dem Radargramm hervor. Die wahrscheinlichste Ursache und ihre geologische Ansprache wird unter Berücksichtigung der berechneten geometrischen Lage und unter Bezug auf bereits vorhandene geologische Informationen interpretiert. In einer Kavernenbohrung erfolgten die Messungen mit einer richtungssensitiven, explosionsgeschützten Bohrlochsonde der DMT (Deutsche Montan Technologie) im unverrohrten Kavernenhals und innerhalb der mit Öl gefüllten Kaverne. Der Rollwinkel (die Orientierung) der Sonde bezüglich magnetisch Nord wurde mit einem Kompass gemessen. Diese Messgröße ist für die räumliche Auswertung der EMRDaten notwendig. Im Salz konnten bis in Entfernungen von 350 m vom Profil Reflexionen aus dem verfalteten Übergangsbereich von der Staßfurt-Folge (z2) zur Leine-Folge (z3) erfasst und räumlich zugeordnet werden. Die räumliche Lage der erfassten Reflektoren wurde mittels einer robusten Wellenfrontrekonstruktion mit Berücksichtigung des Raumwinkels berechnet. Die Informationen von der EMR fließen in die Erstellung des räumlichen geologischen Modells des Salzstockes ein. Die interne Faltung des Salzstockes kann somit besser nachvollzogen werden und erlaubt Prognosen über mögliche Auslaugungsprozesse. Zur Auflösung des Nahbereichs und kleinräumiger Strukturen erwies sich die Messfrequenz als zu niedrig. Hierfür ist eine Sonde mit höherer Messfrequenz erforderlich. Zur Erleichterung der räumlichen geologischen Interpretation sind die Ergebnisse der Auswertung in digitaler Form als räumliche Ansichten und als Animationen aufbereitet worden. EISENBURGER D., GUNDELACH V., WILKE F. (2002): Ground Penetrating Radar, a Tool for Determining Complex Geological Structures from Caverns and Boreholes. Technical paper. SMRI Fall Meeting, Bad Ischl. Webseite: http://www.bgr.de/b313/radar/radar.htm Georadar 401 RD03 – Fr.,12.3.,11:50-12:10 Uhr · H0111 Otto, D. (Clausthal/Bremerhaven), Pfaffling, A., Haas, C. (Bremerhaven) GPR zur Bestimmung der Meereisdicke in Arktis und Antarktis E-Mail: [email protected] Um Veränderungen in der Eisdickenverteilung in der Arktis sowie Antarktis zu studieren, führt das Alfred-Wegener-Institut seit 1991 Eisdickenmessungen durch. Während der Polarstern-Expedition ARK19/1 vom 28.02. - 24.04.03 im Storfjord sowie der Framstraße wurde neben hubschraubergestützten EM-Messungen (s. Pfaffling) zum ersten mal auch das Ground Penetrating Radar (GPR, Bodenradar) verwendet. Seit Morey und Kovacs (1986) wurde dies nicht mehr erfolgreich versucht. Grund dafür sind verschiedene Faktoren, die den Einsatz des GPR auf Meereis erschweren, wie z.B. der hohe Salzgehalt und die damit verbundene Variabilität der dielektrischen Eigenschaften sowie die geringe Dicke des Meereises. Mit der verbesserten Technik des RAMAC GPR von MALÅ GeoScience wurde nun ein neuer Versuch unternommen. Zusätzlich wurde versucht, die Schneedicke zu bestimmen. Diese ist erfahrungsgemäß sehr gering, ob sie aufzulösen ist, musste untersucht werden. Nach erfolgreicher Anwendung des GPR auf mehrjährigem arktischem Meereis wurde das GPR während einer Expedition mit der RSV Aurora Australis vom 11.09. - 30.10.03 erneut eingesetzt, um die Anwendbarkeit des Verfahrens auf einjährigem Meereis in der Antarktis zu untersuchen. Eisdickenmessungen in der Arktis Die Messungen wurden im Storfjord sowie in der Framstrasse auf zufällig ausgewählten Eisschollen durchgeführt, um eine möglichst große Variabilität der dielektrischen Eigenschaften sowie Repräsentativität der erhal- tenen Ergebnisse zu gewährleisten. Die Profile sind größtenteils 200m lang. Verwendet wurden abgeschirmte Antennen der Frequenz 500, 800 und 1000 MHz des RAMAC GPR von MALÅ GeoScience. Die 800 MHzAntenne lieferte den besten Kompromiss zwischen Auflösung und Eindringtiefe. Um die Ergebnisse einordnen und vergleichen zu können, wurden auf einigen Profilen zusätzliche Eisdickenmessungen mit einem EM31 durchgeführt sowie die Eisdicke in 20m-Abständen erbohrt. Die Dicke mehrjährigen arktischen Eises, das einen sehr geringen Salzgehalt hat, konnte durch die Reflexion an der Grenze Eisunterkante-Meerwasser bestimmt werden (s. Abb.1). Probleme tauchten allerdings auf, sobald das Profil über Presseisrücken führte. Hier konnte die Eisdicke nicht immer einwandfrei bestimmt werden. Neben der Reflexion von der Eisunterkante konnte teilweise die Reflexion von der Schnee-Eis-Grenze erkannt werden. Die Schneebedeckung war allerdings meistens so gering, dass sie unterhalb des Auflösungsvermögens lag. Messungen auf einjährigem Eis zeigten allerdings, dass die Dämpfung des Quellsignals durch den hohen Salzgehalt so stark ist, dass keine Reflexion von der Eisunterkante an der Empfängerantenne registriert werdenkonnte. Eisdickenmessungen in der Antarktis Die Messungen erfolgten in der saisonalen antarktischen Meereiszone im Zuge einer australischen Satellitenvalidierungskampagne im Bereich von 64-65°S und 112119°E. Auch hier wurden die Profilmessungen auf zufällig bestimmten Schollen durch- 402 Abstracts Abbildung 1: Profil über mehrjährigem arktischem Eis. Antenne 800 MHz, Balken stellen erbohrte Eisdicken dar. Gut zu erkennen die Reflexion von der Eis-Wasser-Grenze. Die SchneeEis-Grenze ist teilweise zu erkennen. Abbildung 2: Profil über einjährigem antarktischem Eis. Antenne 800 MHz, Balken stellen mit Zollstock gemessene Schneedicken dar. Gut zu erkennen ist die Schnee-Eis-Grenze. geführt. Die Profile waren 100m lang, zum Einsatz kamen abgeschirmte Antennen der Frequenz 500 und 800 MHz. Auch hier lieferte die 800 MHz-Antenne den besten Kompromiss zwischen Auflösung und Eindringtiefe. Durch den sehr hohen Salzgehalt des einjährigen antarktischen Meereises konnte die Eisdicke nicht bestimmt werden. Da jedoch die Schneebedeckung des antarktischen Meereises in diesem Fall bedeutend höher war (bis zu 70cm), konnte die Schnee-EisGrenze mit der 800 MHz-Antenne weitestgehend bestimmt werden (s. Abb.2). Die Ergebnisse wurden durch Vergleich mit ZollstockSchneedickenmessungen, die im Abstand von 1m entlang derselben Profillinien durchgeführt wurden, bestätigt. Ausblick Aufbauend auf die ersten Vorauswertungen sollen die Daten einem intensiven Processing unterzogen werden. Die zentrale Frage ist, ob das GPR eine vergleichbare oder bessere Alternative zu dem bisherigen Standardverfahren EM 31 zur Bestimmung der Meereisdicke darstellt. Ausschlaggebend hierfür ist die ermittelte Eisdickenverteilung. Georadar 403 RD04 – Fr.,12.3.,12:10-12:30 Uhr · H0111 Damm, V. (Hannover, BGR) The subglacial topography of the upper Lambert Glacier (East Antarctica) derived by airborne radar data: a contribution to the structure geological analysis of the Lambert rift system. E-Mail: [email protected] The Prince Charles Mountains are one of the few parts of east Antarctica with significant rock exposure and the only such region to occur substantially (more than 500 km) inland from the continental margins. Their current exposure above the ice plateau is related to relatively recent uplift along the flanks of the Lambert Graben, one of the most important crustal-scale structures in east Antarctica. This critical region was a long standing poorly understood outcrop area in east Antarctica. The overall aim of a joint GermanAustralian expedition to the southern Prince Charles Mountains was to improve the knowledge of this area with a comprehensive international field program. The Lambert Graben is supposed to be at the edge of a major Cambrian suture between at least two Precambrian blocks that collided at 550 Ma during the assembly of Gondwana.To identify the principal Precambrian crustal blocks in this area and attempt to correlate them with other Precambrian crustal fragments in Antarctica and the adjacent continents and to determine the regional crustal structure a combination of airborne geophysical surveys was an obstacle to identify tectonic blocks and boundaries concealed beneath the present-day surface. One principal objective for airborne geophysics was to provide basic topographic data of the ice covered morphological structures by using airborne radar technique. The Lambert Graben extends inland for at least 700 km. The trend of the Lambert Graben is to the northeast-north-northeast, and is inferred to represent a failed rift emanating from a triple point or four armed junction. However, the details of the faults and sub-glacial topography within this depression are still unknown. A dense grid of flight lines spaced 5 km are appropriate to decipher the tectonic trends in the basement rocks out of the subglacial trends of morphological structures. To better understand the processes of rifting and fragmentation of plates gravity is one of the most powerful geophysical methods to obtain reliable geometry of the lower crust. The poorly known thickness of ice is the main obstacle for obtaining reliable models for the density distribution of deep structures in Antarctica. Rather detailed maps of the sub-ice topography were produced that allow a 3-dimensional ice thickness correction of the gravity data and the production of crustal thickness maps. Maps illustrating the sub-ice topography are one of the major outcomes of this project and the base for a range of geological and glaciological interpretations. Web page: http://www.bgr.de 404 Abstracts RDP01 Salat, C., Houben, P., Junge, A. (Frankfurt/M.) Die Eignung des Georadars (GPR) für die Untersuchung quartärer Flussablagerungen im Mittelmeerraum E-Mail: [email protected] Im Frühjahr 2003 wurden im Rahmen eines Pilotprojektes Georadar-Messungen im Einzugsgebiet des Rio Guadalope in Spanien durchgeführt. Ziel war es, die Eignung des Bodenradars für sedimentstratigraphische Untersuchungen an quartären Flussablagerungen im Mittelmeerraum zu überprüfen. Folgende Fragen standen dabei im Vordergrund: Kann GPR Sedimentstrukturen quartärer Flussterrassen auflösen? Bilden sich in Radargrammen die Schichtgrenzen zwischen dem anstehenden Festgestein und darüberliegenden Lockersedimenten ab? Gibt es spezifische Radar-Reflexionsmuster (Radarfazies), die für bestimmte Sedimenttypen charakteristisch sind? Löst das Bodenradar Sedimentstrukturen von grobklastischen rezenten Flussablagerungen auf? Die Messungen wurden an verschiedenen Standorten auf höhergelegenen Flussterrassen sowie in einem teilweise ausgetrockneten Flussbett durchgeführt. Die Auswahl der Messflächen geschah in Abhängigkeit von der Existenz angrenzender Aufschlüsse, die den unmittelbaren Vergleich der Messdaten mit Sedimentstrukturen erlaubten. Insgesamt wurden mehr als 30 Profile mit einer Gesamtlänge von über 1900 Metern erstellt. Reflexionen in den Radargrammen können den in den Aufschlüssen beobachtbaren Strukturen zugeordnet werden. Wo die Eindringtiefe des GPR ausreicht, können die im Untersuchungsgebiet anstehenden Jurakalke und -mergel von den unverfestigten auflagernden Materialien unterschieden werden. Über- dies zeigen innerhalb der Gruppe der untersuchten Lockersedimente Ablagerungen von Schwemmfächern andere Reflexionsmuster als flach lagernde Sedimentschichten. In den Radargrammen, die im Flussbett im grundwassernahen Bereich aufgenommen wurden, treten die signifikanten Schichtungsmerkmale zweier Generationen von Sand-Kies-Bänken klar hervor, die in verschiedene Richtungen geschüttet wurden. Die Messungen dienten als Vorarbeiten zu einem geplanten interdisziplinären Projekt „Radarstratigraphie und Radarfazies“. Eine Kombination von physisch-geographischen, geologischen und geophysikalischen Arbeitstechniken wird zur Quantifizierung von Sedimentspeichern in einem Flusssystem eingesetzt werden. Die Geophysik wird dabei die Identifizierung nicht aufgeschlossener Ablagerungen anhand charakteristischer Radar-Reflexionsmuster übernehmen und deren dreidimensionale Ausdehnung rekonstruieren. Auf den Radarprofillinien sind Bohrungen vorgesehen, um die Radar-Reflexionen mit den Sedimentkernen vergleichen zu können. Schließlich soll die Abhängigkeit der Amplituden- und Phasenmuster von Sedimenteigenschaften wie Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit bzw. Korngröße und Wassergehalt untersucht werden. Die Arbeiten dienen der Erstellung einer Radarstratigraphie verschiedener Sedimentspeichertypen eines Flusseinzugsgebietes im mediterranen Raum. Georadar 405 RDP02 Ziekur, R., Schuricht, R. (Hannover), Lampe, R., Meyer, H. (Greifswald) Georadaruntersuchungen im Küstenholozän NE-Deutschlands E-Mail: [email protected] Für die Analyse interner Lagerungsstrukturen und bei der Verfolgung von Leithorizonten hat sich das Georadarverfahren bewährt. Für den nordostdeutschen Küstenraum lagen bislang aber nur wenige Erfahrungen vor. Die Erprobung an unterschiedlichen Faziesräumen des Küstenholozäns zeigte, dass der Einsatz wesentlich zur Aufklärung des Baus beitragen kann, so dass Georadarmessungen auch in das DFG-Forschungsvorhaben SINCOS (Sinking Coasts: Geosphere, Ecosphere and Anthroposphere of the Holocene Southern Baltic Sea) eingebunden sind. Gut verwertbare Ergebnisse lieferten Messungen mit 100 MHz. In Abb. 1a ist ein Radargramm gezeigt, das senkrecht zu den Strandwällen der Feuersteinfelder auf Rügen in W-E-Richtung registriert wurde. Die Basis der Strandwälle tritt durch eine deutliche Reflexion in ca. 4 m Tiefe auf. Darunter folgen mehrere lang gestreckte und annährend horizontal verlaufende Reflexionen von unterschiedlicher Intensität. Da die geröllreichen Strandwälle nicht durchbohrt werden können, ist die Interpretation der tieferen Reflexionen derzeit ziemlich vage. Ihre Ursache ist in einem Wechsel von fein- und grobkörnigen Sanden zu vermuten, das Erscheinungsbild lässt auf gleichförmige Ablagerung schließen. Der in Abb. 1b dargestellte Radargrammausschnitt stammt aus Messungen auf der Halbinsel Bug (Rügen). Über eine Länge von 500 m treten auch hier in einer etwa 3 m mächtigen Schicht annähernd horizontal verlaufende Reflexionen auf. In dem darunter befindlichen sehr reflexionsarmen Bereich treten aber zwei Zonen mit starker und tief reichender Reflektivität hervor. Während die Zone im NE von Reflexionselementen mit unterschiedlich steilem Einfallen nach SW geprägt ist, bildet sich zwischen Profilmeter 1630 und 1770 eine Aufwölbung ab. Die Ursache kann einerseits in einem sandigen Körper, andererseits auch in Siedlungsresten vermutet werden. Zur Klärung sollen im Herbst d. J. Bohrungen durchgeführt werden. Die Abbildungen 1c und 1d zeigen Ergebnisse von der Insel Hiddensee. Auf beiden Profilen zeichnen sich die obersten Meter als auffallend reflexionsarm ab, so dass hier auf ziemlich homogene Ablagerungen (Feinsande/Mittelsande?) geschlossen werden kann. Im Süden des unter Abb. 1c gezeigten Profils aus dem Gebiet der Dünenheide ist erst in 7 m u. GOK ein gut ausgebildeter Reflektor erkennbar mit deutlichem Anstieg in nördlicher Richtung. Sehr wahrscheinlich markiert er den Übergang zu schluffigem Sand. Zwischen Profilmeter 1600 und 1900 treten Reflektoren noch bis in 10 m u. GOK auf, die für stärkere Differenzierung in den sedimentären Ablagerungen sprechen. Auf dem bei Neuendorf registrierten Profilabschnitt in Abb. 1d dominieren dagegen im tieferen Untergrund wesentlich kürzere Reflexionselemente mit deutlich stärkerem Einfallen in nördlicher Richtung, wodurch Aussagen zur Schüttungsrichtung möglich sind. Die Georadaruntersuchungen ermöglichen im Rahmen des SINCOS-Projektes eine effektive Planung von Bohrkampagnen, deren Ergebnisse wiederum für die Interpretation der 406 Abstracts Abbildung 1: Radargrammbeispiele von Rügen und Hiddensee Radargramme unerlässlich sind. Webseite: http://www.gga-hannover.de SM Seismik 408 Abstracts SM01 – Mo.,08.3.,11:00-11:20 Uhr · H0107 Wölz, S., Rabbel, W. (Kiel University) 3-D Multi-Component Shallow Shearwave Seismic Surveying in the Lions’ Harbour of Miletus (Turkey) E-Mail: [email protected] Geophysical work in the alluvial sedimentary environment of the archaeological site in Miletus’ Lions’ Harbour (Turkey) raised the question whether prominent linear anomalies observed in magnetic data (Stümpel et al., 1997) are related to historic building structures (quay walls or moles). Previous 2-D shear wave seismic refraction surveys did not provide sufficient lateral resolution thus, the resulting first model is considered too rough and possibly wrong for the location of interest. Two 3-D multi-component refraction surveys covering the anomalies were carried out to improve the local refractor model. The experiments not only aimed to explain the magnetic anomalies but also to evaluate the potential of this new high resolution seismic technique for shallow acquisition. One of the two surveys used 3-Component Galperin geophones, 1 m spaced on an area of 40 * 80 m and is discussed here. The use of a 60-channel seismograph allowed for recording 20 geophon positions at once. Profiles were sequentially recorded and moved after shooting each shotpoint. Four shotpoints in total were used, located on each side of the area. Two horizontal and one vertical vector sources were realized with a sledge hammer. The outcome of this are 36 datasets each approx. 26 MBytes in size (1 GByte in total). Shooting lines successively, rather then acquiring in one full 2-D spread is suitable for recording a coherent wavefield. A geophone grid spacing of 1 m provides sufficient lateral sampling. The complexity of the direct, refracted and reflected wavefield is impressive already in unprocessed data. Wavefront bending due to refractor geometry or velocity heterogeneity is significant (see figure). Different approaches to wavefield separation were defined and investigated. Rotation into the ray coordinate system (”slowness projection”) provides the best results for refracted arrivals (see figure). The use of vector sources in addition, allows for optimizing the separated wavefields. The 3-D refractor imaging technique developed in this project maps coherent basement structures on the meter-scale (adaption of Delay-Time methods after Gardner, 1939). Absolute refractor depth, however, has to be determined, for instance, by intercept-time analysis or, even preciser, by drilling. Coring showed that the minimum rms-error ε between cored bedrock depth and refractor model is ε = 0.44m (4.2 %) after adapting to an average refractor depth of z0 = 10.5m. The basin topography of the Milesian Lions’ Harbour at this location, provides appropriate ground to possibly found moles or quay walls on. Seismik 409 Figure 1: Sequence of timeslices with 20ms time increment starting at 100ms for the transverse configuration of shot in x-direction. Intermixing wavefields were separated by ”slowness projection”. While in the first timeslices (left hand side) the surface wave is dominant, the latter are characterized by the strongly bended refracted wave. References Gardner, L.W. 1939. An areal plan of mapping subsurface structure by refraction shooting. Geophysics, 4, 247-259. Stümpel, H. and Bruhn, C. and Demirel, F. and Gräber, M. and Panitzki, M. & Rabbel, W. 1997. Stand der geophysikalischen Messun- gen im Umfeld von Milet. Archäologischer Anzeiger, 124ff Web page: http://www.geophysik.unikiel.de/ swoelz/Project.html 410 Abstracts SM02 – Mo.,08.3.,11:20-11:40 Uhr · H0107 Zöllner, H., Schikowsky, P. (Leipzig) Aspekte der Interpretation flachmariner reflexionsseismischer Daten E-Mail: [email protected] len überlagern. An einem umfangreichen Datensatz aus der südlichen Ostsee (Greifswalder Bodden), der in den achtziger Jahren zur Ölund Gas-Exploration gewonnen wurde, sollten die einzelnen Störeffekte systematisch untersucht werden. Statische Korrektur über gasreichem Schlicksediment Bemerkenswert ist der außerordentlich große Einfluss von gasreichem Schlicksediment auf die Laufzeit der seismischen Wellen. In einigen Teilen des Untersuchungsgebietes treten schlickbedingte Laufzeitanomalien von bis zu 50ms auf, die zweifelsfrei auf die geringe P-Wellengeschwindigkeit des gasreichen Seebodensediments zurückzuführen sind. In solchen Gebieten ist auch eine systematische Erhöhung der Ersteinsatzlaufzeiten zu verzeichnen (Abb.2). Diese Einsätze werden einer refraktierten Welle von der Grenzfläche vom festen Seeboden (Geschiebemergel) zum darüber liegenden Seebodensediment (Schlick) zugeordnet. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, zeichnet diese refraktierte Welle systematisch schlickverfüllte Mulden im Seeboden nach. Eine Kartierung der Ersteinsätze spiegelt damit im Wesentlichen die Verteilung des gasreichen Seebodensedimentes wider. Da die refraktierte Welle annähernd den selben Weg durch das Schlicksediment läuft wie die reflektierten Nutzsignale, enthält sie den gleichen Laufzeitfehler wie die ReflexionseinsätAbbildung 1: Hochfrequentes Singing, der ze, und ist somit zur direkten Bestimmung des weiße Graph im Frequenzspektrum beschreibt statischen Korrekturzeitfeldes geeignet. die sich aus der Wassertiefe theoretisch ergebende Singingfrequenz Allgemeine Problematik Ein Großteil aller Binnenseen und Flachmeere ist mit mehr oder weniger mächtigen Schlicksedimenten bedeckt. Bei seismischen Messungen haben solche Lagen erheblich störenden Einfluss auf die Datenqualität, vor allem dann, wenn sie starke Durchgasung aufweisen. Problematisch ist einerseits die außerordentlich hohe Dämpfung, die eine erhebliche Verschlechterung des Signal/Rausch Verhältnisses mit sich bringt. Andererseits bewirkt die sehr geringe P-WellenGeschwindigkeit in gasreichem Sediment ausgeprägte Laufzeitanomalien,die in ihrem Erscheinungsbild teilweise tektonischen Grabenstrukturen ähneln und als solche fehlinterpretiert werden können. Darüber hinaus treten über schallweichen Seebodensedimenten vermehrt Mehrfachreflexionen (Reverberationen) im Wasserkörper auf, die sich den Nutzsigna- Seismik 411 Abbildung 2: Einkanalabspielung im Übergangsbereich eines durch gasreiches Seebodensediment gestörten Gebietes in ein ungestörtes Gebiet (rechts) und zugehöriges Modell, deutlich sind die tieffrequenten Störwellen zu erkennen Reverberationen als Träger von Informationen über den Seeboden Vorwiegend in Bereichen starker Schlickbedeckung fallen in den Seismogrammen deutliche hochfrequente Reverberationen auf (Abb.1). Da es sich hier um eine stehende Welle zwischen Wasseroberfläche und Seeboden handelt ist die Periodendauer dieser Wellen direkt proportional zur Wassertiefe. Weiterhin enthalten die Seismogramme in Bereichen starker Schlickbedeckung tieffrequente Störwellen, bei denen es sich offenbar um Reverberationen handelt, die sich zwischen der Wasseroberfläche und der Unterkante des Schlicksedimentes ausbilden (Abb.2). Der untersuchte Datensatz enthält in hohem Maße solche Reverberationen von starker Ausprägung, deren Phasen sehr sicher auch über kreuzende Profile zu korrelieren sind. Die Pe- riodendauer einer solchen Reverberation ist direkt proportional zur Laufzeit durch Wasser und Schlick, womit sich die Möglichkeit ergibt, direkt aus der Frequenz dieser Störwelle das statische Korrekturzeitfeld zu ermitteln. Die so ermittelten Werte stimmen gut mit den Laufzeitkorrekuren aus den Refraktionseinsätzen überein. Webseite: http://geo.unileipzig.de/ iug/iug-projekte.html 412 Abstracts SM03 – Mo.,08.3.,11:40-12:00 Uhr · H0107 Giese, R. (GFZ–Potsdam), Goertz, A. (FU Berlin), Großmann, E. (GGA–Institut), Militz, S., Otto, P. (GFZ–Potsdam), Polom, U. (GGA–Institut), Stiller, M., Rothhard, H., Schultes, A. (GFZ–Potsdam) Tunnelzittern – Ergebnisse eines Pilotversuchs mit einem hydraulischen Vibrator unter 1500 m Gneisüberdeckung in den Schweizer Alpen E-Mail: [email protected] Wie leitet Gneis bzw. Hartgestein im Vollraum das sonst üblicherweise bei seismischen Oberflächenmessungen verwendete seismische Frequenzband? Können Erfahrungen aus der Oberflächenseismik analog übertragen werden? Von seismischen Messungen an der Erdoberfläche ist bekannt, dass es oft schwierig ist, den Frequenzbereich oberhalb von 100 Hz in den Untergrund zu übertragen. Wir haben gelernt, dass die Absorption mit ansteigender Frequenz zunimmt. Ein wesentlicher Grund dafür liegt sicherlich in der bei Oberflächenmessungen in aller Regel vorhandenen Verwitterungszone, die das Initialsignal schon vor dem Erreichen des konsolidierten Materials überprägt. Aber wie sieht das im kompakten Hartgestein aus? Im Rahmen einer geplanten Experimentserie, die federführend von der Arbeitsgruppe Tunnelseismik des GFZ–Potsdam im etwa 5 km langen Piora–Erkundungssstollen in den peninnischen Gneisen der Schweizer Alpen durchgeführt werden sollte, bot sich im Februar 2003 die Gelegenheit, ein derartiges, bislang einzigartiges Grundlagenexperiment ohne wesentlichen Mehraufwand durchzuführen. Die Abmaße des Erkundungsstollens ließen den Einsatz des hydraulischen P– Wellen–Kleinvibrators MHV2.7 des GGA– Instituts zu, so dass eine professionell ausgestattete moderne seismische Vibrationsquelle zur Verfügung stand. Als Empfänger wurde eine fest im Stollen installierte Geopho- nauslage mit 140 m Länge verwendet, die aus insgesamt 16 2 m tief in der Stollenwandung vollverklebten 3–Komponentenstationen besteht. Die Empfängerauslage befindet sich etwa in der Mitte des 1996 von einer 5 m Tunnelbohrmaschine aufgefahrenen Stollens und überstreicht einen Übergang zwischen quarzreichem Levantiner Gneis und spröderem Lucomagno Gneis. Angeregt wurde auf einem 875 m langen Profilabschnitt in Intervallen von 5 m, wobei in Abhängigkeit von den Quelle–Empfänger– Distanzen bis zu 16 Anregungen am gleichen Punkt vibriert wurden. Nach Frequenztesten vor Ort wurde als Anregungssignal ein linearer Sweep von 60 Hz bis 360 Hz mit einer Dauer von 10 s verwendet. Dabei resultierte die untere Frequenzgrenze aus Störeinflüssen durch einen vor Ort benötigten Stromgenerator (ca. 50 Hz). Die obere Frequenzgrenze wurde durch die auf dem Hydraulik– Steuerungssystem VibPro (Fa. Pelton, Inc.) beobachtete Performance des Vibrators und die Randbedingungen der Registrierapparatur vorgegeben. Bei der Akquirierung der Daten zeigten sich unerwartete Effekte. So war eine ungewöhnliche Absorption von Frequenzen unterhalb von 120 Hz und somit in der ersten Qktave des 2.5 Oktaven umfassenden Frequenzbandes zu beobachten. Auch die zu beobachtende distanzabhängige Amplitudenabnahme war im Vergleich zu Oberflächenmessungen erheblich Seismik 413 Abbildung 1: Seismischer Vibrator MHV2.7 bei der Signalanregung im Piora– Erkundungsstollen. höher. Diese Beobachtungen wurden bei der Datenauswertung bestätigt. Allerdings zeigten sich auch Korrelationen zwischen den registrierten Signalbandbreiten und den durchteuften geologischen Einheiten. In Analogie zu den Ergebnissen spektraler Untersuchungen im Frequenzband von 300–1500 Hz konnte verifiziert werden, dass für jede Empfängerstation eine individuelle, offenbar vom lokalen Empfängerumfeld beeinflusste Frequenzcharakteristik festzustellen ist. 414 Abstracts SM04 – Mo.,08.3.,12:00-12:20 Uhr · H0107 Beilecke, T., Rabbel, W., Fischer, D., Frank, A. (Institut für Geowissenschaften, ChristianAlbrechts-Universität zu Kiel) Scattering of seismic waves in situ: cause, quantity, spectral characteristics - a study from the Continental Deep Drilling Site (KTB) in Germany E-Mail: [email protected] In order to quantify seismic scattering in situ we applied a new analysis method, the so-called “conversion log”, to vertical seismic profiling (VSP) data of the Continental Deep Drilling Site. The conversion log represents the amount of converted seismic energy determined by slant-stacking and plotted as a function of depth, thus forming a borehole log of seismic conversion. One of the best sites to investigate seismic scattering in crystalline crust is the Continental Deep Drilling Site (KTB). The KTB site is one of a few places in the world where boreholes were drilled deep into the crystalline part of the Earth’s crust. It has been the location of many different, detailed research projects that have come up with a wealth of geo-scientific results. A large number of parameters are therefore available for comparative studies. It is believed that the results obtained within the KTB wells are also representative for many basement rocks, inaccessible for direct observation in many sedimentary environments. In April and September of 1999 a deep vertical seismic profile was acquired in the depth range from 3.0-8.5 km in the main hole of the KTB site (maximum depth 9101 m). The experiment yielded high quality seismic data in terms of signal bandwidth, signal-to-noise ratio, amplitude reference, and stability of the source signal. This was confirmed by a stationary reference geophone in the pilot hole of the KTB site (maximum depth 4000 m). The explosive source provided highly repeat- able and simple signals. Scattering was quantified in terms of compressional to shear wave conversion in transmission along the borehole. A compound analysis of wave conversion and compressional wave attenuation with additional borehole information from the KTB database was carried out. Finite-difference VSP data was additionally computed for a simple and a complex model, featuring important crustal parameters, to serve as reference in this analysis. Important facts were obtained: (1) In the structure dip angle range between about 45◦ to 80◦ present at the KTB site the wave conversion amplitude in terms of AVO/AVA is basically independent from the angle between the incident seismic wave and the impedance contrast surface. Additionally, this dip angle range results in about the maximum PS conversion in transmission possible for the P-waves. (2) In the crust at the KTB site only about 10%-50% of the conversion originates from the variation of the mineral composition of the rocks (Figure 1). The complementary part is basically the result of the fracture density, i.e., the influence of cracks and fissures on the elastic parameters (Figure 1). (3) The wave conversion is also inversely dependent on chlorite content, that seems to ‘heal’ the influence of cracks and fissures (Figure 1). This can be of importance for crustal surface seismic experiments aiming at reflections from fault zones. (4) The conversion in the field data as well as in the Seismik 415 Figure 1: a left) Conversion log of a simple layer model with 60◦ layer dip, resulting in about maximum conversion possible for the KTB rock units without the influence of cracks, a right) conversion log of the field data, b) chlorite content in weight %, c) fracture density vs. lithological column. model data is frequency dependent in an unusual manner: intermediate frequency signals (30-60 Hz) convert less than low (15-30 Hz) and high frequency signals (60-240 Hz). Acknowledgements: This study was supported by the German Science Foundation (DFG), the National Science Foundation (NSF), the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), and the Geowissenschaftliche Gemeinschaftaufgaben Hannover (GGA). Web page: kiel.de http://www.geophysik.uni- 416 Abstracts SM05 – Mo.,08.3.,12:20-12:40 Uhr · H0107 Temmler, T. (TU Bergakademie Freiberg), Geissler, W. H. (GFZ Potsdam), SUDETES Working Group SUDETES 2003: Internationale Seismische Weitwinkel Untersuchung im Bereich des Böhmischen Massivs - Daten und erste Ergebnisse des sächsischen Profilabschnitts E-Mail: [email protected] SUDETES 2003 ist ein internationales seismisches Projekt zur Untersuchung der tiefen Struktur des Böhmischen Massivs. Das Projekt ist die Fortsetzung der bisherigen Messungen im Umfeld des Untersuchungsgebietes: POLONAISE 1997, CELEBRATION 2000 und ALPS 2002. Weiterhin stellt SUDETES 2003 eine Ergänzung zu den laufenden Forschungsvorhaben im Schwarmbebengebiet Vogtland/NW-Böhmen dar. Neben einer Reihe von Instituten aus der Tschechischen Republik, Polen, den USA, Ungarn, der Slowakei, Finnland und Österreich nahmen als deutsche Projektpartner die Universitäten Jena, Freiberg und Leipzig sowie die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe an den Messungen teil. Das SUDETES 2003-Projekt umfasst ein Netzwerk aus sechs Hauptprofilen, welche sich in verschiedenen Richtungen von der BRD über die Tschechische Republik, Polen, die Slowakei und Ungarn erstrecken. Entlang der Profile wurden etwa alle 30-50 km Sprengungen mit Ladungsmengen zwischen 200 kg und 1000 kg durchgeführt, die von 920 REFTEK 125-01 Mobilstationen auf allen Profilen gleichzeitig registriert wurden. Die Anlage der Profile erfolgte so, dass sie in etwa parallel bzw. senkrecht zu den geologischen Hauptstrukturen (Elbezone, Egergraben, Fränkische Linie) ausgerichtet sind. Neben der allgemeinen Struktur des Böhmischen Massivs, interessiert im Besonderen der strukturelle Aufbau des nördlichen Be- reichs, der Grenzregion zwischen den variszischen Einheiten Saxothuringikum im Norden und Moldanubikum/Tepla-Barandium. Dieser Bereich wird von einer känozoischen Riftstruktur, dem Egergraben, überlagert. Das Rifting war im zentralen Bereich des Grabens mit intensiven tertiärem Vulkanismus (3520 Ma) verbunden. Die jüngsten Aktivitäten (Pleistozän bis rezent) sind auf den westlichen Grabenabschnitt beschränkt. Ein Ziel des Projektes ist es, mittels der neugewonnenen und existierenden weitwinkel-seismik Daten, die Krustenstruktur im Bereich des Egergrabens und Erzgebirges bis in Tiefen hinab zur Kruste-Mantel-Übergangszone abzubilden. Gegenstand dieses Beitrages ist der sächsische Abschnitt eines NW-SE verlaufenden Profils (S04, Sachsen-Ungarn), welches parallel zum Profil GRANU-95A verläuft. Durch Auswertung der neuen grenzüberschreitenden Daten ist es möglich, die Erkenntnisse von GRANU-95 nach Südosten und in die Tiefe hin zu erweitern. Im Vortrag werden die Vorgehensweise bei der Datenprozessierung und erste Ergebnisse in Form von 1DGeschwindigkeitsmodellen vorgestellt. Diese werden dann mit publizierten Modellen verglichen. Das Nahziel ist eine 2DModellierung der Strukturen entlang der seismischen Profile. Als Fernziel ist eine 3DAbbildung des Aufbaus der Erdkruste im Böhmischen Massiv angedacht. Seismik 417 Abbildung 1: Registrierung der Sprengung am Schusspunkt 44020 (Steinbruch Diethensdorf/Sachsen) entlang des Profils S04 (Rohdaten). 418 Abstracts SM06 – Mo.,08.3.,12:40-13:00 Uhr · H0107 Mechie, J., Sobolev, S.V., Babeyko, A. (GFZ Potsdam), Ratschbacher, L. (Univ. Freiberg), Jones, A.G. (Geol. Survey, Canada), Brown, L. (Cornell Univ., USA), Zhao, W. (CAGS, Beijing) Identification of the alpha-beta quartz transition by seismic profiling provides precise temperature estimation in the crust of central Tibet E-Mail: [email protected] In the deep crust, temperature, which is among the key parameters controlling lithospheric dynamics, is inferred by extrapolation from the surface using several assumptions that may well fail in regions of active tectonics and fluid migration. In the rare case that temperatures of 700°C or higher are exceeded in the upper/middle continental crust composed of quartz-rich felsic rocks, the alphabeta quartz transition (ABQT)will occur, generating a measurable seismic signature and offering the possibility for precisely estimating temperature from the known ABQT phase diagram. Here it is shown that all expected seismic features of the ABQT are met by the boundary between the upper and middle crust below the INDEPTH III / GEDEPTH II profile in central Tibet. This implies that a temperature of 700°C is achieved at a depth of 18 km under the southern Qiangtang block, that agrees well with the depth to the top of a high electrical conductivity anomaly, likely representing partially melted crust. To the south in the northern Lhasa block, the ABQT lies at 32 km depth, corresponding to a temperature of 800°C. It thus appears that this seismic boundary representing the ABQT is the result of (recent) geological processes rather than being a lithological boundary. Seismik 419 SM07 – Di.,09.3.,09:30-09:50 Uhr · H0107 Bohlen, T. (Uni Kiel), Saenger, E.H. (FU Berlin) Heterogeneous 3-D staggered-grid finite-difference modeling of seismic waves in the presence of high-contrast material discontinuities E-Mail: [email protected] Accurate simulation of seismic waves in heterogeneous models containing strong contrast discontinuities with 3-D topography is an important capability for solving a wide variety of seismic modeling problems ranging from earthquake site studies to environmental or engineering applications. A popular method for the computation of synthetic seismograms is to use regular grid Finite-Difference (FD) algorithms because they can be applied to complex models and are straightforward to implement on parallel computers. Two approaches can be used to fulfill the physical boundary conditions at an interface between two rocks: the homogeneous and heterogeneous approach. In the homogeneous approach the equations of motion are combined with explicit traction continuity conditions at interfaces. This approach is often applied at strong contrast discontinuities such as air-solid discontinuities, i.e. free surfaces. In the heterogeneous approach the boundary conditions are assumed to be implicitly fulfilled by the distribution of elastic parameters on the grid. Boundary conditions across discontinuities are not treated explicitly. The same FD formulas are used everywhere. The heterogeneous approach is obviously very attractive because of its simplicity: complexly shaped strong contrast discontinuities can be simulated with the same algorithm. All that is required is to change the distribution of the elastic parameters in the computational region depending on the topography under consideration. Heterogenous FD modelling is, however, by no means free from numerical inaccuracies, especially near high-contrast material discontinuities. We test two different distributions of viscoelastic velocity-stress wavefield and material parameters on staggered grids. In the first method the wavefield and material parameters are distributed on a staggered grid as proposed by Viriuex (1986). This distribution is widely used and we therefore refer to it as the standard staggered grid (SSG). The second distribution of parameters is the more recently developed rotated staggered grid (RSG) (Saenger and Bohlen, 2003). In both schemes we use second order FD operators in space and time for wavefield updating. A critical point in staggered-grid FD modeling is how the material parameters are spatially averaged on the grid to fullfill the boundary conditions at interfaces. To obtain stable results at high contrast interfaces, we apply harmonic averaging of elastic moduli and arithmetic averaging of densities on the SSG (Graves, 1986). On the RSG we apply arithmetic averaging of densities only. Averaging of elastic moduli is not required. A goal of this work is to establish relations between desired accuracy and computational costs. How finely must the wavefield be sampled to achieve acceptable results ? As a critical test, we perform modeling of interface waves propagating along planar fluid-solid (seafloor) and air-solid contacts (Earths surface) having different orientations with respect to the numerical grid. We observed 420 Abstracts different behaviour of the two FD-schemes at nar solid-fluid interface. air-solid and fluid-solid contrasts. The RSG scheme, however, produces poorer results. Waveforms are delayed and distorted significantly. RSG Simulations Rayleigh waves along a free surface with 15 and 30 grid points per minimum Rayleigh waves that are excited by a wavelength show a strong increase of error vertical point force applied on a free surface with offset. Even if a fine sampling (60 (Lambs problem) are compared with an points) is used, the distortion and delay of the independent solution obtained by a wavefield Scholte wave is significant. integration (WI) method (program qseis by Wang (1999)). If the interface is aligned References with the numerical grid, the RSG and SSG algorithms produce nearly identical seismoSaenger, E.H. and Bohlen, T., Finitegrams. At least 34 grid points per minimum Difference Modeling of viscoelastic and wavelength are required to achieve sufficient anisotropic wave propagation using the roaccuracy. For dip angles of the free surface tated staggered grid, Geophysics, accepted. away from 0◦ and 90◦ , the error increases and does so more rapidly for coarser grid Viriuex, J., 1986, P-SV wave propagation spacings. The Rayleigh wave is delayed and in heterogeneous media: Velocity-stress distorted in the results of both numerical finite-difference method, Geophysics, 51(4), schemes, but most severe for the SSG. Even 889-901. for very fine grid spacings there remain substantial differences between the SSG and Wang, R., 1999, A simple orthonorthe reference solution. The error of the SSG malization method for stable and efficient is still above 50 % around 45◦ dip angle even computations of Green’s functions, Bull., Seis when 68 grids are used. The error of the RSG Soc. Am., 89(3), 733-741. decreases much more rapidly with decreasing grid spacing. Graves, R., 1996, Simulating Seismic Wave Propagation in 3D Elastic Media Using Scholte waves along a fluid-solid inter- Staggered-Grid Finite Differences, Bull., Seis face Soc. Am., 86(4), 1091-1106. Accurate modeling of the fluid-solid interface is of importance for marine seismics, especially in marine shallow seabed seismics where Scholte waves may dominate the wavefield. Good accuracy for modeling Scholte waves is obtained with the SSG scheme. The SSG Scholte wave agrees well with the reference solution even for long propagation distances. 15 points per minimum wavelength are sufficient for the SSG scheme to obtain acceptable accuracy. The SSG scheme thus is well suited for modeling Scholte waves at pla- Seismik 421 SM08 – Di.,09.3.,09:50-10:10 Uhr · H0107 Müller, T.M. (Department of Exploration Geophysics, Curtin University of Technology), Shapiro, S.A. (Fachrichtung Geophysik, Freie Universität Berlin) Saturation of the velocity shift in random media E-Mail: [email protected] It is well known that the phase velocity of seismic waves propagating in randomly inhomogeneous media can exceed the velocity determined from the background properties of the medium. The physical mechanism underlying this observation is that waves use the fastest path through the medium. This effect is called the fast-path effect and sometimes referred to as velocity shift. Despite the fact that this effect is usually small (actual phase velocity deviates a few percent from a constant background velocity), it has important consequences in traveltime tomography studies. Also in lab experiments, where ultrasound measurements in rock samples are used in order to determine velocity (and hence the elastic moduli), the velocity shift can affect the quality of the results. A theoretical approach in order to quantify the velocity shift δv v0 in random media were proposed by Müller et al. (1992). Here, v0 is background velocity and δv denotes difference between observed velocity and v0 . Within the precision of the ray perturbation theory, they found that δv v0 is proportional to the variance of the slowness fluctuations σ2n and to the travel-distance L. Another theoretical approach uses a combination of the Bourret and Rytov approximations in order to describe the frequency dependence of the velocity shift (Shapiro et al., 1996). It is important to note that both approaches make use of perturbation theory. That implies their validity range is restricted to weak fluctuations of the wave- field (and consequently of the medium). It is clear, however, that the phase velocity cannot increase without limit. On the contrary, for large travel-distances a saturation will be observed. This saturation behavior is supported by numerical experiments. Recently a theoretical explanation for the saturation was presented by Tworzydło and Beenakker (2000) based on an iterative solution for the integral equation of the probability density function of the traveltime. According to this model the saturation process can be observed −2/3 and at a critical travel-distance Lc ∝ a σn 4/3 δv the level of saturation is v0 ∝ σn , where a denotes the correlation length. In this work we develop an alternative explanation for the saturation effect. Instead of analyzing the properties of phase fluctuations, we work with the amplitude fluctuations of the wavefield. The latter is then related to the phase fluctuations. For the propagation of high-frequency pulses (the dominant wavelength is much smaller than the typical size of inhomogeneities) a qualitative, ray-theoretical picture of the evolution of amplitude fluctuations has been developed more than thirty years ago (Kravtsov, 1969): Rays in the inhomogeneous medium are randomly deviated with respect to the initial direction of propagation. Then the amplitudes measured at different transverse positions fluctuate. The appearance of the first caustics causes an increase of the amplitude fluctuations due to the swelling of the field in the vicinity of the 422 Abstracts caustics. For larger propagation distances the number of caustics increases. However, the increase of amplitude fluctuations cannot be infinite because of energy conservation. Due to enhanced possibility of wave interference, the amplitude fluctuations reach a level of saturation. Acknowledgements This work was kindly supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (contract MU 1725/1-1). References Kravtsov, Yu. A., 1969, Strong fluctuations of A measure of the amplitude fluctuations is the amplitude of a light wave and probability the variance of the intensity fluctuations m2 . of formation of random caustics, Soviet Within the framework of the parabolic wave Physics JETP, 28, 413–414. equation for the fourth-order moment we can study wave propagation even in a regime Müller, G., Roth, M., Korn, M., 1992, of strong wavefield fluctuations. We show Seismic-wave traveltimes in random media, that the saturation of m2 occurs at a critical Geophys. J. Int., 110, 29–41. distance Lc ≈ a(a/16A(0))1/3 , where A is the transverse correlation function. Noting Shapiro, S. A., Schwarz, R. and Gold, that for a large class of correlation functions N., 1996, The effect of random isotropic inhoA(0) is proportional to aσ2n , we find the same mogeneities on the phase velocity of seismic scaling for the critical travel-distances for the waves, Geophys. J. Int., 127, 783–794. saturation of the velocity shift and m2 . This is a physical reasonable result since fluctuations Tworzydło, J., Beenakker, C. W. J, 2000, of phase and amplitudes are mutually related. Hierarchical model for the scale-dependent Indeed, using the fact that phase velocity and velocity of waves in random media, Phys. the attenuation coefficient (which is directly Rev. Lett., 85, 674–676. related to m2 ) obey the causality principle, we can also deduce the level of saturation of the velocity shift from that of the attenuation coefficient. We obtain the same scaling as 4/3 above ( δv v0 ∝ σn ). These results are more general in the sense that we relate the critical travel-distance and the level of saturation to the correlation function of the medium fluctuations. This allows to quantify the level of saturation if the correlation properties are known. Our analysis also shows that previously reported singularties of the velocity shift in random media with power-law fluctuation spectra are pure artifacts resulting from the use of weak wavefield fluctuation theories. Seismik SM09 – Di.,09.3.,10:10-10:30 Uhr · H0107 Przybilla, J., Wegler, U., Korn, M. (Leipzig) Monte-Carlo-Simulation von Vielfachstreuung elastischer Wellen in Zufallsmedien E-Mail: [email protected] Die Ausbreitung elastischer Wellen in heterogenen Medien ist ein komplexes Phänomen und führt zu sehr komplexen Seismogrammen. Um solche Seismogramme theoretisch zu erklären benötigt man eine Beschreibung der Wellenausbreitung in Zufallsmedien. Ein Zufallsmedium für elastische Wellen ist durch zufällige Fluktuationen der LameParameter gekennzeichnet. Diese Fluktuationen werden durch eine Autokorrelationsfunktion (AKF),die bestimmte statistische Eigenschaften hat, beschrieben. Wesentliche Parameter der AKF sind die Korrelationslänge und die Fluktuationsstärke. Vorgestellt werden Simulationsergebnisse, die die Ausbreitung der Energie elastischer Wellen in einem Zufallsmedium beschreiben. Mathematische Grundlage der Simulationen ist die EnergieTransfer-Theorie zusammen mit der BornApproximation für Einzelstreuung. Die Simulationen sind mit einer Monte-Carlo-Technik durchgeführt worden und berücksichtigen sowohl die Moden Konversion zwischen P- und S-Wellen, als auch die Polarisation der SWellen. Mit dieser Technik besteht nun die Möglichkeit durch Inversion statistische Parameter eines heterogenen Untergrundes zu bestimmen. 423 424 Abstracts SM10 – Di.,09.3.,10:30-10:50 Uhr · H0107 Vanelle, C., Gajewski, D. (Universität Hamburg) The reflection/transmission problem in anisotropic media E-Mail: [email protected] Computations in anisotropic media are usually cumbersome. One particular problem occurs when two components of the slowness vector are known, yet the full slowness vector is required, e.g., to evaluate Snell’s law at an interface between two anisotropic media, in the determination of geometrical spreading from traveltimes (Vanelle and Gajewski, 2003), or for second-order interpolation of traveltimes (Vanelle and Gajewski, 2002), when topography is considered. In this paper we suggest to combine results from the perturbation method (Jech and Psencik, 1989) and expressions for sectorially bestfitting isotropic background media (Vanelle and Gajewski, 2004) in an iterative approach to find the third slowness component. close for P-waves and θ > 0 already after the first iteration. For θ < 0 a second iteration leads to the same accuracy (not shown). Here, the need for the second iteration arises from the extreme asymmetry of the slowness surface. For the S-waves, the results are not quite as close, but dealing with shear waves is generally more complicated, especially, where coupling effects must be considered, as for px ≈-0.4s/km. Therefore, the quality of the iteration result after the first step is convincingly good, especially for the slow wave (outer surface). References: Jech, J., and Psencik, I., 1989, First-order perturbation method for anisotropic media, Geophysical Journal International, 99, 369– 376. Vanelle, C., and Gajewski, D., 2002, Second-order interpolation of traveltimes, Geophysical Prospecting, 50, 73–83. Vanelle, C., and Gajewski, D.: 2003, Determination of geometrical spreading from traveltimes: Journal of Applied Geophysics, 54, in press. Vanelle, C., and Gajewski, D., 2004, Sectorially best-fitting isotropic background media, DGG-Jahrestagung 2004. Assuming that the components px and py of the slowness vector p are known, we obtain initial isotropic background velocities by averaging the elastic parameters over the inclination angle θ between 0◦ and 90◦ for a fixed azimuth that we know from px and px . We solve the isotropic eikonal equation using the background velocities and obtain the isotropic approximation for pz . Application of the perturbation formulae by Jech and Psencik (1989) leads to a correction for pz , and thus also for θ. Now we calculate updated background velocities by averaging over θ ± Δθ and repeat the Web page: http://www.agg.dkrz.de procedure, where Δθ is decreased during the iteration. Figure 1 shows slowness surfaces for fixed py in a triclinic medium, where the results after the first iteration step are shown together with the exact solution. The match is very Seismik 425 Figure 1: Slowness surfaces in a triclinic medium: exact values and results from the first iteration for P- (top) and S-waves (bottom). 426 Abstracts SMP01 Kaschwich, T., Gajewski, D. (Universität Hamburg) Traveltime-based Migration with Angular Parametrisation E-Mail: [email protected] Kirchhoff migration is an inversion technique that images the structure of the subsurface from reflection seismic data. Each subsurface point under consideration is treated as a diffraction point, the corresponding diffraction traveltime curves are constructed and the traces are stacked along that curve. In a typical seismic experiment the source and the receivers are spaced uniformly in the recording surface. This line-up has, however, a vital disadvantage especially for complex subsurface structures: the even coverage at the registration surface does not necessarily coincide with uniform illumination at the image point, which is necessary for, e.g., AVO studies. To achieve an uniform illumination at each image point, rays with equal angular distance are required from the image point to the registration surface. Rays which leave the image point with equi-angular spacing, however, do not arrive with equidistant spacing at the recording surface (see also Figure 1). Therefore the equidistant spacing of source and receivers leads to high illumination in some angular regions, and poor illuminations in others. To calculate AVO curves, the illumination of the image point should be evenly distributed over a large angular area. Since a model dependent registration can not be realised Brandsberg-Dahl et al. (2001) suggested the migration with angular parametrisation. To provide the uniform coverage at the image point M the slowness at M is defined by theequidistant emergence angles. At the same time this procedure avoids the problematic triplications, because a ray is non-ambiguously char- acterised by its slowness. To calculate the traveltimes from the image point M to a point at the surface we solve the kinematic ray tracing system (Červený, 1972). Since in most cases there will be no receiver at this position, the hyperbolic traveltime interpolation is required. For this application we extend the hyperbolic traveltime appoach, which was introduced by Vanelle and Gajewski (2002), to an unregular traveltime grid. Therefore this approach allows us to interpolate the traveltimes to the real receiver position and, in addition to that, we can use this method to interpolate source positions. Now the migration with angular parametrisation can be accomplished. Only these traces of the receivers, that are accessible from the image point, are taken into account, in order to increase the signal-tonoise ratio. Brandsberg-Dahl, S., deHoop, M.V., and Ursin, B., 2001, AVA analysis and compensation on common image gathers in the angle domain: 63th Ann. Internat. Mtg., Eur. Assn. Expl. Geophys., Expanded Abstracts. Červený, V., 1972, Seismic Rays and Ray Intensities in Inhomogeneous Anisotropic Media. The Geophysical Journal of the Royal Astromical Society, 29:1-13. Vanelle, C., Gajewski, D., 2002, Secondorder interpolation of traveltimes, Geophysical Prospecting, 50, 73-83. Seismik 427 Figure 1: Schematic ray path from an image point M to several receivers (triangles) for a medium with a low velocity zone (gray) . Left: in conventional migration methods only a small angular region is well illuminated at M. On the right, the angles of the rays starting from M are evenly distributed. This leads to even illumination at the image point, which is especially important for shadow zones (see receiver 2-4). 428 Abstracts SMP02 Vanelle, C., Gajewski, D. (Universität Hamburg) Sectorially best-fitting isotropic background media E-Mail: [email protected] Computations in anisotropic media are usually very cumbersome. Many techniques developed for isotropic media will fail or have to be altered in the presence of anisotropy. Therefore, computations in anisotropic media are commonly simplified by applying perturbation methods, where the anisotropic medium is described by a linear combination of a suitable background medium, and a small perturbation. Often an isotropic background is assumed, whereas the perturbations account for the anisotropy. This has the advantage that isotropic techniques can be used for the computations in the background medium. In the simplest case, the isotropic velocities can be obtained from averaging the elastic constants over all phase directions, leading to the wellknown result by Fedorov (1968). There are, however, situations, where a sectorial approximation is better suited than the average over all phase directions. we cannot simply evaluate the eikonal equation in these cases. To solve these problems, the results from the sectorially best-fitting isotropic velocities can be combined with a perturbation approach (Vanelle and Gajewski, 2004). Other possible applications include any method associated with perturbation techniques. Figure 1 shows the resulting best-fitting velocities for a 30◦ sector in a medium with triclinic symmetry together with the exact values, results from the weak anisotropy approximation (WA), and the result from the global fit by Fedorov (1968). As expected, the sectorial approximation is superior to the global one. For the shear waves we should, however, not expect that an isotropic velocity can correctly describe both shear waves in an anisotropic medium at the same time. Nevertheless, the sectorial fit matches the true velocities better than the global one. References: Fedorov, F.I., 1968, Theory of Elastic Waves in Crystals, Plenum Press, New York. Vanelle, C., and Gajewski, D., 2003, Determination of geometrical spreading from traveltimes: Journal of Applied Geophysics, 54, in press. Vanelle, C., and Gajewski, D., 2004, The reflection/transmission problem in anisotropic media, DGG-Jahrestagung 2004. We have generalised Fedorov’s (1968) result to an average over an arbitrary sector and obtained corresponding expressions for P- and S-waves. The desired sector is specified by the inclination and azimuth angles. We obtained also expressions for the case that the azimuth angle is known. This situation occurs for example in the reflection/transmission problem at an interface between two anisotropic media (Vanelle and Gajewski, 2004), or in the determination of geometrical spreading from trav- Web page: http://www.agg.dkrz.de eltimes (Vanelle and Gajewski, 2003), where only two of the three slowness components are known and the thrid is serached for. Since the phase velocity depends on the phase direction, Seismik Figure 1: Phase velocities of P- (top) and S-waves (bottom) in a triclinic medium. 429 430 Abstracts SMP03 Krüger, O. S., Saenger, E. H., Buske, S., Shapiro, S. A. (Freie Universität Berlin) Reflektionseigenschaften geklüfteter Medien E-Mail: [email protected] Der Möglichkeit, die Gesamtheit der elastischen Eigenschaften eines Mediums und der in ihm enthaltenen Klüfte durch effektive elastische Eigenschaften eines äquivalenten nicht geklüfteten Mediums zu beschreiben, widmen sich einige theoretische Ansätze (z.B. self-consistent theory und differential effective medium theory). Diese Theorien wurden in Bezug auf ihre Aussage über effektive Geschwindigkeiten geklüfteter Medien hinreichend und mit viel versprechenden Ergebnissen untersucht (Saenger und Shapiro, 2002). In dieser Arbeit soll erörtert werden, in wie weit sich diese Theorien eignen die Reflektivität bzw. den Reflektivitätskoeffizenten von geklüfteten Medien zu bestimmen. Den Anlass zu dieser Arbeit gibt das aktuelle Bauvorhaben des Gotthard Basis Tunnels, bei dem durch seismische Experimente versucht wird frühzeitig Störungen im Gestein zu entdecken. Diese Störungen sind meist von einer ausgeprägten zerklüfteten Zone umgeben. Diese gilt es in den Seismogrammen zu erkennen. Computersimulationen, die sich schon bei der Vorhersage effektiver Geschwindigkeiten bewehrt haben, werden gezielt in dieser Untersuchung eingesetzt. Es wird ein Finite Differenzen Programm auf Basis des sogenannten rotated staggered grid verwendet (RSG), welches die Wellenausbreitung in Medien mit starken Kontrasten in den elastischen Modulen eines Medium handhaben kann. Die numerische Untersuchung beginnt zunächst mit einfachen Modellen. In diesen wird eine geklüftete Zone in einer homogenen Umgebung von einer Punktquelle beleuchtet. Das Verhältnis von Wellenlänge des Quellsignals zur Länge der Brüche wird so gewählt, dass es im Gültigkeitsbereich der oben angesprochenen Theorien liegt. Die Klüfte befinden sich in einem rechteckigen Bereich, der ca. 30 m von der Quelle entfernt im Gestein liegt und sind parallel zueinander ausgerichtet. Letzteres ergibt sich aus der Annahme, dass sich die Klüfte bei Entstehung der Störung subparallel zu dieser gebildet haben. Letztendlich werden die numerische Seismogaramme mit Hilfe der AVO Methode ausgewertet. Anhand des Reflektionkoeffizenten wird der Kluftzone ein effektives Medium zugewiesen. Dieses wird dann mit der bekannten Vorhersage der Effektiv-MediumTheorien verglichen. Damit wird versucht Rückschlüsse auf die geologische Struktur die Kluftzone zu ziehen. Im Besonderen soll die Kluftdichte ermittelt werden, aber auch Aussagen über Geometrie und Sättigung der Klüfte werden angestrebt. In der Studie werden folgende Parameter variiert. • Die Mächtigkeit der Kluftzone wird verändert. • Die Klüfte dürfen zufällige geringe Neigungen haben. • Die Kluftzone ist geneigt, wobei die Klüfte an sich immer noch subparalell zur Ausrichtung der Zone verlaufen. • Es werden Quellsignale mit unterschiedlichem Frequenzinhalt verwendet. Seismik • Die Kluftzone weist einen Gradienten in der Kluftdichte auf. Diese Fallstudien sollen Klarheit über den Einfluss der Mehrfachstreuung in der Kluftzone und den Gültigkeitbereich der effektiven Mediums Theorien verschaffen. 431 432 Abstracts SMP04 Saenger, E.H. (FU Berlin), Bohlen, T. (U Kiel) 3D Anisotropic finite-difference modeling using the rotated staggered grid E-Mail: [email protected] We describe the application of the rotated staggered grid (RSG) finite-difference technique to the wave equations for anisotropic media. The RSG uses rotated finite-difference operators leading to a distribution of modeling parameters in an elementary cell where all components of one physical property are located only at one single position. Staggered grid FD operators are commonly applied to compute the derivatives in the wave equations for elastic, viscoelastic, and anisotropic media. However, the standard staggered FD grid [according to Virieux (1986)] can become unstable when the medium exhibits high contrasts in material properties. Boundary conditions of the elastic wavefield at a free surface, i.e. the high contrast discontinuity between vacuum and rock, have to be defined in the FD algorithm. By using the so-called rotated staggered grid (RSG) technique, high contrast discontinuities can be incorporated without applying explicit boundary conditions and without averaging elastic moduli. The objective of this paper is the application of the RSGtechnique to the elastic wave equation for anisotropic media. Standard staggering implies that off-diagonal stress and strain components are not defined at the same location. When evaluating the stress-strain relation, it is necessary to sum over a linear combination of the elastic constants multiplied by the strain components. Hence, some terms of the stress components have to be interpolated to obtain values at the locations where the diagonal components are defined. This fact leads to an additional error in the dispersion anal- ysis and is computationally intricate. For the rotated staggered grid such an interpolation is not necessary. By analyzing the numerical dispersion, we show that the RSG can be advantageous for modeling general anisotropic media. For the anisotropic modeling example (Figure 1), we build a large-scale (4003 gridpoints), homogeneous triclinic medium with an equal grid spacing of Δh = 6 m. References: Saenger, E.H., and Bohlen, T., 2004, Finite-difference modeling of viscoelastic and anisotropic wave propagation using the rotated staggered grid: Geophysics, in print. Figure 1: A snapshot (z-displacement) after 720 timesteps (0.63s) of a large-scale 3-D triclinic FD simulation using the rotated staggered grid. Seismik 433 SMP05 Bohlen, T. (Uni Kiel), Giese, R. (GFZ Potsdam), Mueller, C., Beilecke, T., Oestmann, F. (Uni Kiel), Polom, U. (GGA Hannover) On the nature of monochromatic seismic noise observed in tunnel seismic data E-Mail: [email protected] For deep underground excavations seismic exploration around and ahead of a tunnel has become an essential component of the excavation plan to increase the safety and efficiency of the tunneling operation. The crystalline rock around the tunnel is significantly altered during drilling of the tunnel, especially by brittle faults, fissured zones and fracture sets under saturated and unsaturated conditions. Figure 1a shows a typical common-receiver gather of 3 component seismic data acquired Figure 1: (a) Typical common-receiver gather acquired in the Piora Adit of the Gotthard Base Tunnel (Switzerland). Pronounced ”ringing” triggered by the direct Rayleigh wave is observed. (b) Amplitude spectra show pronounced resonance peaks having different locations on the three components of the same receiver. by the GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam in the Piora Adit of the Gotthard Base Tunnel (Switzerland). The Piora Adit was drilled by a tunnel boring machine (TBM). Geophones are drilled 2m into the formation. They are arranged along a straight line parallel Figure 2: Flexural vibrations of a crystalline rock mass embedded between two parallel airfilled cracks. Receivers are located in-between the cracks (dashed line). (a) Snapshot of curl, (b) seismograms of y-component, (c) amplitude spectra of (b). 434 Abstracts to the tunnel axis. Shot spacing is one meter. High amplitude ’ringing’ which is triggered by the direct Rayleigh wave is observed. Unfortunately, such ’noise’ is commonly observed in seismic data acquired in tunnels which are excavated by either tunnel boring machines or by blasting. They can obviously severely mask reflection events, and are thus a major problem for seismic imaging of geological features around the tunnel. One pronounced feature of the ’ringing’ signals is that they occur at distinct frequencies only. Figure 1b shows amplitude spectra of selected traces after removal of the direct P-and Rayleigh wave. Relatively sharp resonance peaks with very high amplitudes are observed in the frequency domain. They are a unique characteristic of each receiver position, and hence are caused by the receiver system and/or its surrounding. Acquisition tests showed that they are not simply a result of poor coupling between receiver and the surrounding rock mass. The two subjects of this paper are (1) to explore possible reasons of the resonance effects by 2-D/3-D Finite-Difference (FD) modeling and (2) to test different processing/deconvolution techniques to reduce that noise. The FD modeling shows that similar resonance effects can be generated by seismic energy which is trapped between two strong contrast heterogeneities, e.g water-filled or open (air-filled) cracks, Figure 2 illustrates the development of the resonance pattern due to seismic waves trapped between two open parallel cracks. The dominant wavelength of the incident P- and S-wave is 11.4 m and 6.8 m, respectively. The width of the gap between the two cracks is 10 cm, which corresponds to only 0.8 % and 1.4 % of the dominant incident P- and S- wavelength, respectively. The gap thus can be regarded as very thin compared to the wavelength of the incident waves. The flexural vibrations exhibit pronounced resonance peaks which can well be identified in the amplitude spectra of the seismograms (Figure 2c). The spectra reveal that certain frequency components are located at distinct positions along the crack. This can also be observed in real data (Figure 1b). In order to investigate the nature of the resonance effects, a series of modeling experiments have been performed in which we varied the separation distance of the cracks, the length of the cracks, the geometry of the crack system, the infill of the cracks (water/air), and the background elastic properties. From these numerical experiments we conclude that the observed resonance effects are most likely caused by sets of cracks (either dry or saturated) in the immediate vicinity of each receiver. Each receiver has a unique resonance pattern indicating a strong lateral variation of the crack system. In a complex crack system a very sharp spatial distribution of nodes and antinodes is expected. Separation distances between different are only a few centimeters. This explains why data recorded on different components of the same receiver show different resonance frequencies: the sensors recording different wavefield components are attached with a few centimeters separation. The amplitude of the ’ringing’ signals can be reduced by deconvolution. The performance of different deconvolution techniques is investigated using synthetic and real data examples. Seismik 435 SMP06 Giese, R. (GFZ Potsdam), Dickmann, Th. (AMT Zuerich), Kaslilar, A. (Uni Delft), Kravtsov, Y. (Polish Academy of Sciences, Warsaw), Buske, S. (FU Berlin) Interpretation einer seismischen Tomographie zur Tunnelumfelderkundung im Seitenstollen West der Multifunktionsstelle Faido des Gotthard Basis Tunnels E-Mail: [email protected] Vom 3. bis 7. März 2003 wurden vom GFZ Potsdam und der Amberg Messtechnik AG seismische Tomographiemessungen vom Seitenstollen West der Multifunktionsstelle Faido (MFS Faido) des Gotthard Basis Tunnels durchgeführt. Die MFS Faido befindet sich in der Penninischen Gneiszone der Schweizer Zentralalpen. Ziel dieser Messkampagne war es, die Bereiche von seitlich geplanten Tunnelverzweigungen geologisch besser im Hinblick auf mögliche Störungszonen und relevante Formationswechsel zu charakterisieren. Entlang einer Strecke von 417 m ( Tunnelmeter 31 bis 447) wurden im Abstand von jeweils 10 m 40 drei-Komponenten - Empfänger horizontal in 2 m bis 3 m tiefen Bohrlöchern verklebt. Als seismische Quelle kam ein am GFZ Potsdam entwickelter pneumatischer Impulshammer zum Einsatz, mit dessen Hilfe 408 Oberflächenpunkte im Abstand von 1 m entlang der Empfängerauslage angeregt wurden. Jeder Oberflächenpunkt wurde 5 mal angeregt, um durch vertikales Stapeln eine Verbesserung des Signal/Noise Verhältnisses zu erreichen. In den Seismogrammen konnten Oberflächenwellen entlang der gesamten Auslage und direkte Kompressions- und Scherwellen bis zu Distanzen von 380 m beobachtet werden. Die Ersteinsatzzeiten der direkten Raumwellen dienten als Eingabe zu tomographischen Laufzeitinversionen mit dem Programm ProMAX. Die Inversion der Daten führte zu stabilen Lösungen mit mittleren Laufzeitabwei- chungen (RMS) kleiner als 1 ms für P- Wellen und kleiner als 2 ms für S- Wellen. Die maximale Eindringtiefe der Wellen beträgt ca. 100 m. Die ermittelten Geschwindigkeiten für PWellen liegen in einem Bereich zwischen 4.2 km/s und 6.1 km/s und für S- Wellen von 2.5 km/s bis 4.0 km/s. Die niedrigen Geschwindigkeiten sind in einem Bereich konzentriert, der nahe einer flach einfallenden Störungszone verläuft. Ferner wurde versucht, die Heterogenitäten des Umgebungsgesteins mit Hilfe der seismischen Daten quantitativ zu charakterisieren. Dazu wurden zunächst die Laufzeitabweichungen der Ersteinsätze gegenüber einem quasi- homogenen Hintergrundmodell bestimmt. Aus den statistischen Eigenschaften dieser Laufzeitfluktuationen lassen sich die Parameter der zugehörigen Geschwindigkeitsfluktuationen sowie die Skalenlängen der Inhomogenitäten invertieren. Die Berechnungen zeigten, dass die Varianz der Geschwindigkeitsfluktuationen etwa 5 Prozent beträgt und die Dimensionen der Inhomogenitäten im Bereich von 10 -15 m parallel zur Tunnelwand sowie ca. 5 m senkrecht dazu liegen. In einem ersten Interpretationsschritt wurden die Ergebnisse der seismischen Tomographien mit den kartierten geologischen Parametern der aufgefahrenen Vortriebsstrecken verglichen. Die meisten Übereinstimmungen ergaben sich zwischen den Kompressionswellengeschwindigkeiten und den mittleren Kluftabständen im Gneis (Abbildung 1). Eine 436 Abstracts Abbildung 1: Vergleich der Kompressionswellen- Geschwindigkeiten mit dem Kluftabstand (Aufsicht). Horizontale schwarze Linien stellen Kluftabstände in 50 cm Intervallen dar: Seitenstollen West (Bild unten), Einspurtunnel West (Bildmitte) und Ost (Bild oben). Die 0 m und 2 m Linien stellen die Position der rechten bzw. linken Tunnelwände der Stollen dar. Schwarze Rechtecke symbolisieren die kartierten mittleren Werte des Kluftabstandes. Abhängikeit zum Einfallen des Gneises konnte ebenfalls beobachtet werden. Webseite: http://www.gfzpotsdam.de/pb5/pb51/html/isis.htm Seismik 437 SMP07 Landerer, F., Müller, C., Bohlen, T. (IfG, Universität Kiel) Polarisationsattribute in der Vektormigration E-Mail: [email protected] Die Aufzeichnung von 3C-Daten bei seismischen Messungen erlaubt die vollständige Erfassung des im Untergrund reflektierten bzw. gestreuten Wellenfeldes. Sämtliche reflektierten Wellenmoden (Kompressions- und Scherwellen-, sowie konvertierte Moden) werden aufgezeichnet und können durch VektorPrestack-Migrationsverfahren an ihren Entstehungspunkt im Untergrund abgebildet werden. Ein wesentliches Problem bei der Migration seismischer Daten ist die Trennung der Wellenmoden (PP, PS, SS und SP); der sogenannte ’crosstalk’-Effekt (Hou & Marfurt, 2002) läßt im migrierten Bild neben dem korrekt wiedergegebenem Abbild des Untergrundes Energie fehlmigrierter Wellenmoden als ’Moden-Geister’ erscheinen. Diese Vieldeutigkeiten können reduziert werden, wenn die Schwingungsrichtung der einfallenden Wellen bei der Migration als Gewicht eingeht. In der bisherigen Implementierung z.B. der Polarisationsmigration (Duveneck et al., 2001) wird die als Gewicht verwendete Abweichung zwischen erwarteter und gemessener Schwingungsrichtung für den jeweiligen Bildpunkt sample-weise bestimmt. Stabiler und genauer läßt sich jedoch die Schwingungsrichtung eines Signals aus den Eigenvektoren der Kovarianzmatrix über ein Zeitfenster hinweg bestimmen. Die Eigenvektoren der Kovarianzmatrix definieren die drei Hauptachsen des momentanen (angenährten) Schwingungsellipsoiden. Die Polarisationsmigration wurde im Rahmen des am GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam entwickelten Integrierten Seismi- schen Imaging Systems (ISIS) (Borm et al., 2003) zur seismischen Erkundung im Tunnelbau implementiert und wird hier um die Analyse der erwähnten Kovarianzmatrix erweitert. Neben der Richtungsinformation bedarf es weiterer Kriterien, die die verschiedenen Wellenmoden während des Migrationsvorgangs korrekt voneinander trennen, um eine Fehlinterpretation des seismischen Abbildes zu vermeiden. Aus der Kovarianzmatrix lassen sich weitere Parameter ableiten, die die Qualität der Polarisation quantifizieren. Hierzu werden Polarisationsgüten wie z.B. der globale Polarisationskoeffizient oder die Rektilinearität, Ebenheit und Linearität des Polarisationsellipsoiden in einem Zeitfenster einer 3C-Spur ausgewertet; diese gehen dann als Amplitudengewichte im Sinne eines Polarisationsfilters in die Migration ein bzw. werden selber als Attribute migriert. Man erhält so einen weiteren Satz von Bildern, mit denen der geologische Untergrund interpretiert werden kann. Am Beispiel von FD-modellierten 3CDaten des vollständigen Wellenfeldes wird untersucht, wie sich mit Hilfe der Polarisationsattribute die ’crosstalk’-Effekte bzw. ’Geister’ im migrierten Bild reduzieren lassen. Weiterhin wird der Informationsgewinn durch die Migration von Polarisationsattributen diskutiert. 438 Abstracts Danksagung Diese Arbeit wird finanziell vom GeoFoschungsZentrum (GFZ) Potsdam unterstützt. Literatur Borm, G., Giese, R., Otto, P. (2003), Intergrated Seismic Imaging System for Geological Prediction Ahead of a Tunnel. 10th International Congress on Rock Mechanics. Sandton, South Africa. Duveneck, E., Müller, Cf., Bohlen, T. (2002), Imaging of Orebodies with a Polarization Stack Migration. Extended Abstract. EAGE 63rd Conference & Exhibition. Amsterdam, Netherlands. Hou, A., Marfurt, K.J. (2002). Multicomponent prestack depth migration by scalar wavefield extrapolation. Geophysics, 67(6):18861894. Seismik 439 SMP08 Bauer, K., Ryberg, T., Weber, M.H. (GFZ Potsdam) Monitoring von Dissoziationsprozessen in Gashydraten mittels Crosshole-Seismik E-Mail: [email protected] Im Winter/Frühjahr 2002 wurde im Mackenzie Delta in NW Kanada ein internationales Bohrprojekt zur Erforschung der Gashydrat-führenden Sedimente unterhalb von Permafrost durchgeführt. Hierbei waren sowohl wissenschaftliche Einrichtungen als auch Industriepartner aus insgesamt 7 Nationen beteiligt. Die eigentliche Hauptbohrung erfolgte durch eine 600 m mächtige Permafrostschicht bis 1200 m Tiefe. Die Gashydrate wurden dabei im Tiefenintervall zwischen 900 und 1100 m in mehreren, bis zu 20 m mächtigen Sedimentschichten angetroffen. Als Speichergesteine dienen fluviatile, deltaische Sande mit Porositäten zwischen 30 und 40 Prozent. Auf Grund der hohen Sättigung des Porenraumes mit Gashydrat (bis zu über 80 Prozent) gilt dieses Reservoir als eines der weltweit bedeutendsten Anreicherungen unter Permafrostbedingungen. Die gekernten Gashydratsedimente wurden hinsichtlich der gesamten Bandbreite von Fragestellungen der aktuellen Gashydratforschung untersucht. Ein umfangreiches geophysikalisches Messprogramm unter Ausnutzung der Hauptbohrung und zweier jeweils 42 m entfernter Beobachtungsbohrungen sowie oberflächenseismische Messungen ergänzten die Untersuchungen zur Charakterisierung der Gashydratzone. Eine wesentliche Zielsetzung des Forschungsprojektes war weiterhin die Durchführung von kontrollierten Experimenten zur Destabilisierung (Dissoziation) von Gashydraten mit Hilfe von Druckverminderung bzw. Temperaturerhöhung. Diese Experimente wurden durch verschiedene geochemische und geophysika- lische Messungen sowohl in-situ als auch im Labor sowie durch numerische Simulationsrechnungen begleitet. Zwischen den beiden Beobachtungsbohrungen wurden im Tiefenbereich zwischen 800 und 1160 m insgesamt 4 crosshole-seismische Experimente vor und während der thermischen Stimulationsversuche zur Dissoziation der Gashydrate durchgeführt. Die erste Vermessung erfolgte vor Beginn der eigentlichen Dissoziationsexperimente, um die Gashydratzone sowie die angrenzenden Sedimentschichten im Ausgangszustand seismisch abzubilden. Die thermische Stimulation wurde dann von der Hauptbohrung aus durchgeführt. Nach einer Aufheizphase wurden in-situ Temperaturen erzeugt, die theoretisch zur Destabilisierung und sukzessiven Dissoziation der Gashydrate führen sollte. Unmittelbar nach dem Erreichen der angestrebten Temperaturanomalie erfolgten 3 crosshole-seismische Wiederholungsexperimente. Dadurch sollten mögliche Veränderungen der seismischen Eigenschaften als Reaktion auf Dissoziationsprozesse detektiert und bei ausreichender Grösse räumlich und zeitlich abgebildet werden. In der Planungsphase des Projektes waren bereits Modelluntersuchungen hinsichtlich möglicher Effekte der Gashydratzersetzung auf die registrierten Wellenfelder durchgeführt worden. Nach dem Feldeinsatz wurden diese Tests mit modifizierten Modellen wiederholt, um bei realistischen Annahmen die zu erwartenden Effekte in den CrossholeDaten vorhersagen zu können. Die angenommenen Modelle stützen sich dabei auf indirek- 440 Abstracts te Informationen aus geochemischen Messungen sowie Ergebnisse aus petrophysikalischen Laborversuchen. Aus den Modellrechnungen wurde geschlussfolgert, dass nur sehr geringe Veränderungen in den Monitordaten zu erwarten sind. Bei Anwendung von herkömmlichen Auswerteverfahren liegen diese höchstwahrscheinlich unterhalb der Nachweisgrenze. Im weiteren wird versucht, Phasenverschiebungen der ersten P-Welle für eine Wellenformtomographie auszunutzen. Die zersetzte Zone soll dabei durch Differenzbildung der einzelnen Wellenform-Tomogramme detektiert werden. Als alternativen Ansatz versuchen wir, die an der Ober- und Unterkante der Dissoziationszone gestreuten und konvertierten Wellen zurückzuverfolgen. Diese Phasen eignen sich auf Grund ihrer separaten Lage im Seismogramm für eine qualitative Detektion sowie eine Bestimmung der oberen und unteren Begrenzung des seismisch veränderten Bereiches. Um die relativ schwachen Amplituden sichtbar zu machen, führen wir ein Modellbasiertes Prozessing auf der Grundlage von synthetischen Tests durch. Seismik 441 SMP09 Zetsche, F. (GFZ Potsdam), Weber, M. (GFZ Potsdam, Uni Potsdam), Ryberg, T., Schulze, A., Huenges, E. (GFZ Potsdam) Detektionsgrenzen geothermischer Injektionen - Das Fallbeispiel Gross Schönebeck E-Mail: [email protected] An einer wachsenden Zahl von Lokationen sind Anlagen zur Gewinnung von geothermischer Energie und von elektrischem Strom in Entwicklung. In einer Pilotstudie in Norddeutschland (Abb. 1, oben) wurde die seismische Detektionsgrenze für Fluidinjektionen mittels Oberflächenseismik bestimmt. Der erste Schritt war hierbei die Beobachtung einer Referenzreflexion von einem starken Reflektor (Anhydrit-Schicht in ca 2.6 km Tiefe, Abb. 1, unten) als Funktion der Zeit (über 2 Tage) und der seismischen Anregung (Industrie-Vibrator mit unterschiedlichen Frequenzen und Sweep-Dauer). Dieses Kalibrationsexperiment etablierte die Auflösungsgrenzen dieses Referenzreflektors unter realistischen Quell- und Empfängerbedingungen, sowie unter sich ändernden Umweltbedingungen wie Wetter, Tageszeit und cultural noise. In einem zweiten Schritt wurde mittels Finiter Differenzen (FD) Modellierung die relative Amplitude der Reflektion von einer Fluidinjektion in 3.8 km Tiefe (target area mit 7 bis 1100 m horizontaler Ausdehnung in Abb. 1, unten) zur Reflexion von der AnhydritSchicht (Adiff/Aref) bestimmt. Dies geschah sowohl für ein Target aus Wasser als auch für ein Target aus einer Mischung von Wasser und Sandstein, bei der die Mediumsparameter als Mittelwert der Parameter von Wasser und Sandstein angenommen wurde. Die im Feldexperiment beobachteten Noisebedingungen ergeben dann Untergrenzen für die Detektion eines Objekts mit 10 m Dicke und horizontaler Ausdehnung von x Metern in 3.8 km Tiefe. Unter der Annahme, dass die Fluid-Injektion ein solches Objekt erzeugt, ist bei guten Signal-Noisebedingungen zumindest die Injektion von 12.500 m3 Wasser für eine Detektion von der Oberfläche nötig (Abb. 2). Realistischere, aber immer noch optimistische Szenarien für eine Mischung aus Wasser und Sandstein erfordern Volumina die 10 mal größer sind. Ein Weg diese Detektionsgrenzen zu senken ist die Verwendung von größeren Quellen (mehrere Vibratoren) und mehr Empfängern. Der vielversprechendste Weg ist allerdings Quellen und Empfänger näher an das Target zu bringen, d.h. die Verwendung von Bohrlochinstallationen. 442 Abstracts Abbildung 1: (Oben) Untersuchungsgebiet (dunkles Rechteck) mit seismischer Quelle und Empfängern. Die seismische Quelle war ein Vibrator (165 kN effektive peak force) und die 50 Empfänger, jede bestehend aus 6 4.5 Hz Vertikal-Geophonen, standen 2270 bis 3770 m entfernt von der Quelle. GrSk 3/90 ist die Bohrlokation. (Unten) Experimentkonfiguration mit den wichtigsten geologischen Einheiten und einer Skizze der beobachteten Reflexion von der Anhydritschicht (volle Linie und graue Schicht) und der zu erwartenden Reflexion von der durch die Injektion von Wasser erzeugten target area (gestrichelte Line und schwarze Ellipse). Abbildung 2: Amplitude der vom Target (10 m dick) in 3.8 km Tiefe reflektierten P-Welle relativ zu der Referenz-Reflexion (2.6 km Tiefe, siehe Abb. 1, unten) als Funktion der horizontalen Ausdehnung x des Targets, abgeleitet aus synthetischen FD Modellierungen. Die schwarzen Symbole sind für ein Target aus Wasser, die offenen Symbole sind für ein Target aus einer Mischung aus Wasser und Sandstein. Ebenfalls gezeigt ist die klassische Fresnel-Zone für 10 Hz in TargetTiefe (λ/2 Kriterium). Am oberen Rand ist die Menge des Wassers gegeben, welche nötig ist um ein entsprechendes Target aus Wasser zu erzeugen. Die beiden horizontalen Linien sind die Auflösungsgrenzen für die besten und schlechtesten Noisebedingungen während des Feldexperiments. Seismik 443 SMP10 Mahanyele, P.J. (Council for Geoscience, RSA), Bauer, K. (GFZ Potsdam), Franke, D. (BGR Hannover), Schulze, A., Ryberg, T. (GFZ Potsdam), De Beer, C.H. (Council for Geoscience, RSA), Neben, S., Schreckenberger, B. (BGR Hannover), Stettler, E.H. (Council for Geoscience, RSA) How far to the south does the volcanic margin off Southwest Africa extend? An initial velocity model for the ocean-continent transition in the southern Cape Basin E-Mail: [email protected] The southwestern African margin, together with its South American counterpart, appears to represent a classical example of continental rifting and breakup associated with largescale, transient volcanism. In such settings, during rifting and the initial development of a new spreading centre, large volumes of igneous crust are formed as a consequence of the lithospheric extension and thinning, and subsequent decompressional melting of the upwelling mantle material. Active mantle plumes are considered as possible heat sources and driving forces for the breakup process and accompanying igneous activity in such regions. At the Namibian margin south of the Walvis Ridge, the ocean-continent transition exhibits this kind of anomalous igneous crust, as deduced from the integration of comprehensive geophysical data sets. Moreover, the extrapolation of the geophysical features suggests that thick igneous crust extends southward along the entire SW African margin, with a total length of more than 2000 km. This rather elongated distribution apparently contradicts the hypothesis that the Tristan da Cunha mantle plume manifested by the hot spot tracks of the Walvis Ridge and the Rio Grande Rise was the primary cause of the enhanced partial melting that generated the thick transitional and initial oceanic crust. To allow for a more quantitative evaluation of such evolutionary models of volcanic margin for- mation, the distribution and estimations of the total volume of igneous crust is of vital importance. Therefore, in April-May 2003 a new geophysical experiment was carried out at the western margin of the Republic of South Africa in order to test the proposed extrapolations from the Namibian margin, and to provide the necessary information for the mapping of igneous crust along the entire volcanic margin. The experiment included reflection and refraction seismic profiling off- and partly onshore, with traverses being surveyed parallel as well as perpendicular to the supposed ocean-continent boundary. Existing and new gravity and magnetic data measured on the ship complete the geophysical data sets in the study area. The initial data analysis concentrated on the velocity modeling for the Springbok profile which runs perpendicular to the coast, from about 400 km offshore, and extending 120 km on land in the area of the northern Namaqualand. Wide-angle refraction seismic data were collected by 5 ocean bottom hydrophones and 40 3-component seismometers onshore. Airgun shots were fired every 175 m generating signals which could be recorded at maximum distances of more than 250 km. Three borehole shots were also executed on land in an effort to determine the velocity of the uppermost layer. The initial data processing included deconvolution, 444 Abstracts bandpass filtering and picking of primary P wave arrivals. Ray-based forward calculations and damped least-squares inversion techniques were used to develop an initial velocity model for the Springbok profile. The upper sedimentary section consists of up to three layers, with a total thickness varying between 4 and 1 km offshore and velocities ranging between 1.8 and 5 km/s. On land, a 1 km thick sediment cover with velocities of about 4 km/s was determined. The crustal structure reflects the complete transition from normal oceanic, through transitional to continental crust. The transition zone exhibits maximum velocities of 7.1 km/s within the lower crust, where the total thickness of the crust below the marine sediments is not larger than 10 km. These observations apparently indicate that generally a smaller volume of igneous crust was formed during breakup when compared with the Namibian margin located closer to the ancient Tristan da Cunha plume. The crust thickens abruptly landward, with Moho depths varying from 20 km in the transition zone to more than 35 km on land. A prominent feature revealed in the continental crust is a narrow vertical structure with high velocities which is underlain by upwelling reflection structures in the lower crust. This region also coincides with a positive magnetic anomaly that follows the coast parallel to the strike of the Panafrican Gariep mobile belt. We speculate that the geophysical features represent relicts of the Proterozoic orogeny. These relicts were reactivated during the Mesozoic rifting and breakup. Seismik 445 SMP11 Netzeband, G.L., Gradmann, S., Graumann, S., Hübscher, C., Gajewski, D. (Institut für Geophysik, Universität Hamburg) Salt Tectonics in the Southern Levantine Basin (GEMME I) E-Mail: [email protected] The analysis of marine seismic data within the GEMME project is focussed on understanding the interaction of salt tectonics, sedimentation, sediment tectonics, and fluid migration. The study area is the Levantine Basin in the southeastern Mediterranean Sea, more accurately the transect between the Israeli continental margin and the Eratosthenes Seamount. During the Messinian Salinity Crisis significant amounts of evaporites and salt were deposited in this basin and later covered by Plio-Quarternary Sediments (PQS). Sediment transport and stratigraphy are investigated in particular (see Graumann et al., GEMME II). Also advanced processing methods, such as CRS-stacking, are applied to enhance the seimic imaging (see Gradmann et al., GEMME III). /par At the northern Israeli continental margin, the Messinian evaporites (ME) pinch out to the east under the continental slope. In this area the ME appear seismically transparent, a typical feature of ductile salt. Gravity and subsidence of the Levantine Basin cause the salt to flow basinwards. This resulted in extension in the overlying PQS, followed by block rotation. These faults penetrate all of the PQS to the seafloor, which indicates that salt tectonics are still active. The initial fault correlates to a prominent scarp at the seafloor as well as to a feature that resembles a turtle structure. The ME represent the gliding surface for the Palmahin Disturbance. Above steep faults at the southern shoulder of the Palmahim Disturbance coneshaped structures, presumably mud diapirs, have been observed. /par In the northern part of the central Levantine Basin the ME reveal a number of internal reflections. The reflection pattern is characteristic for ductile compression in the lower sector (e.g. buckle folds) and rigid compression (reverse faults, pop-up structures) in the upper sector. The internal reflections abate to the south, where the ME mainly show ductile buckle folds. These observations are typical for gravity glide shortening. The Eratosthenes Seamount represents the ’back stop’ for the north-west creeping ME. The accumulating evaporites form an escarpment. South of the seamount the ME have concentrated to a block of only 70 km length. Above the salt welds south of this block internal reflection amplitudes are significantly reduced, presumably because of fluids rising from Pre-Messinian depositions, which was previously inhibited by non-permeable ME. /par In cooperation with several French projects (PRISMED II, FANIL, SHALIMAR, BLAC, ECLIPSE Messin) the entire Levantine Basin is investigated, aiming at the comprehension of the dynamics of the ME in the entire basin. As the GEMME data represent the landward termination of the ME and are also the only data set of Israeli territorial waters, the GEMME data are of special importance. In cooperation with colleagues from Bremen (K. Huhn) and Potsdam (N. Kukowski) the discovered processes (Gravity Gliding Extension/Contraction) will be verified by numerical and analogue modeling. 446 Abstracts SMP12 Gradmann, S., Gajewski, D., Hübscher, C. (Institut für Geophysik, Universität Hamburg) CRS Imaging of Salt Tectonic Structures in the Southeastern Mediterranean Sea (GEMME I) E-Mail: [email protected] The recently developed CRS stacking method allows improved seismic imaging of geologically complex areas. The CRS method takes into account that the information from a single reflection element is distributed over several CMP gathers. Furthermore, it does not depend on a subsurface model and is therefore free of assumptions or interpretations made by the user during data processing. The CRS method proved to work well in areas where large parts of seismic energy is scattered or absorbed. The data examples presented originate from the Levantine basin where high resolution MCS data were collected during Meteor cruise M52/2 (GEMME project) in February 2002. In this region, a salt layer of several hundred meters thickness was deposited during the Messinian salinity crisis six million years ago. Due to subsidence of the Levantine basin and overburden of the prograding continental shelf, gravity gliding has set in. An extensional regime on the slope has led to large listric faults, whereas compressional patterns have formed further basinwards. (For detailed investigations on salt related structures and Plio-Quaternary depositional patterns see Netzeband et al. (GEMME I) and Graumann et al. (GEMME II).) The promising features of the CRS method suggest better imaging of these highly complex structures in the extensional and compressional regimes. Moreover, resolution of the internal layers of the Messinian evaporites, as well as tracing of subsalt reflectors and other deep Pre-Messinian structures were examined. The image quality of the geologically complex shelf was much improved in terms of reflection continuity and S/N ratio enhancement. Since quality and resolution of the prestack data were already excellent, CRS stacking was not able to improve the near surface image compared to conventional CMP stacking. Because of high frequency attenuation along the top of the Messinian evaporites (M-reflector), automatic CRS attributes analyis was difficult. Deeper reflections failed to yield reasonable CRS attributes because of insufficient moveouts. Therefore, interactive processing was necessary. Nevertheless, on layers beneath and inside the Messinian evaporites, the CRS stacks show good reflector continuity. The CRS method is able to enhance seismic images especially where data quality is poor. Strong lateral variations, however, still require user interaction. Seismik 447 SMP13 Graumann, S., Hübscher, C., Duong, Q.H. (Institut für Geophysik, Universität Hamburg), Betzler, C. (Geologisch-Paläontologisches Institut, Universität Hamburg) Post-Messinian Seismic Stratigraphy of the Israeli Continental Margin (GEMME II) E-Mail: [email protected] New high resolution seismic data of the southern Levantine basin and shelf allow to decipher the Plio-Quaternary sedimentary history of this passive continental margin. The major sediment source of this depositional system is the Nile river. Since the Pliocene, mainly Nile-derived clays and silts are transported and deposited north-eastward along the shelf through the anti-clockwise flowing current. However, the overall growth pattern of the sediment succession is still a matter of debate. The new dataset reveals an improved insight into the main sequences of the post-Messinian sediment cover that have been partially identified in the past. (1) In Sequence I (SI) Pliocene sediments overlie subparallel the top of the Messinian evaporites. A previous described onlap could not be confirmed. (2) Sequence II (SII) is lens-shaped and shows a chaotic reflection pattern. It has an extension of several tens of kilometres and is interpreted as a major mass transport deposit. Its extent and characteristics are comparable to the mass deposits of the Amazon fan. The lens thins to the North, West and East, suggesting derivation of the material from the South. Layers above and below SII with resembling patterns may indicate a periodically occurrence of similar mass waste triggering events. (3) Sequence III (SIII) represents a major episode of continental shelf progradation and aggradation, which began during the Pleistocene. South of the research area the sequence shows a seaward pointing sigmoidal progradational configura- tion with onlap, toplap and downlap reflection terminations. Beyond these observations, another conspicuous depositional pattern was detected. (4) In basinal settings, a sequence that onlaps the underlying SIII occurs. This sequence is not covered by each profile but can be followed over a distance of at least 10 kilometres. Additional Parasound (sediment echosounder) data provide information about the youngest sedimentary processes affecting the Levantine Shelf. In a water depth between 150 and 400 m, within the upper slope section, characteristic wavy features appear close to the coast and further seaward. They are presumably not current-induced but rather a product of instabilities along the slope. Internal geometries of some of these bodies indicate reactivation of older structures. Locally common slides in consequence of sediment overload are present along the entire margin. They are characterized by a slump scar on the upper end, a seismically transparent slump tail (extension) and slump head (compression) and a well layered part that remained internally uncontorted (translation). Tectonic and particulary salt tectonic features due to movements of underlying ductile Messinian evaporites are also discussed at this meeting that Netzeband et al. (GEMME I) and Gradmann et al. (GEMME III; both this volume) were concerned with. 448 Abstracts SMP14 Wichert, S., Helwig, S.L., Tezkan, B. (Köln, Institut f. Geophysik und Meteorologie), Rüter, H. (Köln, HarbourDom GmbH) Oberflächennahe Reflexionsseismik mit einem Vibrations-Stampfer E-Mail: [email protected] Ziel der oberflächennahen Reflexionsseismik ist eine hohe vertikale und horizontale Auflösung der geologischen Strukturen in einem Tiefenbereich bis zu einigen hundert Metern. Dies erfordert den Einsatz geeigneter seismischer Quellen. Nach Gaertner und Schuck (2001) sind an eine solche Quelle die folgenden Forderungen zu stellen: Ein Problem ist jedoch, dass alle genannten Quellen gegen mindestens eines der oben genannten Kriterien verstoßen. Sie sind entweder relativ schwach, unhandlich und/oder teuer. Als mögliche Lösung bietet sich ein handelsüblicher Vibrations-Stampfer als Quelle an, wie er im sogenannten Mini-Sosie Verfahren (Barbier 1983) verwendet wird. Beim diesem Verfahren erfolgt die Anregung in einer Serie von n zeitlich unregelmä• hohe Mobilität ßigen Impulsen und läßt sich wie folgt darstel• ein günstiges Nutz/Störverhältnis gegen- len: über auftretenden kohärenten Störwellen n (Oberflächenwellen,Luftschall) y(t) = ∑ δ(t − ti ) i=1 • ein breitbandiges Spektrum des angeregten Signals • eine geringe Umweltbelastung Zusätzlich dürfen die Kosten für entsprechende Messungen nicht zu hoch werden, um gegenüber anderen Methoden konkurrenzfähig zu bleiben. Um all diesen Anforderungen zu entsprechen musste die seismische Ausrüstung einerseits immer kompakter und beweglicher werden, andererseits setzten sich, im Gegensatz zur klassischen sprengseismischen Anregung, in der oberflächennahen Reflexionsseismik sprengstofflose Quellen durch. Heute benutzte Quellen sind z.B. Minivibratoren, Fallgewichte (beschleunigt und unbeschleunigt), Schußquellen (z.B. SISSY) oder, im Fall von geringen Erkundungstiefen unter 100m, die Anregung durch Hammerschlag. Die Gesamtzeit tn der Impulsfolge ist dabei deutlich größer als die Laufzeit T der tiefsten Reflexion während das Zeitintervall zwischen den einzelnen Impulsen deutlich kürzer ist. Zahl und Abstand der Impulse werden so gewählt, dass die Autokorrelation der Impulsfolge im wesentlichen ein Zentralpeak der Amplitude n ist, umgeben vom sog. Korrelationsrauschen mit Amplitude n . Das Verhältnis n /n gibt dabei das Signal-zuRausch-Verhältnis der Korrelation an. Die an die Erde übertragene Anregung a(t) setzt sich zusammen aus einer Faltung der Pulsfolge y(t) mit der Signatur der seismischen Quelle s(t), da die Quelle keine exakt pulsförmigen Signale erzeugen kann. Es gilt: a(t) = s(t) ∗ y(t) Seismik 449 Die am Geophon aufgezeichnete Zeitreihe Das gewonnene Korellogramm kann somit g(t) setzt sich ihrerseits zusammen aus der als Seismogramm im üblichen Sinne aufgeFaltung der Anregungsfunktion mit der Impul- faßt werden. santwort der Erde i(t). Messungen mit dem Mini-Sosie-Verfahren werden z.B. in Australien intensiv bei der g(t) = s(t) ∗ y(t) ∗ i(t) Kohle-Exploration eingesetzt. In der hier Für die Auswertung wird dieses Signal wie gezeigten Studie wird untersucht wie sich beim Vibroseis-Verfahren mit der Impulsfolge die Quelle möglichst unproblematisch mit der Anregung kreuzkorreliert, üblichen seismischen Registrierapparaturen kombinieren läßt. Dazu muss kein Vibrationsf (t) = g(t) ⊕ y(t) = s(t) ∗ AKF(y(t)) ∗ i(t) Stampfer gekauft werden. Er kann in jedem Baugeräteverlei zu sehr günstigen Konditiowobei AKF(y(t)) = y(t)⊕y(t) die Autokor- nen ausgeliehen werden. Zur Benutzung muss relation der Impulsfolge ist. Unter der Bedin- lediglich eine kleine Sensorbox angeschraubt gung, dass die AKF(y(t)) im wesentlichen ein werden und das Gerät ist in wenigen Minuten Peak mit sehr geringem Korrelationsrauschen als Quelle einsatzfähig. ist kann sie vernachlässigt werden (Barbier, Viallix, 1973). Diese Bedingung ist bei KorelLiteratur lationslängen von ca. 10s bereits sehr gut erBarbier, M.G., Viallix, J.R.: “Sosie: A new füllt. Es gilt: tool for marine seismology”, Geophysics, Vol. f (t) = s(t) ∗ i(t) Abbildung 1: Wacker BS 600 VibrationsStampfer 38, No. 4 (August 1973) Barbier, M.G.: “The Mini-Sosie Method”, 1983 Gaertner, H., Schuck, A.: “Reflexionsseismische Erkundung des oberflächennahen Untergrundes für Exploration, Baugrunduntersuchungen und bei Umweltproblemen”, DGG Kolloquium “Interpretation reflexionsseismischer Messungen”, Sonderband II, 2001 SO Seismologie Seismologie 451 SO01 – Mo.,08.3.,11:00-11:20 Uhr · H0104 Heuer, B., Geißler, W. H. (GFZ Potsdam), BOHEMA working group The Earth’s crust and upper mantle beneath the Western Bohemian Massif - structures derived from Receiver Functions E-Mail: [email protected] The Bohemian Massif is the largest coherent surface exposure of basement rocks in Central Europe. It was consolidated during the Variscan orogeny. Irregular shapes of colliding blocks resulted in a very complex structure of the Palaeozoic convergence, lithospheric subductions and crustal shortening, which were followed by extensional processes and rifting. There seem to exist tectonomagmatic processes of interaction between the Earth’s crust und upper mantle in the crossing area of the Cenozoic Eger rift and the Marianske Lazne fault zone, resulting in periodically recurring swarm earthquakes at depths of 6 to 12 km, fluid emanations from the upper mantle and neotectonic crust movements. So, among important questions which remain unsolved, is the relation between near surface structures and the structure of the deep lithosphere. crustal source of the CO2 dominated gas emanations in mineral springs and mofettes at surface. We want to either confirm or deny the existence of a hypothetical active asthenospheric mantle finger beneath the western part of the Bohemian Massif. Therefore between the end of 2001 until 2003 84 temporary seismic stations were deployed by French, Czech and German institutions in addition to about 60 stations of already existing permanent Czech and German seismic networks in the area. The station distribution is shown in figure 1. First results of the receiver function investigation show a reduction of the crustal thickness in the area of CO2 emanations from 31 to 27 km. In the same area P-SV conversions at 6 s delay time are observed which might be caused by local seismic discontinuities in approx. 50 km depth or by small scale low velocity zones in the Earth’s crust just below seismogenic depths. Furthermore we found slightly delayed conversions from the 410 and 660 km discontinuities compared to the model iasp91. This can be indicative for reduced seismic velocities in the upper mantle. The data also show an interesting northward dipping structure which might be a remainder of a palaeosubduction zone. BOHEMA (BOhemian Massif Anisotropy and HEterogeneity) is a passive seismic experiment in the western part of the Bohemian Massif which is carried out in an international effort by various institutions in the Czech Republic, France and Germany. Its scientific aim is to use all available techniques such as high-resolution tomography, receiver function analysis and 3D anisotropy studies to image Web page: http://www.gfzthe crust and upper mantle to depths of about potsdam.de/pb2/pb24/projects/bohema/ 250 km. The investigation of crustal and upper mantle xenoliths will add petrological information. Results of the experiment will shed light on possible causes of the periodically recurring earthquake swarms as well as on a sub- 452 Abstracts Figure 1: Distribution of the permanent and temporary seismological stations whose data is used in the BOHEMA project Seismologie 453 SO02 – Mo.,08.3.,11:20-11:40 Uhr · H0104 Diehl, T., Ritter, J.R.R. (Karlsruhe, GPI) Die Krustenstruktur Südost-Rumäniens aus der Analyse teleseismischer Receiver Funktionen. E-Mail: [email protected] Zwischen Mai und November 1999 wurde im Südosten Rumäniens das CALIXTO99Experiment im Rahmen des SFB461 ”Starkbeben” durchgeführt. Das Ziel war Registrierungen lokaler und teleseismischer Erdbeben zu gewinnen, um die Struktur der Kruste und des oberen Erdmantels in der Vrancea Region zu bestimmen. Bei CALIXTO99 wurden 120 mobile Registriereinheiten zwischen den Permanentstationen in dieser Region installiert. Zusätzlich standen die Daten der permanenten GEOFON-Station MLR zur Verfügung, welche sich im südöstlichen Teil des Karpatenbogens befindet. Neben den bisherigen Ergebnissen aus der Laufzeittomographie, wurde nun der Datensatz mit der Methode der Receiver Funktionen (RF) analysiert. Dieses Verfahren beruht auf der Kopplung von P- und S-Welle und deren Konversion an einem seismischen Geschwindigkeitskontrast. Nach der Rotation in das Strahlkoordinatensystem und einer Dekonvolution zur Entfernung der Herdfunktion, bilden sich die konvertierten Ps-Phasen auf der radialen Komponente ab. Die Receiver Funktionen können dann sowohl zur Untersuchung von Krusten- als auch von Mantelstrukturen eingesetzt werden. Zur Bestimmung der Krustenmächtigkeit wurde hier das Grid-Search-Verfahren nach Zhu und Kanamori (2000) auf die radialen Receiver Funktionen angewandt. Um die Stabilität und die Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse zu überprüfen, wurde anschließend eine BootstrappingAnalyse und eine Modellierung der Wellenformen durchgeführt. Zusätzlich wurden die Re- sultate mit dem bisherigen Krustenmodell der Region verglichen, welches vor allem auf den beiden refraktionsseismischen Experimenten VRANCEA99 und VRANCEA01 beruht. Als Ergebnis finden wir für Station MLR eine Mohotiefe von 45.7 km und ein mittleres Vp/Vs-Verhältnis innerhalb der Kruste von 1.79. Außerdem zeigen die Receiver Funktionen dieser Station deutliche azimutale Effekte, die wir den tiefreichenden Sedimentpaketen im Bereich der Vortiefe zuordnen. Der Einfluss dieser Sedimentstrukturen spiegelt sich teilweise auch in den Ergebnissen der CALIXTO99-Stationen wider. Der Vergleich mit den refraktionsseismisch bestimmten Krustenmodellen des SFB461 ergibt in vielen Bereichen übereinstimmende Mohotiefen. Andererseits zeigt sich, dass die Konversionsschichten aus der RF-Analyse in den Bereichen mit komplexen Krustenstrukturen (vor allem Sedimenten) nicht immer eindeutig der Moho zuzuordnen sind. 454 Abstracts SO03 – Mo.,08.3.,11:40-12:00 Uhr · H0104 Li, X., Kind, R., Yuan, X., Wölbern, I., Hanka, W. (GFZ Potsdam) Rejuvenation of the lithosphere by the Hawaiian plume E-Mail: [email protected] Thickness of oceanic lithosphere increases with distance from the ocean ridge due to cooling. If the lithosphere overrides a mantle plume, it will be modified. Several models exist describing the interaction of a plume with the lithosphere. However, up until now, seismic imaging techniques did not have sufficient resolution to distinguish between the models. We applied the S receiver function technique to data of three permanent seismic broadband stations on the Hawaiian islands to map the thickness of the lithosphere in unprecedented detail. Under Big Island the lithosphere is 100 -110 km thick, as expected for a 90-100 Myr old oceanic plate not modified by a plume. From here it thins gradually along the island chain to about 50-60 km below Kauai. The lithosphere shows normal thickness beyond about 150 km NE and SW of the island chain, still well within the region of the topographic swell. Our data favour the rejuvenation model, in which the plume returns the lithosphere to conditions existing close to its origin at the mid ocean ridge. The maximum observed rejuvenation of the lithosphere at Kauai is delayed by about 34 Myr (the approximate age difference between Big Island and Kauai) and its thickness is nearly halved within that time. Seismologie 455 SO04 – Mo.,08.3.,12:00-12:20 Uhr · H0104 Wölbern, I. (GFZ Potsdam), Jacob, A.W.B., Blake, T.A. (Dublin, DIAS), Kind, R., Li, X., Sobolev, S.V. (GFZ Potsdam), Duennebier, F. (Honolulu, Univ. of Hawaii), Weber, M. (GFZ Potsdam) Spuren des Hawaii-Plumes im oberen Mantel abgeleitet aus konvertierten Phasen E-Mail: [email protected] Die seismischen Diskontinuitäten des oberen Mantels unter dem Gebiet von Hawaii wurden mit der Methode der Receiver Functions auf nachweisbare Einflüsse aufsteigenden heißen Materials untersucht. Tiefenvariationen der bekannten Diskontinuitäten erlauben Rückschlüsse auf die Position und Lage des Hawaii-Plumes. Das Hawaii-Plume-Projekt ist eine Kooperation des GeoForschungsZentrums (GFZ), Potsdam mit dem Dublin Institute for Advanced Studies (DIAS) und der University of Hawaii. Dazu wurden mobile Breitbandstationen über einen Zeitraum von etwa 2 Jahren auf den vier größten der Hawaii-Inseln betrieben. Zur Auswertung standen zusätzlich Daten permanenter Stationen zur Verfügung. Unter den Stationen wurden zunächst Krustenmächtigkeiten zwischen 10 km und 16 km bestimmt. Die Identifizierung der Mohokonvertierten erwies sich dabei im südöstlichen Bereich des Messgebietes als schwierig wegen des Auftretens einer starken Phase, deren Ursprung innerhalb der Kruste liegt. Die Lithosphären-Asthenosphären-Grenze ist im Messgebiet deutlich ausgeprägt und erzeugt daher starke Konversionen. Die Mächtigkeit der Lithosphäre wurde im Südosten auf bis zu 90 km bestimmt, nimmt jedoch unter Oahu und weiter nordwestlich auf ca 60 km ab. Unterhalb von Big Island tritt Region partieller Schmelze in etwa 140 km Tiefe auf. Die Datenbasis des temporären Projektes er- laubt hier eine detailiertere Bestimmung der Position als bisher. Die Diskontinuitäten der Mantelübergangszone in 410 km und 660 km Tiefe sind in Hinblick auf Plumeeinflüsse von besonderem Interesse. Wegen der DruckTemperatur-Abhängigkeit der ihnen zu Grunde liegenden Mineralphasenübergänge führt heißes Material zu einer deutlichen Veränderung ihrer Tiefe. Die Studie führt auf eine Unterteilung des Untersuchungsgebietes in drei verschiedene Zonen. Der Plume steigt demnach südwestlich von Big Island auf, wo eine deutliche Ausdünnung der Übergangszone auftritt, während südöstlich von Big Island keinerlei Einflüsse nachweisbar sind. Im restlichen, älteren Teil der Inselkette hingegen weisen beide Konvertierten aus 410 km und 660 km Tiefe Verzögerungen auf, welche auf eine reduzierte SWellengeschwindigkeit im darüber liegenden Mantel zurückgeführt werden. Darüber hinaus wurde der oberste Teil des unteren Mantels untersucht, wo ebenfalls Hinweise auf plumebedingte sowie weitere tiefere Strukturen gesehen wurden. Die Ergebnisse des Projektes untermauern somit die Annahme einer Quellregion des Hawaii-Plumes im tiefen unteren Mantel und weisen auf eine geneigte Lage des Plumeschlauches hin. Webseite: http://www.gfzpotsdam.de/pb2/pb24/geofon/hawaii/ 456 Abstracts SO05 – Mo.,08.3.,12:20-12:40 Uhr · H0104 Hoffmann, M., Eckstaller, A., Jokat, W., Miller, H. (AWI-Bremerhaven) Untersuchung der Krustenmächtigkeit im Bereich des westlichen Dronning Maud Landes – Vorstellung der vorhandenen Daten aus Seismik und Seismologie E-Mail: [email protected] Der westliche Teil des in der Antarktis gelegenen Dronning Maud Landes (DML) besteht hauptsächlich aus dem Archaischen Grunehogna Kraton und der Grenvilleschen (1,1 Ga) Maud Provinz. Der größte Teil dieses Gebiets ist mit Eis bedeckt. Stellen, an denen Gestein an der Oberfläche ansteht, sind die Gebirgszüge Heimefrontfjella, Kirvanveggen und Sverdrupfjella. Dieser westliche Teil des Ostantarktischen Orogens ist die südliche Fortsetzung des Panafrikanischen Orogens, welcher während der Kollision von Ost und West Gondwana entstanden ist (Panafrikanische Orogenese, ca. 550 Ma). Der metamorphe Komplex im Gebiet der Heimefrontfjella wird durch eine Scherzone geteilt (Heimefrontfjella Scherzone). Diese steil einfallende, Nord–Ost laufende, dextrale Störung separiert zwei Regionen mit unterschiedlicher tektonischer Beanspruchung: auf der Nord– West Seite die Vardeklettane und Kottas Terrane, bestehend aus Grenvillescher Kruste und auf der Süd–Ost Seite die Sivorgfjella Terrane, bestehend aus stark Panafrikanisch tektonisch und thermisch überprägter Kruste. Die Struktur von Kruste und Mantel des westlichen Dronning Maud Landes ist kaum bekannt. Besonders von Interesse ist die Zusammensetzung der tieferen Strukturen im Bereich der oben beschriebenen geologischen Grenzen. Zur genaueren Untersuchung dessen, wurden während einer Antarktisexpedition im Sommer 2002/2003 ein temporäres Seismometer Netzwerk errichtet. Bestehend aus fünf Seismometern, aufgestellt entlang einer 250 km langen Linie und die Heimefront Scherzone überquerend, zeichneten diese zwei Monate lang die Bodenunruhe erzeugt von lokalen, regionalen und teleseismischen Ereignissen auf. Zusätzlich ist ein permanent registrierendes Seismometer auf der KohnenStation (ca. 75◦ S, 0◦ E) aufgebaut worden. Die kombinierte Auswertung der temporären Stationen (Receiver Function Analysis) zusammen mit den seismologischen Registrierungen des Neumayer Netzwerks und der südafrikanischen Station SANAE IV, erlauben erstmals eine flächige Darstellung der Moho– Tiefe in diesem Gebiet. Weitere Untersuchung der Daten hinsichtlich der seismischen Anisotropie lassen Aussagen über die vergangenen und derzeitigen Spannungszustände in der Erdkruste treffen. Das seismische Detektionsarray auf der Neumayer–Station liefert Anzeichen für eine lokale Seismizität, vor allem im Bereich des Jutulstraumen–Eisstroms. Die Untersuchung von Herdtiefen und Herdmechanismen sollen Aufschluß darüber ergeben, ob es sich um echte tektonische Beben handelt (d.h., ist die Jutul–Penck Grabenstruktur tektonisch aktiv?) oder um Eisbeben innerhalb und am Boden des Eisstroms. Vorläufige Ergebnisse der Auswertung von refraktionsseismischen Profilen, welche senkrecht über die Heimefront Scherzone laufen, zeigen deutlich Unterschiede in den Krustendicken: 42 km im Nordwesten und 50 km im Südosten. Übereinstimmend mit den Ergebnissen aus den seismologischen Registrierun- Seismologie 457 Abbildung 1: Westliches Dronning Maud Land: Lage des Untersuchungsgebiets in der Antarktis, Lokation der Seismometer (Dreiecke) und der seismischen Profile. gen zeigt sich, daß die Heimefrontfjella Scherzone auch hinsichtlich der Krustenentwicklung und –zusammensetzung eine Grenze darstellt. Eine umfassende Interpretation der seismischen mit den Potentialfelddaten (Aerogravimetrie, – magnetik) erlauben die Entwicklung eines ersten 3D–Untergrundmodells. 458 Abstracts SO06 – Mo.,08.3.,12:40-13:00 Uhr · H0104 Thorwart, M., Dahm, T. (Universität Hamburg) Wellenfeldzerlegung von seismischen Ozeanbodendaten zur Verbesserung von Receiverfunctions E-Mail: [email protected] Die Methode der ”Receiverfunction” wird mit Landstationen erfolgreich angewendet. An Hand der Ankunftszeiten von konvertierten Phasen können Tiefe und Verlauf der Moho, der 400km- und der 660km- Diskontinuität verfolgt werden. Auf Grund der ungünstigen Landmassenverteilung der Erde ist es erforderlich, in Zukunft vermehrt Daten von Stationen aus ozeanischen Gebieten zu verwenden. ”Receiverfunctions” von Ozeanbodenstationen sind im Gegensatz zu Landstationen stark von den multiplen Reflexionen in der Wasserschicht geprägt, da diese eine andere Polarisation besitzen als die direkte P-Phase. Außerdem klingen die multiplen Reflexionen nur langsam ab. Die konvertierten Phasen der Abbildung 1: Receiverfunctions von synthetischen Daten für eine Ozeanbodenstation. Die Spuren sind für die Konversionen an den 400km und 660km Diskontinuitäten NMOkorregiert (vertikaler Einfall). Auf den einzelnen Spuren sind vor allem die multiplen Reflexionen zu sehen, die konvertierten Phasen aber nicht. Aufgrund der NMO-Korrektur sind sie auf der Summenspur Σ zu sehen. Diskontinuitäten sind kaum erkennbar, wie in dem synthetischen Beispiel in Abb. 1 zu sehen ist. Nur auf der Summenspur Σ über die NMO-korregierten Spuren kann man die Konversionen erkennen. Mit Hilfe einer Wellenfeldzerlegung ist es jedoch möglich, die multiplen Phasen zu unterdrücken bzw. abzuschwächen. Die interessierenden konvertierten Phasen können dadurch sichtbar gemacht werden (Abb. 2). Präsentiert werden die Theorie der Wellenfeldzerlegung, die an Hand von synthetischen und wenn möglich realen Daten besprochen wird. Abbildung 2: Receiverfunctions von synthetischen Daten für eine Ozeanbodenstation nach der Wellenfeldzerlegung. Die Spuren sind für die Konversionen an den 400km und 660km Diskontinuitäten NMO-korregiert (vertikaler Einfall). Die multiplen Reflexionen sind abgeschwächt. Die Konversionen sind auf den Einzelspuren zu erkennen. Seismologie 459 SO07 – Di.,09.3.,09:30-09:50 Uhr · H0104 Wenzel, F., Bonjer, K.-P. (Geophysical Institute, Karlsruhe), Fiedrich, F. (Institute for Technology and Management in Construction, Karlsruhe), Lungu, D. (UTCB/INCERC Bucharest), Marmureanu, G. (NIEP, Bucharest), Wirth, W. (Geophysical Institute, Karlsruhe) Real-Time Earthquake Information Systems E-Mail: [email protected] Analysis of recent large-scale earthquake disasters indicates that shortcomings in availability of information before, during and after a catastrophe aggravate the impact of earthquakes significantly. It thus becomes important to develop an information infrastructure for disaster management that provides rapid information before, during and after a disaster. In terms of a temporal hierarchy this starts with literal early warning a few seconds before the disaster strikes. Then shakemaps provide near real-time information on the level of ground motion within minutes. As a next step damage estimates are provided based on previously developed models of vulnerability. These projections are continuously updated by observations from the field (air borne photos, ground reports, etc.). Earthquake early warning systems have the inherent weakness of short warning times. They usually amount to not more than a few seconds. Under favourable circumstances their time can be extended to half a minute (Bucharest) or even to a minute (Mexico City). Despite of the short warning times a number of potential applications can be specified. The routine based generation of so-called ShakeMaps - maps of ground motion parameters that are available within minutes after an earthquake - in Southern California is one of the most recent developments in real-time seismology. ShakeMaps provide rapid information on ground shaking parameters in a specified area. The area of a ShakeMap can be national, regional and urban. The parameters that quantify ground shaking are intensity, horizontal peak ground acceleration (PGA) and -velocity (PGV), and spectral values of acceleration at specified periods. As site effects play a critical role in the spatial distribution of ground shaking, their understanding and quantification appears to be critical for the design of a ShakeMap. The key to a ShakeMap as well to an early warning system is seismological instrumentation and real-time communication. A further step consists in the projection of damage due to ground shaking. This can be done with damage estimation tools, usually requesting a database of buildings and infrastructure and associated vulnerability functions. The presentation shows how progress on each of the three components of a real-time earthquake information tool has been achieved for the Romanian capital of Bucharest within the Collaborative Research Center 461 ’Strong Earthquakes’. Web page: http://www-sfb461.physik.unikarlsruhe.de 460 Abstracts SO08 – Di.,09.3.,09:50-10:10 Uhr · H0104 Böse, M. (Karlsruhe, Institut für Geophysik), Erdik, M. (Istanbul, Bogazici University), Wenzel, F. (Karlsruhe, Institut für Geophysik) Erdbeben-Frühwarnung unter Verwendung künstlicher neuronaler Netze E-Mail: [email protected] Erdbeben stellen in seismisch aktiven Gebieten sowohl für die Bevölkerung als auch für industrielle Anlagen eine große Bedrohung dar. Sie fordern weltweit jedes Jahr hunderte bis tausende Tote und Verletzte und verursachen Schäden in Millionenhöhe, welche oftmals länderübergreifende Auswirkungen haben. Damit zählen Erdbeben neben Stürmen, Überschwemmungen und Vulkanausbrüchen zu den Naturkatastrophen mit höchstem Zerstörungspotential überhaupt. Die rasche Urbanisierung und industrielle Entwicklung in Gebieten hoher seismischer Gefährdung erhöhen dieses Risiko zusätzlich. Da die Erdbebenvorhersage trotz intensiver Forschung bis heute ein unerreichtes Ziel bleibt, gewinnen Erdbeben-FrühwarnSysteme in der seismischen Risikoverminderung zunehmend an Bedeutung. Ein Erdbeben-Frühwarn-System (EWS) kann dabei als wichtige Komponente eines größeren Informationssystems angesehen werden, die noch vor der flächenhaften Abschätzung der Bodenbewegung in Form der sog. Shakemap erste Informationen über ein Erdbeben bereitstellt. Die Erstellung von Prognosen der Bodenbewegungen in einer Region als Folge eines Erdbebens ist ein Grundproblem der seismischen Gefährdungsanalyse und Schadensreduktion. Sie stellt einen zentralen Punkt im Sonderforschungsbereich (SFB 461) „Starkbeben - von geowissenschaftlichen Grundlagen zu Ingenieurmaßnahmen“ an der Universität Karlsruhe dar. Die Idee einer Frühwarnung vor Erdbeben ist schon weit über ein Jahrhundert alt (Cooper, 1868), die Voraussetzungen für ihre Durchführbarkeit wurden aber erst in den letzten Jahren mit entscheidenden Entwicklungen im Bereich der Echtzeitdatenverarbeitung und Datenfernübertragung geschaffen. Erdbeben-Frühwarn-Systeme basieren auf der Tatsache, dass sich seismische Wellen mit deutlich geringerer Geschwindigkeit ausbreiten, als eine Warnung vor diesen unter Verwendung moderner Telemetrie-Anlagen übermittelt werden kann. In Abhängigkeit von der Entfernung des Erdbebens beträgt die Vorwarnzeit zwar nur einige zehn Sekunden, aber dennoch sind inzwischen Technologien vorhanden, durch welche innerhalb kürzester Zeit automatisch auf bevorstehende Gefahren reagiert und damit weiterer Schaden abgewendet werden kann. Dazu zählen Systeme, die neben dem gesicherten Abbremsen von Zügen und der Unterbrechung der Gaszufuhr z.B. auch das kontrollierte Herunterfahren von Hochenergie-Anlagen erlauben. Der unterschiedliche Kostenaufwand bzw. Nutzen der verschiedenen ReaktionsAutomatismen erfordert ein individuelles Maß an Zuverlässigkeit der Warnung. Wünschenswert sind daher Systeme, die bereits aus dem Ersteinsatz der seismischen Wellen, die an den EWS-Stationen aufgezeichnet werden, die zu erwartende Bodenbewegung in der gefährdeten Region abschätzen und u.U. gleichzeitig bereits Unsicherheiten bei dieser Vorhersage prognostizieren können. Dabei sind die Starkbeben-Parameter zur quanti- Seismologie tativen Beschreibung der Bodenbewegung wie Spitzen-Bodenbeschleunigung (PGA), seismische Intensität oder Response-Spektren in hochgradig nicht-linearer Weise von der Magnitude und Entfernung des Bebens und weiteren Parametern abhängig, welche die Erdbebenquelle, den Ausbreitungsweg der seismischen Wellen und lokale Standorteffekte beschreiben (Kramer, 1996). Die bislang eingesetzten Erdbeben-FrühwarnSysteme in Japan, Mexiko, Kalifornien und Taiwan gehen bei der Prognose der Starkbeben-Parameter indirekt vor, indem sie zunächst Lokation und Magnitude des Bebens schätzen und anschließend unter Verwendung empirischer Abklingrelationen die Untergrundbewegung in der gefährdeten Region vorhersagen. Wir wollen ohne den expliziten und aufwendigen Umweg über Magnitudenbestimmung und Lokalisierung die Bodenbewegung direkt aus den Einsätzen an den EWS-Stationen schätzen und damit kostbare Zeit für die Frühwarnung gewinnen. Dazu verwenden wir als statistisches Modell künstliche neuronale Netze, die aufgrund schneller Datenverarbeitung, Berücksichtigung nicht-linearer Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsparametern und der Möglichkeit, verrauschte Daten sinnvoll zu verarbeiten, besonders attraktiv für Frühwarn-Systeme sind. Am Beispiel des Stationsnetzes des Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning (http://www.koeri.boun.edu.tr/depremmuh/EWRR/EWRRMain.htm) Systems in der Türkei, welches unter Leitung des Kandilli Observatoriums seit Oktober 2002 für Forschungszwecke in Betrieb ist, soll die Vorgehensweise unserer Methode demonstriert werden. Wir werden die iterative Verbesserung der Vorhersage der Bodenbewegung unter Hinzunahme mehrerer EWS-Stationen 461 diskutieren und Möglichkeiten aufzeigen, den Prognosefehler abzuschätzen. Dabei ist die Berücksichtigung der Bruchrichtung und der hiervon abhängigen Variation der Untergrundsbewegung in Istanbul von zentraler Bedeutung. Literaturverzeichnis: Cooper, J.D., Letter to editor, San Francisco Daily Evening Bulletin, Nov.3, 1868. Kramer, S.L., Geotechnical earthquake engineering, Prentice-Hall civil engineering and engineering mechanics series, 1996. 462 Abstracts SO09 – Di.,09.3.,10:10-10:30 Uhr · H0104 Joswig, M. (Universität Stuttgart), Wust-Bloch, G. H. (Tel Aviv University) Nanoseismic monitoring of sinkhole collapses at the Dead Sea E-Mail: [email protected] The sudden failure of near-surface cavities resulting in the development of sinkholes along the shores of the Dead Sea is a recent hazard affecting the populations, lifelines and the economy of the region. A series of new techniques have been developed in order to allow for the continuous nanoseismic monitoring and analysis of these subsurface processes. This innovative approach integrates Seismic Navigating Systems (SNS) together with the SparseNet modules for interactive and automated seismogram analysis (Joswig, SRL 1999), originally designed for seismic discrimination purposes. During sinkhole collapse extremely lowenergy signals (Ml < -2.0) are triggered by material failure occurring in highly layered but inhomogeneous unconsolidated material. The detection of these signals with a priori unknown signature at reasonable distances (dozens to hundreds of meters) is a challenge for noise discrimination. In order to locate signals by simultaneous determination of suited half-space velocity (some 300-500 m/s), it is necessary to down-scale techniques previously developed for the analysis of local seismic events. Extended results of monitoring will be presented. The event signatures are compared to signals from calibration events under controlled conditions. Different to seismology, these experiments can be performed at site and with matching energy release. Impact events to solid ground and into water can be discriminated, with clear clustering of both populations in space and time, and align- ment along observed sinkhole lines in airborne photographs. Web page: http://www.geophys.unistuttgart/ joswig Seismologie 463 SO10 – Di.,09.3.,10:30-10:50 Uhr · H0104 Scherbaum, F. (Potsdam), Cotton, F. (Grenoble), Smit, P. (Zürich) On the use of response spectral reference data for the selection of ground motion models for seismic hazard analysis: the case of rock motion E-Mail: [email protected] The use of empirical ground motion models to predict ground shaking has become a very popular approach for seismic hazard assessment. Due to the large number of existing published ground motion models, the process to select appropriate models for a particular target area often poses serious practical problems. Here we show how observed ground motion records can help to guide this selection process in a systematic and comprehensible way. The approach is based on measuring the goodnessof-fit of each candidate model to the observed response spectra using a combination of different goodness-of-fit measures. A key element in this context is a new, likelihood based, goodness-of-fit measure which has the property to not only quantifiy the model fit but also to measure to some degree how well the underlying model assumptions are met. By design it naturally scales between 0 and 1 and hence avoids some of the well known scaling problems of conventional statistical significance tests. Based on tests to recognize a number of popular ground motion models from their rock site subsets, we have derived a simple categorization scheme to rank candidate ground motion models into different quality classes. Using the records of the Mw 4.8 St. Die earthquake of 22. 2. 2003 in eastern France, we demonstrate that even a few observed response spectra of high quality can provide considerable constraints on the selection of ground motion models for seismic hazard analysis. Furthermore, we show that the strong underprediction of this data set by the only one of our candidate models which was entirely derived from weak motion data, could fully be removed by assuming the St. Die earthquake to be a high stress drop event. 464 Abstracts SO11 – Di.,09.3.,11:10-11:30 Uhr · H0104 Mai, P.M. (Institute of Geophysics, ETH Zurich), Guatteri, M. (Swiss Re, New York), Beroza, G.C. (Stanford University, Calif.) Physically Self-Consistent Earthquake Source Models for Strong Ground Motion Prediction E-Mail: [email protected] Accurate predictions of the intensity and variability of near-source strong ground motions for future large earthquakes depend strongly on our ability to simulate realistic models of earthquake rupture. Commonly used kinematic earthquake source models are characterized by heterogeneity in the slip distribution and a temporal rupture evolution (rise time, rupture velocity, slip-velocity function) that is assumed a priori. Such kinematic source models may not be physically realizable as a self-sustaining fault rupture. In order to make near-field ground motion simulations more accurate, we have developed a procedure to generate physically consistent earthquake rupture models. This so-called pseudo-dynamic source characterization constitutes inherently kinematic rupture models that are designed to emulate important characteristics of fully dynamic rupture models through a series of empirical relationships derived from the analysis of a set of spontaneous rupture models. We construct pseudo-dynamic models by first generating a slip distribution using a spatial random-field model that is consistent in its overall scaling and spatial variability with slip distributions observed in past earthquakes [Mai and Beroza, 2000; Mai and Beroza, 2002]. We then compute the static stress drop Δσ associated with this slip distribution [Andrews, 1980], which is then used to calculate the local rupture velocity through empirical relations between stress drop Δσ, fracture en- ergy Gc and crack length Lc [Andrews, 1976; Guatteri et al, 2003]. An equivalent approach is used to simulate the distribution of rise time over the fault and the parameters describing the slip-velocity function. A simple energybudget calculation is used to discard source models that would not be realizable as spontaneous ruptures. Our pseudo-dynamic source characterization reproduces the important features of dynamic rupture without full dynamic simulations, and hence circumvents the limits imposed by the computational demand of dynamic rupture modelling for multiple scenario earthquakes. While the relationships between source parameters described in this paper are significant simplifications of the true complexity of the physics of the rupture process, they help identify important relationships between source properties that are relevant for strong ground motion prediction. Web page: http://seismo.ethz.ch /staff/martin/martin.html Seismologie 465 SO12 – Di.,09.3.,11:30-11:50 Uhr · H0104 Sokolov, V., Bonjer, K.-P. (Karlsruhe, Geophysikalisches Institut, Uni-Karlsruhe) Ground Motion Site Effect Evaluation in Romania During Intermediate Depth Vrancea Earthquakes Using Two Techniques E-Mail: [email protected] The frequency-dependent amplification for rock sites was studied using earthquake ground-motion database collected in Romania. Almost all of the events occurred in the Vrancea focal zone (SE-Carpathians), which is characterized by a high rate of occurrence of large earthquakes in a narrow focal volume. The epicentral region is confined to about 60 x 20 sq. km and the seismic activity ranges within an almost vertical stripe in depths between 70 and 170 km. The used database includes several hundred records from more than 120 small magnitude (M 3.5-5) earthquakes occurred in 1996-2001 and six acceleration records obtained during three large (M 7.2, 6.9 and 6.3) earthquakes at three stations. The characteristics of amplification were evaluated using two techniques. One is a modification of the well-known horizontal-to-vertical Fourier spectral ratio (HVSR) of the S-wave phase, which was proposed for earthquake ground motion by Lermo and Chavez-Garcia (1994). The second one (Sokolov, 1998) consists in calculating ratios between spectra of actual earthquake records (horizontal components) and those modeled for a hypothetical very hard rock (VHR) site. The VHR spectral model was created using the Vrancea earthquakes ground-motion database. Comparison of the results allows both assessing advantages of the methods and evaluating ground motion models for the region. We found that the HVSR and VHR methods provide similar results for hard rock and rock in the case of simple geology. Horizontal-to-vertical spectra ra- tio seems to underestimate amplitudes of site amplification at high frequencies (more than 3-5 Hz) for inhomogeneous medium. Seismic radiation (within frequency range from 0.20.3 to 15-20 Hz) during the earthquakes of various magnitudes in the Vrancea zone may be described by omega-square single-cornerfrequency spectral model. We also perform the analysis for thick sedimentary formation (Miocene alluvial basin, city of Bucharest) where detailed velocity-density model of the soil column is available. It has been shown that the numerical simulation of soil column response on earthquake ground motion provides a reasonable agreement with the VHR data in a broad frequency range (up to 1520 Hz). The HVSR method reflects properly only the first (fundamental) frequency of site response. The results of the study provide a basis for site-dependent seismic hazard analysis in terms of engineering groundmotion parameters for territory of Romania and city of Bucharest. This study was carried out in the Collaborative Research Center (Sonderforschungsbereich) 461 Strong Earthquakes: a Challenge for Geosciences and Civil Engineering (Starkbeben: Von Geowissenschaftlichen Grundlagen zu Ingenieurmaßnahmen), which is funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft) and supported by the state of Baden-Württemberg and the University of Karlsruhe. 466 Abstracts SO13 – Di.,09.3.,11:50-12:10 Uhr · H0104 Chudziak, A., Miksat, J., Gottschämmer, E., Wenzel, F. (Universität Karlsruhe) Bodenbewegung bei Starkbeben in Beckenstrukturen E-Mail: [email protected] Die bedeutenden Erdbeben von Kobe (1995, Japan) und Northridge (1994, USA) haben gezeigt, dass bei Erdbeben die Bodenbewegungen am Rand von Sedimentbecken besonders groß werden können (Basin Edge Effect). Eine ähnliche Situation liegt auch in Delhi, Indien, vor. Auch hier besteht die Gefahr großer Schäden, da sich Indien unter den eurasischen Kontinent schiebt, was zur Bildung des Himalaya führt. Tektonisch wird die Grenze der beiden Platten sichtbar in drei Hauptaufschiebungen: Der Main Boundary Thrust (MBT), der Main Central Thrust (MCT) und der Main Frontal Thrust (MFT). In diesem Bereich kommt es zu Erdbeben, wenn die durch die Kollision entstehenden Spannungen zu groß werden. Ein 750 km langes Segment (central seismic gap) ist in der letzten Erdbebenepisode nicht gebrochen, was dort ein starkes Beben in den nächsten 100 Jahren sehr wahrscheinlich macht. Delhi liegt ungefähr 300 km entfernt von der central seismic gap am Rande eines großen Sedimentbeckens, das bis zum Fuße des Himalaya reicht. Die Wellenausbreitung eines weit entfernten Bebens wird in einem 2D-Modell mit einer Finite-Differenzen-Rechnung modelliert. Um einen grundsätzlichen Überblick zu bekommen und numerische Artefakte besser zu erkennen, wird erst ein sehr einfaches Modell, ein auskeilendes Sedimentbecken im Kristallin, verwendet. Das Beben wird durch eine Linienquelle simuliert, die in verschiedenen Winkeln im Modell platziert wird. Ausserdem wird der Winkel des auskeilenden Beckens variiert. Die Ergebnisse werden dann im Fourier- bereich mit denen eines Modells ohne Auskeilung verglichen und sollen dann später auf ein realistisches Modell von Delhi übertragen werden. Seismologie 467 SO14 – Di.,09.3.,12:10-12:30 Uhr · H0104 Oth, A., Gottschämmer, E., Miksat, J., Wenzel, F. (Universität Karlsruhe) Bodenbewegung bei Starkbeben in Grabenstrukturen E-Mail: [email protected] Die Stärke der Bodenbewegung zukünftiger Beben läßt sich über Abklingfunktionen (u.a. Joyner und Boore, 1997) berechnen. Diese werden aus empirischen Daten erstellt und geben in Abhängigkeit von der Entfernung vom Bebenherd die zu erwartende spektrale Beschleunigungsantwort an. Abklingfunktionen eignen sich zur Abschätzung der Beschleunigungsantwort bei einfachen Brüchen, Beben geringer Magnitude und in einfachen geologischen Strukturen. Eine komplexe Geologie, wie sie zum Beispiel am Toten-Meer-Graben gegeben ist, verstärkt die Werte der Beschleunigungsantwort signifikant (Gottschämmer et al., 2002).Bei großen, ausgedehnten Brüchen tritt in Richtung der Bruchausbreitung eine zusätzliche Verstärkung durch die Bruchdynamik auf. Wir erstellen realistischere Abklingfunktionen, die diese Effekte berücksichtigen. Dazu berechnen wir mit einem 3D-FiniteDifferenzen-Verfahren (Olsen, 1994) die Wellenausbreitung in einem 3D-Modell des Toten-Meer-Beckens. Die Magnituden der Beben liegen zwischen 5.0 und 7.0 und benutzen zufallsverteilte Herdparameter. Aus den Bodengeschwindigkeiten berechnen wir die spektralen Werte der Beschleunigung. Die Modellierung beinhaltet Frequenzen unterhalb von 1,5 Hz. Die Geometrie des Toten Meeres eignet sich in besonderer Weise für die Modellierungen, da sich an der Toten-Meer-Rift Transformstörung immer wieder in unregelmäßigen Abständen starke Erbeben ereignen, die sehr heterogene Verteilungen der Bodenbewegung und der damit verbundenen Schä- den (u.a. Sieberg, 1927) verursachen. Unsere semianalytischen Abklingfunktionen schließen Herdeffekte wie Abstrahltcharakteristik und Bruchdynamik, den Effekt, dass sich die Amplituden der Bodenbewegung im Kristallin und im Sediment unterscheiden, und die Auswirkungen des Sedimentbeckens auf die Amplituden der Bodenbewegung mit ein. 468 Abstracts SO15 – Mi.,10.3.,09:30-09:50 Uhr · H0104 Forbriger, T., Widmer-Schnidrig, R., Zürn, W. (BFO, Schiltach) Magnetfeldantwort von Blattfederseismometern E-Mail: [email protected] Blattfederseismometer sind empfindlich für Variationen des Erdmagnetfeldes. Diese können natürlichen Ursprungs sein. Aber auch künstliche Variationen durch elektrisch induzierte Felder (DC-Starkstromleitungen) oder Verzerrungen des Erdmagnetfeldes durch bewegte magnetische Körper (Fahrzeuge oder Stahltüren) erzeugen signifikante Störungen in seismischen Registrierungen. Die Ursache des Effekts kann der als Tragfeder benutzten Blattfeder zugeschrieben werden. Es sind keine Legierungen des dort verwendeten temperaturkompensierten Federstahls bekannt, die gleichzeitig unmagnetisch sind. Von den STS-1 Seismometern besitzt nur die Vertikalkomponente eine solche Blattfeder und nur diese zeigt die beschriebene Empfindlichkeit. Andere am BFO betriebene Instrumente (LaCoste Gezeitengravimeter, Askania Bohrlochpendel, Invardraht Strainmeter) zeigen keine Empfindlichkeit für Magnetfeldvariationen. Die Magnetfeldvariationen rufen eine scheinbare Beschleunigung der seismischen Masse in der Größenordnung von wenigen m/(s2 T) hervor. Die Störungen dominieren daher besonders bei langen Perioden jenseits der Eigenperiode des Seismometers über die seismische Wellenform. In diesem Periodenband kann die Antwort des Seismometers aus Registrierungen der magnetischen Totalintensität vorhergesagt werden. Betrag und Vorzeichen des Konversionsfaktors variieren jedoch von Instrument zu Instrument und hängen vermutlich von der remanenten Magnetisierung und damit von zu- fälligen Details des Fertigungsprozesses ab. Aktive Abschirmungen, die über drei Helmholtzspulenpaare ein Gegenfeld zu den Variationen aufbauen, erweisen sich als sehr effektiv. Eine solche Abschirmung ist in der GRSN-Station STU im Einsatz. Die in den STS-1 Seismometern verwendeten passiven µMetall Abschirmungen verlieren dagegen offenbar durch falsche Handhabung, Stöße und Alterung ihre Wirkung. Abbildung 1: Magnetogramm (schwarz) und Beschleunigungsantwort STS-2 (grau) Seismologie 469 SO16 – Mi.,10.3.,09:50-10:10 Uhr · H0104 Hemmann, A. (Karlsruhe), Jentzsch, G. (Jena), Dontsov, D., Pöschel, W., Schott, W. (Ilmenau) Untersuchungen zum interferometrischen Abgriff seismischer Signale E-Mail: [email protected] Im Geodynamischen Observatorium Moxa der Universität Jena war in Zusammenarbeit mit der Firma SIOS, Ilmenau, ein LaserExtensometers installiert worden. Aufgrund der Eigenschaften der verfügbaren LaserSysteme entstand die Idee, zu untersuchen, inwieweit damit auch die Bewegung eines Seismometerarms abgetastet werden kann. Diese Untersuchungen wurden an einem langperiodischen Seismometer vom Typ VSJ vorgenommen. Eingesetzt wurde ein He-Ne-Laser mit einer Wegauflösung von 0.078 nm und einer Verschiebegeschwindigkeit von max. 600 mm/s. Durch seine bauliche Größe eignet sich das Seismometer vom Typ VSJ besonders gut für derartige Arbeiten. Zugleich kann das ursprüngliche elektrodynamische Abgriffsystem im Gerät verbleiben, so dass der mögliche Gewinn des Laser-Abgriffsystems am gleichen Sensor überprüft werden kann. Problematisch war die Anbringung des Re- flektors am Arm des Seismometers; dies hatten auch schon Araya et al. (1993) festgestellt. Abb. 1 zeigt ein Foto der Installation: links die Tauchspule und in der Mitte das LaserInterferometer. Parallel wird die Innentemperatur überwacht. Ein wichtiges Maß zur Bewertung der Güte eines seismischen Abgriffsystems ist der Wert für die Bodenbewegung, die gerade noch vom System aufgelöst werden kann. Dieser Wert hängt von verschiedensten Faktoren ab. So spielen mechanische und elektrische Baugruppen genauso eine Rolle wie Einflüsse aus der Umgebung. Theoretisch liefert das induktive System eine maximale Auflösung von 0.2 √ nm/s/ Hz, was einer Empfindlichkeit vom 0.2 µV gleich kommt. Eine solche Angabe ist für das interferometrische System natürlich nicht möglich. Die SIOS GmbH ermittelte für ihre Apparatur eine kleinste Empfindlichkeit von 0.078 nm. Unberücksichtig bleibt hierbei die Eigenbewegung der Mechanik des Seismometers, die, wie sich heraus stellte, aber deutlich über der theoretisch maximalen Auflösung liegt. Die Untersuchungen des Rauschens bei arretiertem Arm ergaben einen deutlich geringeren Rauschpegel für das Laser-System. Dies ist auf von der SIOS GmbH entwickelte neuartige rauscharme Laser-Elektronik zurück zu führen. Als ein weiterer wesentlicher Vorteil erwies sich die direkte Registrierung des Weg-proportionalen Signals. Damit könnten Abbildung 1: Seismometer VSJ mit zusätzli- in Zukunft umständliche und fehlerträchtige Umrechnungen entfallen (Berücksichtichem Laser-Abgriffsystem. 470 Abstracts Abbildung 2: Zeitreihen des Bebens in der Türkei vom 27.01.2003 (MB 6.1 / MS 5.6); MOX: induktiv, SIW und SIG interferometrisch: Weg-proportional und Geschwindigkeitsproportional, ungefiltert. gung von: Verstärkung, Generatorkonstante, etc.). Um auf die übliche Geschwindigkeitsproportionale Darstellung zu kommen ist nur eine gewöhnliche Differentiation nötig. Neben der maximalen Auflösung des Lasers, die wegen der hohen maximalen Abtastrate von über 10 kHz durch das Verfahren des Oversampling numerisch noch verbessert werden kann, übersteigt auch die Dynamik des Messbereiches und die Frequenzbreite die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Systeme. Aus der Abb. 2 ist bereits ersichtlich, dass die Geschwindigkeits-proportionale Registrierung des Laser-Abgriffs optisch gleiche Ergebnisse zeigt wie die des üblichen SpulenSystems (induktiv, Moxa). Die zu vergleichenden Zeitreihen wurden einer Ähnlichkeitsanalyse unterzogen, die zeigte, dass die mit dem Laser erzielte Registrierung ein deutlich geringeres Rauschen auf- weist. Da das Laser-Signal einerseits geeignet ist, sehr langsame Bewegungen zu erfassen (Null-Frequenz), andererseits aber die Dynamik noch lange nicht ausgeschöpft ist, haben wir ein ultra-breitbandiges Abgriffsystem mit hoher Dynamik, das bei Einbau in einen geeigneten Sensor völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Referenz: Araya, A., Kawabe, K., Sato, T., Mio N., and K. Tsubono, 1993. Highly sensitive wideband seismometer using a laser interferometer. Rev. Sci. Instrum., 64/5, 1337 - 1341. Seismologie 471 SO17 – Mi.,10.3.,10:10-10:30 Uhr · H0104 Manthei, G. (Ober-Mörlen, GMuG) Anwendung der Momententensor-Methode auf Schallemissionsereignisse, die bei dilatanter Belastung einer Steinsalzprobe auftreten E-Mail: [email protected] Die Momententensor-Methode wurde auf Schellemissions(SE)-Ereignisse angewendet, die während triaxialer Belastung einer Steinsalzprobe (Durchmesser 150 mm, Höhe 300 mm) registriert wurden. Dazu wurden an beiden Stirnflächen jeweils ein SE-Aufnehmer und zehn weitere an der Mantelfläche der Probe angebracht. Die Anordnung der Aufnehmer wurde so gewählt, dass eine gute Überdeckung der Probe in alle Richtungen vorlag. Die Aufnehmer bestanden aus piezoelektrischen Wandlerelementen, die in einem Metallgehäuse eingebaut waren. Diese Aufnehmer wurden hinsichtlich ihrer richtungsabhängigen Empfindlichkeit und ihrer Messgröße (Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) mit Messungen direkt an der Probe charakterisiert. Nach Aussage dieser Messungen handelt es sich um einen Ge- schwindigkeitsaufnehmer mit einer Empfindlichkeit von 335,1 V/(m/s). Nach automatischer Ortung der Quellen mit P- und S-Welleneinsatzzeiten wurden nur solche Quellen mit der MomententensorMethode ausgewertet, die deutlich erkennbare Ersteinsätze an mindestens 10 Kanälen aufwiesen. An etwa 12.500 von insgesamt 57.000 georteten Ereignissen konnte der Quellmechanismus bestimmt werden. Zur Überprüfung der Stabilität der Lösungen wurde durch sukzessives Weglassen und Wieder-Hinzunehmen von Kanälen die mittleren Lagen der Druck-, Nodal- und Zugachsen und deren Standardabweichungen bestimmt. Mit dem statistischen Verfahren der sog. Bootstrap-Analyse wurde der Fehlerbereich aus 250 Lösungen bei einer Vertrauensgrenze von 99% (etwa 2,35 Standardabweichungen) abgeschätzt. Als Kriterium für stabile Lösung muss gelten, dass die Standardabweichung mindestens einer Achse kleiner als 4° ist und der prozentuale Restfehler zwischen berechneter und gemessener PWellenamplitude kleiner als 12%. Die Ereignisse wurden durch das Verhältnis von isotropem und deviatorischem Anteil des Momententensors (nach Feignier et al.,1992) R= tr(M) 3 |tr(M)| + ∑ i=1 |m∗i | · 100% charakterisiert, wobei m∗i = mi − 1/3 · tr(M) die deviatorischen Eigenwerte und tr(M) = Abbildung 1: Verteilung der Orientierung der m1 + m2 + m3 die Spur des Momententensors Zugachsen. darstellen. Bei R = 0% handelt es sich um 472 Abstracts Abbildung 2: Verteilung der Volumenänderung (links) und des R-Wertes (rechts). einen reinen Scherbruch, bei R = 100% um eine Explosionsquelle, bei R = −100% um eine Implosionsquelle und bei R = 67% um einen Öffnungsbruch. Die Volumenänderung der Quelle wurde aus dem seismisches Moment des isotropen Momententensors (Müller, 2001) ⎛ ⎞ 1 0 0 2 Miso = λ + µ · ΔV ⎝ 0 1 0 ⎠ 3 0 0 1 abgeschätzt. λ, µ sind die Laméschen Konstanten. Das scalare seismische Moment ist nach Siver und Jordan (1982) 3 ∑ ei √ . M = i=1 6 ei sind die Eigenwerte des isotropen Momententensors. Die Momententensor-Bestimmungen haben ergeben, dass die Zugachsen der meisten Ereigisse bevorzugt in horizontaler Richtung bei etwa 0° liegen, die der Richtung der kleinsten Hauptspannung entspricht (Abb. 1). Sie weisen einen erheblichen Volumenanteil auf, der zwischen 1 mm3 und 3 mm3 liegt (Abb. 2, links). Die Verteilung des R-Wertes (Abb. 2, rechts) zeigt einen deutlichen Peak bei etwa 54%. Die Ergebnisse deuten daraufhin, dass es sich bei der Schallemission um Bildung von Öffnungsbrüchen handelt, die mit einiger Wahrscheinlichkeit hauptsächlich an den sich aufweitenden Korngrenzen entstehen. Die Rissflächen liegen entlang der Korngrenzen, die parallel zur größten Hauptspannung (Belastungsrichtung) verlaufen. Seismologie 473 SO18 – Mi.,10.3.,10:30-10:50 Uhr · H0104 Finck, F., Grosse, C. U. (Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Uni-Stuttgart) „Nanoseismologie “– Untersuchung von Bruchprozessen in Beton mit Hilfe der Schallemissionsanalyse E-Mail: [email protected] Zusammenfassung: Die Entwicklung und Ausbreitung von Schädigungszonen und Rissen in Bauteilen aus spröden Werkstoffen wie z. B. Beton kann mit Hilfe der Schallemissionsanalyse auf mikro- und mesoskopischer Ebene untersucht werden. Mikrorisse und Brüche im granularen und intergranularen Bereich senden seismische Energie aus, die von Ultraschallsensoren an der Bauteiloberfläche registriert und aufgezeichnet werden. Ähnlich wie in der Seismologie werden diese Schallereignisse lokalisiert und mit Hilfe von geeigneten Inversionsverfahren die Ursachen für die Bruchereignisse ermittelt [5,6]. In Abhängigkeit der Belastung und der Zusammensetzung des Werkstoffes treten u. a. Matrixversagen, Ablösen oder Brechen von Zuschlägen sowie Ablösen, Reißen oder Ausziehen von Bewehrung auf. Außerdem kann z. B. Korrosion Schallereignisse verursachen. Diese sehr unterschiedlichen Versagensmechanismen können nur durch komplexe Bruchmodelle repräsentiert werden. Das physikalische Modell des Momententensors ist unter bestimmten Vorraussetzungen sehr gut geeignet, um diese Schädigungsprozesse zu beschreiben. Die Inversion auf den Momententensor geschieht unter quantitativer Berücksichtigung des abgestrahlten Wellenfeldes mit verschiedenen Verfahren, die zum Teil im Bereich der Geophysik entwickelt wurden [1,2]. Obwohl die Bestimmung von Bruchmechanismen an Laborexperimenten unter verhältnismäßig einfachen Bedingungen erfolgreich durchgeführt werden kann [3,4,8], gibt es noch eine Reihe von offenen Fragen und Problemen: Der Laufweg zwischen Quelle und Empfänger ist im Verhältnis zur untersuchten Wellenlänge relativ klein, so dass der Einfluss von Nahfeldeffekten untersucht werden muss. In diesem Zusammenhang steht auch die Annahme einer zeitinvarianten Punktquelle. Bei Bruchereignissen, die an Grenzflächen von Betonmatrix, Zuschlägen oder Bewehrung auftreten muss mit einer Deformation des abgestrahlten Wellenfeldes gerechnet werden. In diesem Beitrag werden einige Grundlagen der Schallemissionsanalyse und verschiedene Ansätze zur Momententensorinversion vorgestellt und Beispiele für die Anwendung der Methoden und der Interpretation der Ergebnisse gezeigt [7]. Abschließend werden einige Möglichkeiten für eine Anwendung der Schallemissionsanalyse bei der Überwachung von Bauwerken diskutiert. Literaturhinweise: [1] Andersen, L.M.: A relative moment tensor inversion technique applied to seismicity induced by mining. PhD thesis, Univ. of the Witwatersrand, RSA, 2001. [2] Dahm, T.: Relative moment tensor inversion based on ray theory: theory and synthetic tests. Geophysical J. Int. 124, pp. 245-257, 1996. [3] Finck, F.; Motz, M.; Grosse, C.; Reinhardt, H.-W.; Kröplin, B.: Integrated Interpretation and Visualization of a Pull-Out Test using Finite Element Modelling and Quantitative Acoustic Emission Analysis. In: ndt.net, 7, No. 9, 2002. - 474 Abstracts Abbildung 1: 3D-Visualisierung verschiedener Untersuchungen an einem Betonwürfel unter Spaltzugbelastung. Durch das Einleiten von Drucklast über zwei Stahlschneiden (links) entstehen Zugspannungen, die den Probekörper entlang einer Ebene parallel zu den Stahlschneiden spalten. Die dabei entstandenen Schallereignisse wurden lokalisiert (schwarze Punkte). Für eine Auswahl der Schallereignisse wurden Momententensoren berechnet und deren Abstrahlcharakteristik auf einer Herdkugel dargestellt (rechts). Die beiden Beispiele zeigen deutlich die Zugspannungen parallel zur y-Achse, in deren Richtung positive Bewegungen an den Sensoren registriert wurden (Mode-I). Nach dem Experiment wurde die Topographie der Rissfläche durch schrittweises Herunterschleifen des Würfels ermittelt (Netz). http://www.ndt.net/article/v07n09/09/09.htm. [4] Finck, F.; Yamanouchi, M.; Reinhardt, H.-W.; Grosse, C.U.: Evaluation of mode-I failure of concrete in a splitting test using acoustic emission technique. International Journal of Fracture (accepted), 2003. [5] Grosse, C. U.: Quantitative zerstörungsfreie Prüfung von Baustoffen mittels Schallemissionsanalyse und Ultraschall. Doctoral Thesis, University of Stuttgart, 1996. [6] Grosse, C.U.; Reinhardt, H.-W.; Finck, F.: Signal-Based Acoustic Emission Techniques in Civil Engineering. Journal of Materials in Civil Engineering, 3, No. 3, pp. 274-279, 2003. [7] Jost, M. L.; Hermann, R. B.: A students guide to and review of moment tensors. Seism. Res. Letters, 60, pp. 37-57, 1989. [8] Manthei, G.; Eisenblätter, J.; Dahm, T.: Moment tensor evaluation of acoustic emission sources in salt rock. Construction and Building Materials, 15, pp. 297-309, 2001. Webseite: stuttgart.de/ http://www.iwb.uni- Seismologie 475 SO19 – Mi.,10.3.,11:10-11:30 Uhr · H0104 Rothert, E., Rentsch, S., Shapiro, S.A. (FU Berlin) Fluid-induced microseismicity - a new approach for reservoir characterization using probability considerations E-Mail: [email protected] Injections of borehole fluids into surrounding rocks are used for developments of hydrocarbon or geothermic reservoirs. Such injections often induce small-magnitude earthquakes (see e.g., Zoback and Harjes, 1997; Fehler et al, 1998 or Audigane et al., 2002). The nature of such a seismic activity is still under discussion (see e.g., Trifu, 2002). In this paper we show that the probability of the induced earthquakes is remarkably well described by the relaxation law of pressure perturbations in fluids filling the pore space in rocks. This strongly supports the hypothesis that the triggering of induced seismicity is controlled by the pore pressure relaxation. This fact opens additional new possibilities to characterize hydraulic properties of rocks on a kilometer-scale with high precision. stress, usually acting compressionally on arbitrary internal rock surfaces. This leads to sliding along preexisting, favorably oriented subcritical cracks. One widespread hypothesis explaining the phenomenon of the hydraulic induced microseismicity (e.g., Nur and Booker, 1972; and Shapiro et al, 2002) is that the tectonic stress in the earth’s crust at some locations is close to a critical stress causing brittle failure of rocks, for example, by sliding along preexisting cracks. Increasing fluid pressure in a reservoir causes pressure in the connected pore space of rocks to increase (the pore space includes pores, cracks, vicinities of grain contacts, and all other possible voids in rocks). This leads to an increase of the pore pressure at the critical locations as well. Such an increase in the pore pressure consequently causes a decrease of the effective normal Here we report evidence of a completely different nature supporting this hypothesis. This evidence additionally illuminates the physics of the fluid-induced microseismicity. Moreover, it opens a new way to estimating hydraulic properties of natural rocks at large spatial scales with high precision. The change of pore pressure in space and time is controlled by the diffusion process of pressure relaxation in fluids saturating pores. Thus, if the hypothesis described above is correctly explaining at least one of dominant mechanisms triggering fluidinduced microseismicity, then a number of diffusion-typical signatures should be observed in the spatio-temporal distributions of the earthquakes. Several of these signatures related to the temporal evolution of microseismicity clouds are known (see e.g., Audigane et al, 2002; and Shapiro et al, 2003). We show that the he process of pore pressure relaxation is at least one of the dominant triggering mechanisms of the fluid-injectioninduced microseismicity. According to this hypothesis, spatiotemporal distributions of microseismicity are controlled by the hydraulic diffusivity of rocks as well as by distribution and the degree of rock criticality. 476 Abstracts The criticality of rocks can be described by rather simple statistical models as proposed here. Moreover, the spatial distribution of the density of earthquakes provides the possibility to estimate the hydraulic diffusivity on a kilometer scale with high precision. tensor of rocks from induced microseismicity: Geophysical Journal International, 137, 207213. Shapiro, S. A., Patzig, R., Rothert, E., and Rindschwentner, J., 2003, Triggering of seismicity by pore-pressure perturbations: Permeability-related signatures of the pheREFERENCES Audigane, P., Royer, J.-J., and Kaieda, H., nomenon: PAGEOPH, 160, 1051-1066. 2002, Permeability characterization of the Shapiro, S. A., Rothert, E., Rath, V., and Soultz and Ogachi large-scale reservoir using induced microseismicity: Geophysics, 67, Rindschwentner, J., 2002, Characterization of fluid transport properties of reservoirs using 204-211. induced microseismicity: Geophysics, 67, C. J. Trifu (Editor), 2002, The mechanism 212- 220. of induced seismicity, Pageoph topical volumes, 159, Birkhaeser. Zoback, M., and Harjes, H.-P., 1997, Injection induced earthquakes and the crustal stress at 9 km depth at the KTB deep drilling site, Fehler, M., House, L., Phillips, W. S., Germany: Journal of Geophysical Research, and Potter, R., 1998, A method to allow 102, 18477-18492. temporal variation of velocity in travel-time tomography using microearthquakes induced during hydraulic fracturing: Tectonophysics, 289, 189-202. Nur, A., and Booker, J., 1972, Aftershocks caused by pore fluid flow?: Science, 175, 885-887. Pearson, C., 1981, The relationship between microseismicity and high pore pressures during hydraulic stimulation experiments in low permeability granitic rocks: Journal of Geophysical Research, 86, 7855-7864. Rothert, E., and Shapiro, S. A., 2003, Microseismic monitoring of borehole fluid injections: Data modeling and inversion for hydraulic properties of rocks. : Geophysics, 68, 685-689. Shapiro, S. A., Audigane, P., and Royer, J.-J., 1999, Large-scale in situ permeability Seismologie 477 SO20 – Mi.,10.3.,11:30-11:50 Uhr · H0104 Hainzl, S. (Potsdam), Ogata, Y. (Tokio) Aufdeckung von Fluidsignalen mittels statistischer Erdbebenmodellierung E-Mail: [email protected] Folgt man dem bekannten Coulomb-Failure Kriterium, dann können sowohl Änderungen der Spannung als auch des Porendrucks Erdbeben auslösen. Nachbebensequenzen entsprechend des Omori-Gesetzes gelten zumeist als Resultat von Spannungsänderungen (sog. stress-triggering), während migrierende Fluide für das Auftreten von Erdbebenschwärmen verantwortlich gemacht werden. Die Relevanz von Stress-Triggering kann durch die Modellierung der Spannungsänderungen im elastischen Halbraum überprüft werden. Dagegen können Porendruckänderungen nicht so einfach identifiziert werden, da fluidinduzierte Seismizität selbst Spannungsänderungen verursacht und das Fluidsignal somit von dem Spannungssignal überlagert wird. Wir werden aber anhand von beobachter und simulierter Seismizität zeigen, dass die statistische Modellierung von Erdbebensequenzen mit Hilfe des Epidemic Type Aftershock (ETAS) Modells [Ogata 1988, 1993] ein geeignetes Werkzeug darstellt, um das primäre Fluidsignal aus solch komplexen Seismizitätsmustern zu rekonstruieren. In diesem Zusammenhang haben wir den im Jahr 2000 im Vogtland/NW Böhmen aufgetretenen Erdbebenschwarm analysiert. Die Anpassung des ETAS Modells zeigt, dass Stress-Triggering den dominanten Mechanismus zur Erzeugung der beobachteten Seismizitätsmuster darstellt. In dieser Weise kann auch das beobachtete, zeitlich fraktale Auftreten der Erdbeben erklärt werden. Dagegen sind nur ca. 1% der aufgetretenen Erdbeben auf einen externen Triggermechanismus - der hier als Porendruckerhöhung interpretiert wird zurückführbar. Eine zeitauflösende Analyse zeigt aber, dass ein starkes Fluidsignal die Aktivität initiierte. Um die Beobachtungen zu erklären, haben wir Modellsimulationen durchgeführt, in denen Erdbeben sowohl durch eindringende Fluide als auch durch kound postseismische Spannungsänderungen auf einer im elastischen Halbraum eingebetteten Verwerfungsfläche ausgelöst werden. Diese Simulationen reproduzieren viele der beobachteten Schwarm-Charakteristika, u.a. den zeitlichen Potenzgesetz-Anstieg des mittleren seismischen Moments pro Erdbeben. Die Untersuchung dieser Simulationen zeigt außerdem, dass die zugrundeliegenden Porendruckänderungen mit Hilfe des ETAS Modells rekonstruiert werden können. Literatur Ogata, Y., J. Am. Stat. Assoc. 83, 9–27 (1988); Geophys. Res. Lett. 20, 2143–2146 (1993). 478 Abstracts SO21 – Mi.,10.3.,11:50-12:10 Uhr · H0104 Parotidis, M., Shapiro, S.A., Rothert, E. (Geophysik - Freie Universität Berlin) Ein möglicher Auslösemechanismus für die Erdbebenschwärme in Vogtland/NWBöhmen E-Mail: [email protected] Kohlendioxidreiche Gasaustritte, subrezenter Vulkanismus, komplexe Tektonik (EgerGraben und Marienbader-Störungszone), wiederkehrende natürliche Erdbebenschwärme mit Magnituden bis M 4.5 sind einige der Hauptmerkmale von Vogtland/NW-Böhmen (VB), in der deutsch-tschechischen Grenzregion Mitteleuropas. Die letzten großen Schwärme fanden im Jahr 2000 statt, von August bis Dezember, mit etwa 10000 registrierten Ereignissen und Magnituden bis M 3.3. Der genaue Triggering-Mechanismus dafür ist nicht bekannt, aber es gibt Indizien für die Bedeutung von aufsteigenden magmatischen Fluiden für die Erdbebensequenzen in VB [Spicak und Horalek 2001, Weise et al. 2001, Hainzl und Fischer 2002, Klinge et al. 2003, Neunhöfer und Hemman 2003]. Von der Theorie der linearen Poroelastizität ausgehend [s. Biot 1962, Wang 2000], stellen wir folgendes Konzept für die seismische Aktivität in VB vor: Magmatische Fluidintrusionen verursachen Porendruckänderungen [Weinlich et al. 1999, Bräuer et al. 2003], die sich diffusiv ausbreiten, dadurch effektive Spannungen ändern und folglich Erdbeben auslösen; dieser Prozess wird von zwei physikalischen Feldern gesteuert, die hydraulische Diffusivität D(r) und die Kritikalität C(r) des Mediums, beide heterogen im Raum r verteilt. Die Kritikalität gibt den Wert des Porendruckes an, der erreicht werden muss, um ein Ereignis zu triggern. Die Ergebnisse der Datenanalyse der Jahr2000-Schwarmbeben in VB zeigen, dass meh- rere Schwarmphasen zu erkennen sind [Fischer 2003], die diffusive Merkmale (Signatur der parabolischen Einhüllenden [Shapiro et al. 1997, 2002, 2003]) zeigen. Diese weisen auf Heterogenitäten der Diffusivität hin [Parotidis et al. 2003]. Rothert und Shapiro [2003] stellten ein numerisches Modell für durch Porendruck-Diffusion getriggerte Seismizität vor. Dieses Modell wird erweitert, um ein vereinfachtes raumzeitliches Seismizitätsmuster der Erdbebensequenzen vom Jahr 2000 zu simulieren. Dafür werden eine PorendruckPunktquelle und entsprechend den Ergebnissen der Datenanalyse korrelierte Diffusivitätsund Kritikalitäts-Flecken definiert. Obwohl die Ergebnisse von Datenanalyse und numerischer Modellierung die Idee unterstützen, dass Porendruck-Diffusion ein möglicher Hauptmechanismus für das Auslösen der Erdbebenschwärme im Jahr 2000 in VB ist, bleiben noch viele Fragen bezüglich des seismischen Musters in VB unbeantwortet. Diese betreffen u.a. den räumlich komplizierten Migrationspfad der seismischen Aktivität mit zum Teil reaktivierten Bereichen, und die raumzeitliche Entwicklung einzelner Schwarmphasen. Seismologie Literatur Biot, J. Appl. Phys., 33(4), 1482-1498, 1962. Bräuer et al., J. Geophys. Research, 108(B2), 2003. Fischer, J. Geodynamics, 35/1-2, 59-81, 2003. Hainzl und Fischer, J. Geophys. Res., 107(B12), 2002. Klinge et al., J. Geodynamics, 35, 83-96, 2003. Neunhöfer und Hemman, DGG, Jena, 2003. Parotidis et al., Geophys. Res. Lett., 30(20), 2003. Rothert und Shapiro, Geophysics, 68, 2., 685-689, 2003. Shapiro et al., Geophysics, 67, 1, 212-220, 2002. Shapiro et al., PAGEOPH, 160, 1051-1066, 2003. Shapiro et al., Geophys. J. Int., 131, F15F18, 1997. Wang, Princeton Univ. Press, 2000. Weinlich et al., Geochim. Cosmochim. Acta, 63, 3653-3671, 1999. Weise et al., Tectonophysics, 336, 137-150, 2001. 479 480 Abstracts SO22 – Mi.,10.3.,12:10-12:30 Uhr · H0104 Hillers, G., Miller, S. (ETH Zürich) Slip Complexity Controlled by Fault Zone Hydraulics and Rate/State Friction: Results of a 3-D Hydro-mechanical Fault Model E-Mail: [email protected] It has long been known that fluids play an important role in the earthquake cycle and in the generation of seismicity. We thus pursue the hypothesis that spatio-temporal variations in fault zone hydraulics play a crucial role in the rupture process. Those variations originate in different permeability and thus diffusivity structures along a fault zone, as reported for the Median Tectonic Line, Japan (Wibberly et al, 2003). As a result of impermeable seals bounding the fault zone, compartments of high fluid pressure develop (Lockner & Byerlee, 1995) that can stabilize an otherwise frictional unstable fault and may thus provide a physical interpretation of observed slip complexity. This occurs because pore pressure controls the critical stiffness and thus the seismic behaviour of the fault plane. To simulate the behaviour of a seismogenic fault zone containing those fluid compartments, we couple the elastic model of Rice (1993) and the hydro-mechanical model by Segall & Rice (1995) to a planar, vertical strike-slip fault embedded in an elastic half space. Our model includes rate- and statedependent friction (e.g. Dieterich, 1979), and an evolutionary model of pore compaction and dilatancy (Marone et al., 1990) to determine the fluid pressure. Here, we model fluid flow perpendicular to the fault considering the pore pressure state in the fault zone, the permeability and thus diffusivity of the fault walls and the pore pressure in the surrounding bulk. Furthermore, fluid pressure depends on the available pore space (porosity), which in turn evolves as a function of slip velocity. We thus solve five interdependent ordinary differential equations for the evolution of slip velocity v, surface contact state θ, shear stress τ, pore pressure p and porosity φ on a numerically discretized fault plane. By means of an adaptive time stepping scheme we are able to simulate interseismic periods as well as seismic instabilities with an appropriate accuracy. By means of this model we investigate the effect of stable sliding patches on the rupture nucleation, propagation and termination. It turns out that the physically plausible scenario of variations in fault zone diffusivity plays a major role in generating and maintaining complex rupture patterns and slip distributions along the fault. Non-smooth ruptures are controlled by the size and spatial distribution of drained (high diffusivity) and undrained (low diffusivity) regions on the fault. In the continuum limit, high frequency variations in hydraulic properties produce uniform rupture of the entire fault (like those observed in purely elastic models) because the overall system stiffness is not affected by the perturbations. Conversely, above a certain patch size, the effects of drained vs. undrained rock properties significantly affect the system stiffness and thus the rupture dynamics. Since the sealed and thus overpressured compartments are sliding stably within a matrix of unstable behaving rock, they refuse to slip once a ruptured front reaches them. Simulations show how the rupture front winds Seismologie around the undrained patches, feeding permanently stress onto them. Depending on the size of the patches one observes two general behaviours: First, in case the compartments are large enough to perturb the rupture they will finally slip because of the overall stiffness of the system. However, it appears that they exhibit higher peak stresses during the dynamic rupture process than the surrounding unstable areas. Second, above a certain size they are able to arrest the rupture. The rupture front will no longer be able to wind around them and finally cause them to slip. We also observe that the sliding velocity at rupture arrest does not drop instantaneously to interseismic creep values of mm/a. Instead, it will be reduced to the m/d regime.This means the slip deficit accumulated by these patches by not slipping during the earthquake will be levelled by stable afterslip in the velocity regime of what has been reported to be slow earthquakes. As a conclusion, sealed and overpressured and thus stable sliding compartments within a fault’s core can therefore act as hydraulic barriers. Unlike high strength asperities, which are thought to be responsible for rupture arrest, these areas affect the rupture by their weakness. The presented model furthermore provides a tool to generate realistic rupture histories over an entire fault plane and my thus derive useful data for strong ground motion modelling to investigate whether pore pressure footprints described above are in principle detectable. 481 482 Abstracts SO23 – Mi.,10.3.,15:00-15:20 Uhr · H0104 Delépine, N. (Berlin, Freie Universität), Cuenot, N. (Strasbourg, Institut de Physique du Globe), Rothert, E., Parotidis, M., Rentsch, S., Shapiro, S. A. (Berlin, Freie Universität) Characterization of fluid transport properties of the Hot Dry Rock reservoir Soultz-2000 using induced microseismicity E-Mail: [email protected] Hydraulic stimulation is a procedure for increasing the permeability of a reservoir. At the geothermal site of Soultz-sous-Forêts (France) such experiments have been carried out since 1993 at different depths. In July 2000, during six days, an injection of 23,400 m3 of brine and water was carried out at Soultz into the well GPK2 at a depth of 4500 - 5000 m. The injection increases hydrostatic pressure in the high-fractured granite basement. Such a modification of the pore pressure causes a decrease of the effective normal stress along preexisting cracks. These local modifications of the stress field induce microseismicity. During the experiment, about 7,200 seismic events were localized by the seismologic team of l’Institut de Physique du Globe de Strasbourg (France). At the end of injection time, the cumulative seismic cloud was approximately 1500 m in length, 500 m in width, and 1500 m in height. An approach called Seismicity Based Reservoir Characterization (SBRC) has been suggested to provide in-situ estimates of permeability characterizing a reservoir on a large spatial scale (for details and other case studies see Audigane et al., 2002; Shapiro et al., 1997, 1999, 2002, 2003). This approach uses the data of passive seismic monitoring in order to characterize hydraulic properties of a geothermal or hydrocarbon reservoir. Changes of pore pressure in space and in time are controlled by pore pressure diffusion. Considering the relaxation process as the main mechanism of induced microseismicity, SBRC methods have been developed for estimating reservoir permeability. We applied these methods to the HDR reservoir established at Soultz in July 2000. Considering an isotropic and anisotropic homogeneous medium, the spatio-temporal distribution of earthquakes is used to estimate a permeability scalar value of K=18×10−17 m2 and a permeability tensor of K=diag(2.3;5.0;16.7)×10−17 m2 , respectively. From the definition of the method, it results that the maximum permeability component should agree with the scalar estimation. This is in agreement with our estimation of effective permeability. The strike of the maximum component of the permeability tensor is parallel to the maximum direction of extension of the seismic cloud and also the direction of the maximum horizontal stress of the Soultz site. Based on statistical considerations and using the density distribution of earthquakes, a third method is applied to provide a scalar permeability estimation of K=17×10−17 m2 . Considering now a heterogeneous medium, a last method is suggested to reconstruct the diffusivity distribution in space. A high diffusivity zone (D= 0.1 - 1 m2 /s) in NNW appears over a quite homogeneous and low-diffusivity background (D ≤ 0.01 m2 /s). The different methods complement each other and provide consistent estimations of hydraulic properties of the Soultz HDR Seismologie reservoir. The results agree very well with independent laboratory and in-situ tests. Literatur Audigane, P., Royer, J.-J., and Kaieda, H., 2002. Permeability characterization of the Soultz and Ogachi large-scale reservoir using induced microseismicity. Geophysics, 67(1):204–211. Shapiro, S. A., Patzig, R., Rothert, E., and Rindschwentner, J., 2003. Triggering of seismicity by pore-pressure perturbations: permeability-related signatures of the phenomenon. Pure and AppliedGeophysics, 160:1051–1061. Shapiro, S. A., Rothert, E., Rath, V., and Rindschwentner, J., 2002. Characterization of fluid transport properties of reservoirs using induced microseismicity. Geophysics, 67:212–220. Shapiro, S. A., Audigane, P., and Royer, J.-J., 1999. Large-scale in situ permeability tensor of rocks from induced microseismicity. Geophysical Journal International, 137:207– 213. Shapiro, S. A., Huenges, E., and Borm, G., 1997. Estimating the crust permeability from fluid-injection-induced seismic emission at the KTB site. Geophysical Journal International, 131:F15–F18. (see also Corrigendum, Geoph. J. Int., 1998, v.134, p.913). 483 484 Abstracts SO24 – Mi.,10.3.,15:20-15:40 Uhr · H0104 Rentsch, S., Buske, S., Lüth, S., Shapiro, S. A. (FR Geophysik, FU Berlin) Location of seismicity using Gaussian beam type migration E-Mail: [email protected] A precise location of seismic sources (i.e., attributing events to spatial coordinates of their hypocenter) is an important issue in a broad range of geophysical research and application. This includes, e.g., earthquake seismology and seismicity based reservoir monitoring. Several location procedures use P- and Swave arrival times. Predicted arrival times for a hypocenter and the origin time are calculated for the receivers using a chosen velocity model. This is characterized by a strong dependence on event picking accuracy and a low degree of automation. In contrast we propose an automated location procedure that takes into account the full elastic wavefield. Our method is based on the principles of wave field back propagation. We developed an approach that uses a grid searching procedure in combination with a Gaussian beam type migration in order to image seismic sources. By analysing the 3 components of the recorded signal we obtain the polarization information. Initial-value ray tracing is performed for each time sample of the seismogram using this polarization information. The perpendicular distance is calculated from each grid point to the ray. The amplitudes of the envelope of the recorded signal are weighted with a Gaussian beam depending on this calculated distance. Finally, a summation of all weighted amplitudes over all receivers is done. In principle this corresponds to a migration operator which is restricted to the width of a Gaussian beam around each ray. After migration the grid point with maximum amplitude is considered to be the hypocenter of the event. Until now the approach was successfully applied to synthetic data examples. We assumed isotropic homogeneous 3D velocity models. The synthetic data were generated with several noise levels in the range of 0 30 per cent. We were able to locate all events sufficiently well. The uncertainty of location depends mainly on the geometry of receivers, the signal-to-noise ratio, the chosen grid dimension and the width of a Gaussian beam. Our approach is characterized by a high degree of automation because it uses event time intervals and not picked arrival times. Seismologie 485 SO25 – Mi.,10.3.,15:40-16:00 Uhr · H0104 Stange, St. (LGRB Freiburg) Sind lokale Herdtiefenangaben überhaupt vertrauenswürdig? Beispiel Albbeben 2003 E-Mail: [email protected] Am 22.3.2003 ereignete sich mit einer Magnitude von ML=4.4 in Albstadt-Ebingen das stärkste Erdbeben seit 25 Jahren im Herdgebiet Zollernalb. Die erste Routinelokalisierung mit den echtzeitnahen Stationen (Epizentraldistanzen von 20km bis über 200km) des Erdbebendienstes in Baden-Württemberg (LED) ergab eine Herdtiefe von gut 10km mit einer Standardabweichung von ±1.5km. Wenige Tage später standen auch die Daten des Schwäbische-Alb-Netzes zur Verfügung (kleinste Epizentraldistanz 4km). Damit ergab sich eine Herdtiefe von 6.4 ±0.3km. Beide Lösungen waren mit exzellenten Daten bestimmt worden, aber nicht einmal die Fehlerbalken der Herdtiefen tangierten sich. Daraufhin wurde das Lokalisierungsverfahren mit dem Neighbourhood-Algorithmus (NA) von Sambridge (1999a,b) kombiniert. Der NA durchsucht zunächst den Parameterraum, wodurch es möglich ist, auch die Unsicherheiten des Geschwindigkeitsmodelles zu berücksichtigen. Darauf aufbauend wird dann die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung im Parameterraum bestimmt, so dass sich substanzielle Vertrauensbereiche angeben lassen. Selbst für den besten Datensatz zu diesem Beben (nur Stationen innerhalb 80km, P- und S-Phasen) und Unsicherheiten in den seismischen Geschwindigkeiten von einigen Prozent, ergab sich mit dem NA ein 68.3% Konfidenzbereich (vergleichbar der Ein-SigmaStandardabweichung) für die Herdtiefe von nahezu ±4km. Dies ist für die exzellente Stationsüberdeckung eine unerwartet hohe Unsicherheit, so dass versucht wurde durch verschiedene Multi-Event-Ansätze das Ergebnis wieder zu verbessern. Während sich dadurch die Unsicherheit in den seismischen Geschwindigkeiten etwas reduzieren ließ, musste andererseits die A-priori-Varianz der Phasenablesungen erhöht werden. Dies führte dazu, dass zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Abstracts die Fehlerbreite in der Herdtiefe weiterhin mit mindestens ±3.5km angegeben werden musste. Noch ungünstiger (wegen der größeren Epizentraldistanzen) fiel das Ergebnis für den Routinedatensatz (s.o.) aus: ±5km. Das Beispiel zeigt sehr deutlich, wie groß realistische Konfidenzbereiche der Tiefenbestimmung auch bei fast idealen Registrierbedingungen sind, und dass diese Fehlerangaben bei der Weiterverarbeitung von Katalogherdtiefen keinesfalls vernachlässigt werden dürfen. Trotz der geschilderten Unsicherheiten in der Hypozentrumsbestimmung zeigte sich klar, dass das Albbeben vom 22.3.2003 (mit Nachbeben) nicht mit dem Hohenzollerngraben im engeren Sinne in Zusammenhang gebracht werden kann. Darauf deutet auch die Herdflächenlösung hin, die - wie fast immer auf der Zollernalb - ein NNE streichender Strike-slip ist. Sambridge, M., 1999a. Geophys. J. Int. 138, 479-494. Sambridge, M., 1999b. Geophys. J. Int. 138, 727-746. 486 Abstracts SO26 – Mi.,10.3.,16:20-16:40 Uhr · H0104 Krüger, F. (Potsdam, Inst. f. Geowissenschaften), Dahm, T. (Hamburg, Inst. f. Geophysik), Essen, H.H. (Hamburg, Inst. f. Meereskunde) Imaging-Techniken für Meeresmikroseismik-Erzeugungsgebiete E-Mail: [email protected] In den letzten Jahren hat das Interesse an den durch interferierende Ozeanwellenfelder erzeugten seismischen Oberflächenwellenfeldern (Meeresmikroseismik) im Zusammenhang mit Fragen des Klimawandels, aber auch der Wellenhöhenstatistik, zugenommen. Dabei ist eine wichtige Frage, ob die Erzeugungsgebiete ortsfest oder eher zufällig verteilt sind. Neuere Arbeiten haben eher die Existenz weniger ortsfester Gebiete bestätigt. Nicht vollständig geklärt ist, was diese Gebiete im Einzelnen auszeichnet und wie groß ihre laterale Ausdehnung ist. Wir vergleichen mehrere neue und klassische Techniken zur Lokalisierung der Meeresmikroseismik-Erzeugungsgebiete (Polarisationsanalyse von Dreikomponentenregistrierungen; Array-Backtracking; Korrelation von Ozeanmodell- und seismischen Wellenfeldern; Migrationstechniken) hinsichtlich ihrer Auflösung und Eindeutigkeit an synthetischen Daten und realen Daten von drei seismischen Arrays (GRF-Deutschland, NORSARSüdnorwegen, ESK-Schottland) und europäischer Dreikomponentenstationen für einige ausgezeichnete Sturmereignisse im Nordatlantik. Seismologie 487 SO27 – Mi.,10.3.,16:40-17:00 Uhr · H0104 Dahm, T. (IfG Universität Hamburg), Essen, H. (IfM Universität Hamburg), Krüger, F. (IfG Universität Potsdam), Hensch, M. (IfG Universität Hamburg) Vergleich von historischer Meeresmikroseismik an europäischen Observatorien und ihre Bedeutung für das Klimasystem im Nordatlantik E-Mail: [email protected] Seismische Observatorien in Europa haben seit Beginn des 20. Jahrhunderts kontinuierlich Wellenformdaten aufgezeichnet und archiviert. Ozeanische Bojen-, Schiffs- oder Satellitendaten wurden erst viele Jahrzehnte später für den Nordatlantik systematisch und kontinuierlich erfaßt. Die seismischen Aufzeichnungen der Meeresmikroseismik, d.h. der von ozeanischen Schwerewellen erzeugten Bodenunruhe im Landesinneren, hat daher das Potenzial zur Diskussion um den Klimawandel seit Beginn des 20. Jahrhunderts beizutragen. Im Rahmen des Hamburger SFB 512, Tiefdruckgebiete und Klimasystem des Nordatlantiks, wurde die historische Meeresmikroseismik für mehrere europäische Stationen ausgewertet. Erste Ergebnisse für die Hauptstation Hamburg hatten einen Anstieg der Sturmhäufigkeit im Nordatlantik seit den 1970-er Jahren angedeutet, der mit einem Anstieg des NAO-Index korrelierte (Grevemeyer et al., Nature 408, 2000). In dem Vortrag hier wird die Statistik der Tage hoher historischer Mikroseismik an mehreren europäischen Stationen ausgewertet und kritisch analysiert. Die Korrelation untereinander wird untersucht und die Aussagekraft für die nordatlantische Sturmhäufigkeit im 20. Jahrhundert wird neu diskutiert. 488 Abstracts SO28 – Mi.,10.3.,17:00-17:20 Uhr · H0104 Kuhlmann, S., Jahr, T., Kroner, C. (FSU Jena) Numerische Modellierungen zu seismischem Rauschen am Geodynamischen Observatorium Moxa E-Mail: [email protected] Seismisches Rauschen im Frequenzbereich von 0.01 bis 10 mHz ist überwiegend luftdruckinduziert und wird auch in den Registrierungen rauscharmer Stationen wie dem Geodynamischen Observatorium Moxa beobachtet. Die Horizontalkomponenten sind dabei besonders betroffen. Um das SignalRausch-Verhältnis zu verbessern, ist es nötig, geeignete Korrekturverfahren für Luftdruckeffekte zu entwickeln. Voraussetzung ist das vollständige Verständnis der Übertragungsmechanismen des Luftdrucksignals auf die registrierenden Instrumente. Das Geodynamische Observatorium Moxa eignet sich sehr gut für solche Untersuchungen, weil keine anderen Rauschquellen zu erwarten sind. Um die physikalischen Abläufe zu studieren, ist ein Finite-Elemente-Modell der Observatoriumsumgebung entwickelt worden. Unter der Annahme einer rein elastischen Rheologie ist das Modell mit verschiedenen typischen Luftdruckszenarien belastet worden. Dazu gehören u. a. die Bewegung von Hoch- und Tiefdruckgebieten über das Modell und Staudruckeffekte durch Wind. Die resultierenden Verschiebungen an den Stainmeter- und Seismometer-Standorten sind in Neigungs- und Deformationsänderungen umgerechnet worden, um sie mit realen Registrierungen zu vergleichen. Die Untersuchung der Einflussfaktoren konzentriert sich auf die Bereiche Lithologie und Strukturgeologie. Die Wirkung verschiedener Gesteine mit unterschiedlichen gebirgsmechanischen Parametern sind getestet und die Auswirkung von Schichtung und einem Kluftsystem untersucht worden. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass alle angenommenen Luftdruckszenarien signifikante Effekte produzieren. Die Größenordnung der Effekte ist im Wesentlichen abhängig von der Größe des E-Moduls. Die durch eine Schichtung hervorgerufene Anisotropie modifiziert die Effekte, ändert ihre Größenordnung jedoch nicht. Ob sie verstärkt oder abgeschwächt werden, hängt dabei vom Einfallen der Schichten und der Richtung der Luftdruckbewegung ab. Ähnliches gilt für Klüfte. Allerdings können sich hier die Größenordnung und die Richtung der Effekte signifikant ändern. Mit dem Modell können die Beobachtungen in Moxa gut erklärt werden. Webseite: jena.de/geophysik/ http://www.geo.uni- Seismologie 489 SO29 – Mi.,10.3.,17:20-17:40 Uhr · H0104 Steffen, H. (Uni Göttingen), Jahr, T., Kroner, C. (FSU Jena) Numerische Modellierungen zu luftdruckinduziertem Rauschen am Observatorium Schiltach (BFO) E-Mail: [email protected] Registrierungen von Breitbandseismometern liefern Aufschluß über den ein- und dreidimensionalen Aufbau des Erdkörpers und dynamische Vorgänge wie z.B. Erdbeben. Sie sind daher für die Erforschung des Erdkörpers von besonderer Bedeutung. Rauschen stellt einen begrenzenden Faktor bei der Untersuchung seismischer Signale dar. Selbst in den Daten rauscharmer Stationen wie dem Geowissenschaftlichen Gemeinschaftsobservatorium Schiltach (BFO) im Schwarzwald zeigt sich ein signifikantes Rauschen in den Registrierungen. Dieses ist größtenteils meteorologisch bedingt und wirkt sich verstärkt auf die Horizontalkomponenten aus. Um ein Korrekturverfahren zur Reduktion der Effekte in den seismischen Horizontalkomponenten zu entwickeln, müssen die physikalischen Übertragungsmechanismen bekannt sein. Diese können mittels FiniteElement-Modellierungen untersucht werden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf dem luftdruckinduzierten Rauschen, das durch Umgebungsfaktoren wie z.B. Topographie und Geologie in seiner Auswirkung beeinflußt wird. Mit Hilfe des Programmpaketes ABAQUS wird ein dreidimensionales Modell des BFO mit elastischer Rheologie erstellt (Abb. 1), an dem für spezielle Fragestellungen Veränderungen vorgenommen werden, so daß der Einfluß von Klüften, Gesteinen anderer Rheologie und der Lage der Instrumente im Gebirge auf die luftdruckinduzierten Effekte bestimmt werden kann. Die Modellvarianten werden verschiedenen, typischen Luft- druckszenarien wie Hoch- und Tiefdruckgebieten, Wind und Gewitterfronten ausgesetzt, um die Größenordnung der Effekte zu bestimmen und zu vergleichen sowie dominierende Einflußfaktoren zu ermitteln. Die resultierenden Neigungs- und Deformationseffekte werden für die Positionen der Seismometer und Strainmeter berechnet. Die Modellierungen bestätigen, daß sich Luftdruckschwankungen noch 170 m unter der Oberfläche signifikant auf seismologische Beobachtungen auswirken. Dabei zeigt sich, daß alle Luftdruckszenarien Auswirkungen haben und sich überlagern. Es kann die Abhängigkeit der Effekte von der Topographie und von Klüften im umgebenden Gestein einer im Berg gelegenen Station nachgewiesen werden. Klüfte können Luftdruckeffekte umkehren oder vermindern. Desweiteren können Effekte auf Gesteinsarten mit im Vergleich zum umgebenden Gestein anderen rheologischen Eigenschaften im Umfeld einer Station zurückgeführt werden. Bestätigt wird, daß Standorte näher an der Oberfläche stärkere Effekte zeigen und Neigungseffekte von der Windrichtung bzw. der Ausbreitungsrichtung der Luftdruckgebiete abhängig sind. Ein Vergleich mit Beobachtungen am Observatorium Schiltach weist eine sehr gute Übereinstimmung mit den berechneten Ergebnissen auf. Die Erkenntnisse der Modellierungen geben Hinweise auf Luftdruckeffekte an anderen Observatorien und für Korrekturverfahren zum 490 Abstracts Abbildung 1: Blick aus Südwesten auf das Modell, Dimensionen in m. Luftdruck. Webseite: jena.de/geophysik/ http://www.geo.uni- Seismologie SO30 – Do.,11.3.,09:30-09:50 Uhr · H0104 Hergarten, S. (Bonn) Nachbeben allein durch Spannungsübertragung? E-Mail: [email protected] Für das Auftreten von Nachbeben im Anschluss an starke Erdbeben gibt es nach wie vor keine einheitliche Erklärung. Oftmals wird die Ausbreitung von Fluiden als Ursache favorisiert, doch es ist auch möglich, realistische Sequenzen sowohl von Vor- als auch Nachbeben durch einfachere Mechanismen, wie z. B. viskose Krustendeformation, zu reproduzieren. Neue statistische Untersuchungen sprechen dafür, dass Vor- und Nachbeben keine andere Characteristik als „normale“ Erdbeben haben, was auf einen einfachen Mechanismus hindeutet. In einer 2002 veröffentlichten Arbeit (Hergarten & Neugebauer, Phys. Rev. Lett. 88, 238501) gelang es, Omori’s Gesetz sowohl für Vor- als auch für Nachbeben zumindest qualitativ aus einen sehr einfachen dynamischen Modell heraus zu reproduzieren. Bei dem verwendeten Modell – dem etablierten OlamiFeder-Christensen (OFC) Modell – handelt es sich um einen zellulären Automaten aus Blöcken, die durch elastische Federn untereinander und mit einer antreibenden Platte verbunden sind. Mittlerweile stehen weitere statistische Auswertungen des Modellverhaltens zur Verfügung. Es zeigt sich, dass das einfache Modell der statischen Spannungsübertragung qualitativ nahezu alle Eigenschaften der Dynamik von Nachbeben reproduziert, während eine quantitative Umsetzung in Bezug auf die Zeitskalen und die Anzahl von Nachbeben Schwierigkeiten bereitet. 491 492 Abstracts SO31 – Do.,11.3.,09:50-10:10 Uhr · H0104 Goltz, C., Rabbel, W. (Kiel, Geophysik) Weitreichende Erdbebensynchronisation E-Mail: [email protected] Große Erdbeben können durch Ereignisse ähnlicher Größe über weite Entfernungen hinweg „ausgelöst“ werden. Weit bedeutet hierbei ein Vielfaches der Quelldimension des „auslösenden“ Bebens. Die statistische Signifikanz dieses Phänomens wurde kürzlich für globale Erdbeben mit Mw ≥ 5 nachgewiesen. Darüberhinaus wurde für Kalifornien gezeigt, daß kleine Beben z.B. der Magnitude 3 auch Beben z.B. der Magnitude 6 „auslösen“ können. Diese Beobachtungen lassen sich am besten unter der Annahme eines kritischen Zustands der Erdkruste erklären, da die entfernt auftretenden Spannungsänderungen ansonsten zu klein für das Auslösen eines weiteren Bebens wären. Kritisch bezeichnet hier den Zustand eines Systems an oder nahe an einem Phasenübergang, ist also im Sinne der statistischen Physik gemeint. Das Hauptcharakteristikum des kritischen Zustands ist jedoch die Existenz von Potenzgesetzen bzw. fraktalen Statistiken. Derartige Skaleninvarianz ist wiederum gleichbedeutend mit dem Verschwinden charakteristischer Längen, der Divergenz der Korrelationslänge. Eine räumlich weitreichende Korrelation zwischen Erdbeben wird also für den Zustand nahe am kritischen Punkt zwingend erwartet. Die Beobachtung derartiger Korrelationen impliziert also keineswegs einen deterministischen Ursache-Wirkung Zusammenhang. Wir zeigen Ergebnisse einer Untersuchung der Korrelationslänge für die Seismizität Islands, die auf einem Erdbebenkatalog hoher Qualität für die Jahre 1991 bis 2000 basiert. Hierbei stellen wir die für diese Untersuchung entwickelte Methode detailliert vor und diskutieren mögliche Probleme und offene Fragen. Wir machen klar, wie das Konzept des kritischen Punkts Anwendung findet und schlagen vor, die auch in unseren Daten bestätigte weitreichende Korrelation in Erdbebenmustern nicht als triggering oder überhaupt als Interaktion zwischen individuellen Ereignissen zu betrachten, sondern das Phänomen als Erdbebensynchronisation zu bezeichnen. Webseite: http://www.geophysik.unikiel.de/ geo43/ Seismologie SO32 – Do.,11.3.,10:10-10:30 Uhr · H0104 Kito, T., Krüger, F. (Universität Potsdam) Anomale P Phasen aus der D” Schicht unter dem nördlichen Pazifik E-Mail: [email protected] Die P Wellen Geschwindigkeitsfeinstrukturen der D” Schicht unter dem nördlichen Pazifik werden mit teleseismischen Daten von 69 japanischen Tiefbeben untersucht, die mit dem Yellowknife Array (Kanada) registriert wurden. Die Tiefe der Beben ist größer als 200 km, um Tiefenphasen zu vermeiden, und die Raumwellenmagnitude ist größer als 5.5, um gute Signal-Rausch Verhältnisse zu haben. Das Yellowknife Array besteht aus 19 Vertikalkomponenten (kurz-periodisch) und die Ausdehnung beträgt 20 x 20 km. Die Entfernung zwischen Quellen und Empfängerarray beträgt 52 Grad bis 80 Grad. Vespagramme von einigen Ereignisse zeigen, daß die große PdP Phasen mit maximalen Amplituden von 30 Migriert wurde für ebene Schichten. Mit der Double Array Methode, die Empfängerarray und Quellarray gleichzeitig ausnutzt, ist es möglich, für die beiden Arrays gemeinsame kohärente Phasen aus dem unteren Mantel zu identifizieren. Dazu ist das Phase-Weighted Stack Verfahren, das inkohärentes Rauschen reduziert, angewendet worden, um eine höhere Auflösung zu erzielen. Bei der Berechnung der Laufzeiten wurden Korrekturen für den oberen Mantel und die Kruste unter beiden Arrays angewendet. Da die Ausdehnung des Quellarrays etwa 30 Grad (NW-SE) beträgt, wurde das Quellarray in 25 Subarrays aufgeteilt, um die regional laterale Variation der Struktur der D” Schicht zu identifizieren. Ein 2D Querschnitt zeigt, dass sich in der D” Schicht unterbrochene Anomale Gebiete in einer Tiefe von etwa 2600 km befinden. 493 494 Abstracts SO33 – Do.,11.3.,10:30-10:50 Uhr · H0104 Rößler, D., Krüger, F. (Universität Potsdam), Rümpker, G. (GFZ Potsdam) Effekte inhomogener Anisotropie auf die Momententensorinversion mittels isotroper Standardmethoden E-Mail: [email protected] Anisotrope Materialeigenschaften werden mittels isotroper Standardmethoden verdeutlibei der Inversion der Herdparameter von Erd- chen diesen Zusammenhang. beben üblicher Weise vernachlässigt. Andererseits ist Anisotropie ein häufig zu beobach- Webseite: http://www.geo.uni-potsdam.de tendes Phänomen natürlicher Gesteine. Wir untersuchen durch Anisotropie hervorgerufene Effekte auf Abstrahlmuster, Wellenfelder und invertierte Momententensoren für seismische Punktquellen. Dabei bilden die Herdregion in Verbindung mit dem Medium entlang des Strahls eine inhomogenes, anisotropes Medium. Anisotropie an der Quelle wirkt sich signifikant auf Momententensoren aus. Abstrahlcharakteristiken sowie die Wellenformen werden in charakteristischer Weise durch inhomogene Anisotropie verändert. Im Gegensatz zu isotropen Medien beeinflusst die Richtung des Versatzes das totale seismische Moment. Scheinbare Nicht-DoubleCouple Anteile können durch reine Scherquellen erzeugt werden, wenn die Symmetrieachsen des anisotropen Quellmediums gegenüber der Bruchrichtung rotiert sind. Gleichzeitig kann dies zur Verdeckung von realen volumetrischen Anteilen führen. Die gemeinsame Interpretation der Abstrahlmuster von qPund qS-Wellen verdeutlicht, dass qP-Wellen besonders deutlich das erzeugte Kräftemodell wiedergeben, während qS-Abtrahlmuster empfindlich von den anisotropen Eigenschaften des Quellmediums abhängen. Fehlerhafte Rückschlüsse auf Herdmechanismen können gezogen werden, wenn Anisotropie im Inversionsprozess vernachlässigt wird. Modellrechnungen zur Momententensorinversion Seismologie 495 SO34 – Do.,11.3.,11:10-11:30 Uhr · H0104 Sens-Schönfelder, C., Goltz, C. (Kiel) Principal Components of Icelandic Seismicity E-Mail: [email protected] Principal Components Analysis (PCA) is a ponents identified by out method represent technique that transforms a set of possibly cor- these states. related variables into a new set of mutually uncorrelated variables called principal components. The set of components contains the same information as the original data. Basis is the eigenstructure analysis of the covariance matrix of the original data. In remote sensing PCA is often used to decompose the highly correlated, i.e. redundant, frequency bands into uncorrelated images of decreasing significance (variance, information). We use spatio-temporal PCA to analyse local seismicity recorded by the SIL-network in Iceland between 1991 and 2002. This approach utilizes multi-temporal data of spatially distributed seismicity, for example maps of yearly seismicity rates. Temporal information is provided by loading graphs that represent the correlations between each respective component and all time slices. Spatio-temporal PCA appears well suited for the decomposition of seismicity due to different mechanisms, of which a multitude is present in Iceland. The dominant seismicity of the fracture zones in the north and south of Iceland is of course reflected in the highest components. The ability of spatio-temporal PCA to remove these dominant patterns provides a means to uncover more subtle patterns such as e.g. seismicity associated with individual volcanoes. If the seismicity in Iceland is viewed as a temporally varying superposition of independent spatial patterns of activity then the com- 496 Abstracts SO35 – Do.,11.3.,11:30-11:50 Uhr · H0104 Knapmeyer, M., Oberst, J. (Berlin), Spohn, T. (Münster) Optimierung eines seismischen Netzwerks mit einem Genetischen Algorithmus E-Mail: [email protected] Im Europäischen NetLander-Projekt soll erstmalig ein Netzwerk aus vier Seismometern auf dem Mars installiert werden. Die geplante Lebensdauer beträgt ein Marsjahr. Wissenschaftliche Zielsetzung des seismischen Experiments sind sowohl die Untersuchung der Krustenstruktur als auch die Ermittlung der genauen Größe des Kerns und seines Aufbaus. Das seismische Netzwerk muß hinsichtlich der Detektion, der Lokalisierung und der gewünschten Ergebnisse optimiert werden. Gleichzeitig sind technische Beschränkungen zu berücksichtigen, die sich aus dem Klima des Mars und der verwendeten Technologie ergeben. Aus den niedrigen Temperaturen des marsianischen Winters und der maximal zur Verfügung stehenden Heizleistung ergibt sich, daß nur Standorte nördlich von 30 Grad südlicher und südlich von 30 Grad nördlicher Breite in Frage kommen. In größerer Entfernung vom Äquator wäre eine Überwinterung der Stationen nicht möglich. Da die Landung aus Gewichtsgründen mit der bei der amerikanischen Pathfinder-Mission erfolgreich verwendeten Kombination von Fallschirmen und Airbags erfolgen soll, dürfen die Landeplätze nicht höher als das Nullniveau der von Mars Global Surveyor gemessenen Topographie liegen: in größerer Höhe ist der Luftdruck für einen Abstieg am Fallschirm nicht mehr ausreichend. Daher müssen die möglichen Landeplätze aus einer Gruppe nicht zusammenhängender Gebiete ausgewählt werden. Es stellt sich nun die Frage, an welchen Stellen die vier Stationen aufgestellt werden sollten, um mit den vorgegebenen Beschränkungen der Netzwerkgeometrie das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Da die Verteilung der marsianischen Seismizität nicht bekannt ist, haben wir zunächst eine Gleichverteilung sowie in einem zweiten Schritt eine einfa- Abbildung 2: Die gefundenen 32 möglichen Abbildung 1: Eine einfache Epizentrenvertei- Landegebiete, die sich zu 23 verschiedelung: es wird angenommen, daß sich die Epi- nen Familien von Netzwerk-Konfigurationen zentren im Bereich der vulkanischen Porvin- kombinieren lassen. Unterlegt ist die Topograzen Tharsis und Elysium konzentrieren. phie des Mars und die 0m-Höhenlinie. Seismologie che, um die großen Vulkane zentrierte Modellverteilung angenommen. Ein auf der Kartierung von an der Oberfläche sichtbaren tektonischen Störungen basierender realistischer Katalog möglicher Epizentren ist derzeit in Arbeit. Die üblichen Methoden zur Netzwerkoptimierung (z.B. Peters & Crosson, 1972) setzen die Kenntnis der Struktur des Untergrunds voraus. Dies ist im Falle des Mars nicht gegeben. Selbst die Mächtigkeit der Marskruste ist noch Gegenstand laufender Diskussionen. Daher muß für die Optimierung des Netzwerkes auf einfache geometrische Überlegungen zurückgegriffen werden. Als Maß für die Detektionsfähigkeit des Netzwerkes wird die Distanz aller Epizentren zur jeweils nächstgelegenen Station ermittelt und hiervon der maximale Wert verwendet. Dieser maximale Wert ist zu minimieren. Als Maß für die Lokalisierungsfähigkeit wird der Median der azimutalen Lücke aller Epizentren in Bezug auf das Netzwerk berechnet. Dieser Wert muß ebenfalls minimiert werden. Da bei der Minimierung der beiden Größen vermutlich Kompromisse einzugehen sind, wird tatsächlich ein gewichtetes Mittel aus beiden als Qualitätsmaß betrachtet und dieses durch einen Genetischen Algorithmus minimiert. Der Genetische Algorithmus sucht zunächst die bestmögliche Konfiguration, d.h. eine, die innerhalb des zulässigen Landegebiets liegt und für die das Qualitätsmaß optimal ist. Durch eine einfache ”Grid Search” werden dann in der Umgebung der optimalen Konfiguration weitere akzeptable Konfigurationen gesucht. In einer weiteren Iteration kommt dann der Genetische Algorithmus wieder zum Zuge, um die bestmögliche Konfiguration außerhalb des bisher durchsuchten Gebiets zu finden. Resultat sind eine Anzahl von Famili- 497 en von Netzwerk-Konfigurationen (Abb. 2 zeigt die 32 möglichen Landegebiete für die ein Abb. 1 gezeigte einfache ModellEpizentrenverteilung). Anhand der Lösungen für die verschiedenen Annahmen über die Epizentrenverteilung sollte nun eine Auswahl getroffen werden, die den bestmöglichen Kompromiß zwischen effizienter Nutzung der erwarteten seismischen Ereignisse und Robustheit gegenüber Irrtümern bei der Planung darstellt. Hierbei ist zum einen die Möglichkeit zu bedenken, daß die angenommene Epizentrenverteilung falsch sein könnte. Zum anderen muß aber auch bedacht werden, daß die Position der Stationen nur in einer Landeellipse mit einer Ausdehnung von bis zu einigen Hundert Kilometern genau positioniert werden können. Literatur: Peters, David C.; Crosson, Robert S. (1972): Application of Prediction Analysis to Hypocenter Determination using 498 Abstracts SO36 – Do.,11.3.,11:50-12:10 Uhr · H0104 Knapmeyer, M. (Münster) TTBOX: Berechnung teleseismischer Laufzeiten mit MatLab E-Mail: [email protected] Die Berechnung von Laufzeiten seismischer Wellen ist eine der elementaren Voraussetzungen für jede seismologische Arbeit. Da MatLab in den letzten Jahren als Werkzeug für die Datenbearbeitung an Bedeutung gewonnen hat, ist es wünschenswert, aus MatLabProgrammen direkten Zugriff auf Funktionen zur Berechnung von Laufzeiten zu haben. Dies ist auf zwei Arten realisierbar: zum einen durch Interface-Routinen zu bereits existierender Software, zum anderen durch eine Neuprogrammierung in MatLab. Die zweite Alternative hat den Vorteil, daß in der MatLabSprache geschriebene Programme leicht auf andere Betriebssysteme und Hardwareplattformen portierbar sind: sie laufen auf allen Rechnern, auf denen MatLab läuft. Es sind keinerlei Neukompilierungen oder Anpassungen des Quelltextes notwendig. TTBOX verfolgt den zweiten Ansatz. TTBOX berechnet Laufzeiten für eindimensionale sphärische Geschwindigkeitsmo- delle. Diese Modelle können in Form diskreter Stützstellen (modifiziertes .nd-Format) oder, ähnlich wie das IASP91-Modell, stückweise stetig durch Schichtpolynome angegeben werden (neu eingeführtes .clr-Format). In den Modelldateien können optional neben den Geschwindigkeiten auch die Dichte und zwei QFaktoren als Funktionen der Tiefe bzw. des normierten Radius angegeben werden. Außerdem enthalten die Dateien die Namen von Diskontinuitäten (optional), den Namen des Modells, sowie den Namen und Radius des Planeten, für den das Modell gültig ist. Letzteres ist von Bedeutung, da TTBOX speziell für die Anwendung auf Modelle des Mondes und des Mars (oder anderer terrestrischer Planeten) geschrieben wurde. Zu guter letzt können die Modelldateien beliebige Mengen Abbildung 1: Abweichungen der TTBOX- Abbildung 2: Mit TTBOX geplottetes PKKPLaufzeiten von den IASP91-Laufzeiten Strahlenbündel Seismologie von Kommentaren enthalten, so daß insbesondere mit dem .clr-Format eine umfassende und selbstkonsistente Beschreibung von Geschwindigkeitsmodellen möglich ist. Beide Dateiformate sind auch für Menschen leicht lesbare ASCII-Formate. Die Berechnung von Strahlwegen und Laufzeiten erfolgt unter Anwendung der FlacheErde-Transformation (Müller, 1977) in kartesischen Koordinaten. Hier können die Integrale für Weg und Laufzeit für lineare Geschwindigkeitsgesetze analytisch gelöst werden. Diskrete Modelle werden also linear interpoliert. Durch Polynome definierte Modelle werden derzeit diskretisiert und dann ebenfalls durch lineare Interpolation zwischen den Stützstellen ausgewertet. Die mit TTBOX berechneten Laufzeiten für P, PKPdf, S und SKSdf wurden mit den von Kennett (1991) publizierten Laufzeiten für Oberflächenherde und das Geschwindigkeitsmodell IASP91 verglichen. Bei einer Diskretisierung in 10km-Intervallen und im Entfernungsbereich von 10°bis 99°ist die Abweichung für P überall kleiner als 0.045s und für S kleiner als 0.048s. Für die unter der Flache-Erde-Transformation schwer zu berechnenden Phasen PKPdf und SKSdf sind die Abweichungen bei der gleichen Diskretisierung überall kleiner als 0.156s bzw. 0.139s, in Entfernungen kleiner als 160 Grad sind sie allerdings weniger als halb so groß (Abb. 1). Zum Vergleich: Die publizierten P-Laufzeiten von IASP91 und Jeffreys & Bullen (1940) für den Entfernungsbereich 10°bis 99°weichen im Median um 1.9s voneinander ab. Derzeit kann TTBOX Geschwindigkeitsmodelle für die Phasen P, S, PS, SP, PcP, ScS, PcS, ScP, PKP, SKS, PKKP, SKKS, PKiKP, PKIKP, SKIKS sowie einige Multiple von diesen auswerten. TTBOX umfaßt Routinen zur Erzeugung von Listen von Phasen und Laufzeiten für vor- 499 gegebene Entfernungen und Herdtiefen (ähnlich den Summary Tables bei Kennett, 1991), zur Erzeugung und grafischen Darstellung von Laufzeitkurvensätzen, zur grafischen Darstellung von Strahlwegen (Abb. 2), zur grafischen Darstellung von Geschwindigkeitsmodellen und selbstverständlich zum Schreiben und Lesen von Dateien im .nd und .clr Format. Zusätzlich zu umfangreichen Help-Lines in den einzelnen Routinen existiert eine HTMLDokumentation, in welcher Datenstrukturen und Dateiformate detailliert beschrieben werden. Darüber hinaus enthält diese Dokumentation ein Tutorial zur Arbeit mit TTBOX. TTBOX wurde im Rahmen eines Projekts im DFG-Schwerpunktprogramm ”Mars und die terrestrischen Planeten” unter MatLab 6.0 entwickelt (DFG grant SP219/19-1). Mit Beginn der DGG-Jahrestagung 2004 wird TTBOX auf der Website des DFG-Schwerpunkts unter http://ifp.uni-muenster.de/spp1115/ im Bereich ”Publications” zum Herunterladen bereit liegen. Literatur: Jeffreys, H. / Bullen, K.E. (1940) Seismological Tables; reprinted by the British Association for the Advancement of Science, 1967 Kennett, B.L.N. (ed.) (1991): IASPEI 1991 Seismological Tables; Research School of Earth Sciences, Australian National University, Canberra Müller, G. (1977): Earth-Flattening Approximation for Body Waves Derived from Geometric Ray Theory - Improvements, Corrections and Range of Applicability; 500 Abstracts SOP01 Parotidis, M., Mieth, M., Rothert, E., Shapiro, S.A. (Geophysik - Freie Universität Berlin) Bestimmung der Diffusivität aus seismischen Ereignissen getriggert nach dem Ende von Fluidinjektionen in Bohrlöchern E-Mail: [email protected] Für die Beschreibung der Seismizität, die bei Fluidinjektionen in Bohrlöchern getriggert wird, gibt es verschiedene Methoden. Shapiro et al. [1997, 1999, 2002, 2003] entwickelten ein Konzept, das auf der Annahme basiert, dass Porendruck-Diffusion der HauptAuslösemechanismus für die Seismizität ist. Dieses Konzept führte zur Entwicklung verschiedener Methoden,die DiffusivitätsAbschätzungen für den seismisch aktiven Bereich ermöglichen, sowohl für den homogenen und isotropen Fall als auch für Anisotropie beziehungsweise Heterogenität des Mediums, bezüglich seiner hydraulischen Eigenschaften. Eine der Entwicklungen des obigen Konzeptes stellt die Methode dar, die skalare Diffusivitäts-Abschätzungen ermöglicht, indem das raumzeitliche Muster der nach Injektionsende induzierten Seismizität betrachtet wird. Dabei wird eine sogenannte hintere Front (back front) beobachtet, die analytisch bestimmt werden kann. Die erfolgreiche Anwendung dieser Methode an Daten von Hot Dry Rock Experimenten in Fenton Hill, USA [Fehler et al. 1998] und Soultz, Frankreich [Dyer et al. 1994],bestätigt die Existenz einen seismischfreien hinteren Front, die Folge der Ausbreitung von Porendrücken entsprechend der Diffusionsgleichung ist [Parotidis et al. 2003]. Für die hier präsentierte Studie wird die Hintere-Front-Methode für den anisotropen homogenen Fall, bezüglich der hydraulischen Eigenschaften, weiterentwickelt. Die Ausbrei- tung der seismischfreien Zone soll tensoriell beschrieben werden, um entsprechend die tensorielle hydraulische Diffusivität von den seismischen Ereignissen, die nach Injektionsende getriggert wurden, zu bestimmen. Es wird ein Algorithmus präsentiert, der mit Hilfe eines numerischen Modells, Möglichkeiten und Grenzen der Methode zeigen soll. Literatur Dyer et al., IR03/24, CSM Associated Ltd, 1994. Fehler et al., Tectonophysics, 289, 189-201. Parotidis et al., Geophys. Res. Lett., (eingereicht), 2003. Shapiro et al., Geophys. J. Int., 131, F15-F18, 1997. Shapiro et al., Geophys. J. Inter. 137, 207-213, 1999. Shapiro et al., Geophysics, 67, 1, 212-220, 2002. Shapiro et al., PAGEOPH, 160, 1051-1066, 2003. Seismologie 501 SOP02 Parotidis, M., Karpfinger, F., Rothert, E., Shapiro, S.A. (Geophysik - Freie Universität Berlin) Bestimmung hydraulischer Eigenschaften anhand der seismischen Rate von durch Fluidinjektionen induzierter Seismizität E-Mail: [email protected] Fluidinjektionen in Bohrlöchern, zum Beispiel für Hydraulic Fracturing oder Hot Dry Rock Versuche, induzieren Seismizität. Diese wird zum Teil mit großem Aufwand registriert und analysiert, mit dem Ziel Eigenschaften des Untergrundes zu bestimmen beziehungsweise über verursachte Änderungen zu beurteilen. Dafür sind genaue Lokalisierungen der seismischen Ereignisse notwendig, die mit speziellen Auswerteprogrammen und großem Aufwand erreicht werden können. Voraussetzung dafür ist die Installation eines Beobachtungsnetzes das in der Regel aus Geophonen besteht, die in Messbohrlöchern und/oder an der Oberfläche positioniert werden. Dies macht deu