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Einsatzmöglichkeiten und Eigenschaften einer Luftschall-Reflexionsseismik-Anlage

Fortgeschrittenen-Arbeit im Fach Geophysik

Universität Münster
Juni 1990 - Februar 1991

Claus-Peter Rückemann

Stichworte:
Geophysik; Luftschall-Reflexionsseismik; Anlage; Einsatzmöglichkeiten; Eigenschaften; Geophon; Hydrophon; Lautsprecher; Signalquelle; Luftschall-Seismik; Oberflächenseismik; oberflächennah; sonischer Bereich; Auflösung; Signalenergie; hochfrequent; Meßfortschritt; CMP; seismische Kartierung; Bohrloch; VSP-Registrierung; Vertical Seismic Profiling

Das Verfahren der Luftschall-Seismik ist eine seismische Methode, wie sie in der angewandten Geophysik eingesetzt wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung und Erprobung einer solchen Anlage unter verschiedenen, neuen Gesichtspunkten.

Der Einsatz eines Lautsprechers als Signalquelle wurde wegen des verlustreichen Übergangs Luft-Boden lange für nicht praktikabel gehalten, bietet aber eine Reihe von Vorteilen gegenüber den ,,herkömmlichen`` Methoden der Anregung von Wellen im Untergrund:

Zur Erzielung einer möglichst hohen Auflösung der seismischen Abbildung muß die Wellenlänge des Signals klein und damit die Frequenz groß gewählt werden. Die Verwendung von Frequenzen im sonischen Bereich (rund 100-1000 Hz) gewährleistet ein höheres Auflösungsvermögen als andere Quellen, die auf dem Land benutzt werden.
Die Möglichkeit zur Einstellung des abgestrahlten Signals verbessert die Interpretierbarkeit der gewonnenen Daten, weil die Anregungsfunktion z.B. auf eine einzige Sinuswelle beschränkt werden kann. Außerdem läßt das Verfahren die einfache Anpassung der Sendefrequenz an den jeweiligen Untergrund zu.

Neben diesen prinzipiell bedingten Eigenschaften und physikalischen Anforderungen sollte die Registrieranlage außer zu wissenschaftlichenUntersuchungen auchfür einen Einsatz im Ingenieurbereich geeignet sein:

Die Anlage soll einen hohen Meßfortschritt ermöglichen. Dies erfordert einen weitgehend automatisierten Meßvorgang ohne Eingriffe des Benutzers während der Messung.
Die Anlage soll in kompakter Form zusammengefaßt und möglichst mobil sein. Die einzelnen Komponenten sollten nicht zu anfällig gegen mechanische Einwirkung und Witterungseinflüsse sein.

Die vorangestellte Beschreibung der aus diesen Möglichkeiten und Forderungen realisierten Apparatur sowie deren Aufbau liefert die speziellen theoretischen Grundlagen zu den anschließenden Untersuchungen.

Für die Entwicklung dieser Anlage wurden im Rahmen dieser Arbeit insbesondere folgende Punkte untersucht:

Der Einsatz der Anlage auf Sand bietet wegen der Homogenität und der guten Signaleinkopplung eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

Dazu wurden bereits im Vorfeldüber mehrere Monateganztägig Messungen über verschiedene Profile (Sand, Sand-Raseneisenerz) in einer geeigneten Sandgrube und an anderen Orten durchgeführt. Zur Auswertung wurden vorab verschiedene Programme entwickelt und eingesetzt. Es werden u.a. die Messungen zur Anregung von Oberflächenwellen und die Registrierung einer Grundwasserreflexion anhand der erarbeiteten Seismogramme und seismischen Kartierungen beschrieben und diskutiert.

Die nachgewiesene Grundwasserreflexion liegt in größerer Tiefe, als dies bei allen Messungen bisher möglich gewesen war.

Im folgenden Teil wird die Abstrahlcharakteristik des Systems Lautsprecher-Boden untersucht. Diese Messungen wurden durchgeführt, um einen Vergleich mit einer weiterenwickelten Anlage zu ermöglichen, die mit dem gleichen Lautsprechertyp, allerdings in einem anderen Gehäuse und verdoppelter Signalenergie arbeitet.Die Hodogramme der erhaltenen Richtcharakteristiken zu verschiedenen Aufbauten werden diskutiert.

Eine bis zu dieser Arbeit noch nicht untersuchte Einsatzmöglichkeit ist dieVerwendung eines Hydrophons als Signalaufnehmer für die Luftschall-Seismik. Damit wird unter Umgehung des hohen Aufwandes zum Einsatz von Geophonen als Bohrlochsonden die VSP-Registrierung (Vertical Seismic Profiling) in der oberflächennahen Seismik ermöglicht.

Als Testmessung wurde u.a. ein Profil mit einem Hydrophon auf dem Grund eines Sees gemessen. Die Registrierung wird diskutiert.

Die desweiteren in einer geeigneten Bohrung durchgeführten Messungen werden anhand der unterschiedlichen VSP-Registrierungen vorgestellt und im Zusammenhang mit Besonderheiten einer VSP-Messung und Rohrwellen diskutiert.

Abschließend wird ein wesentliches Ziel der Entwicklung behandelt, die Ortung kleinräumiger Strukturen im oberflächennahen Bereich mit Hilfe der Luftschall-Reflexionsseismik.

Diese Thematik wird am Beispiel einer Beton-Rohrleitung untersucht, die zu diesem Zweck mit der Anlage seismisch vermessen wurde.Die Ergebnisse von CMP, Geschwindigkeitsanalyse und seismischer Kartierung werden vorgestellt undhinsichtlich des Ziels dieser Arbeit diskutiert.

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