Messprinzip Anwendung Refraktionsseismik Messprinzip Anwendung

Einführung I Klassisches geophysikalisches Verfahren mit geringem technischem Aufwand seismische Quelle (Impulsquelle) > elastische Wellen ausbreitendes Wellenfeld wird mit Schwingungssensoren aufgezeichnet (Aufzeichnung liefert Einsatzzeiten) Bestimmung v über Laufzeitinversion Gut zu erfassen sind bspw. Auflockerung über Fels und in grobkörnigen Böden die Lage des Grundwasserspiegels Einsatz zum Beispiel bei: Baugrunduntersuchungen, Hangabrutschungen, Erprobung der Erdkruste

Einführung II Mit refraktionsseismischen Messungen lassen sich Aussagen über die Tiefe von Schichtgrenzen und den seismischen Wellengeschwindigkeiten der Schichten treffen. Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen >  Aussagen über die Lithologie

Grundlagen I Grundsätzlich Kompressionswellen (P-Wellen) und Scherwellen (S-Wellen), die Raumwellen der Seismik Sonst noch Oberflächenwellen (Love-, Releigh-, Scholte-Wellen) durch Erdbeben (Seismologie) oder künstlich durch Sprengungen, bzw. Hammerschlag, Fallgewicht erzeugt. Hauptaugenmerk P-Wellen, weil schneller Laufzeitbestimmung entscheidend, Amplitude/Energie nicht (siehe Reflexionsseismik) Impedanz (v*p)>Reflexionskoeffizient

Grundlagen II Snelliussches Brechungsgesetz: Kritischer Winkel: Lotrecht gebrochen (refraktiert) bei

Grundlagen III 2-Schichten-Modell mit ebenem Refraktor v2 > v1 ist Voraussetzung für Entstehung der Kopfwelle, sonst keine Brechung nach Oben Welle mit v2 erzeugt Sekundärwellen,  die nach dem  Huygensschen Prinzip unter dem kritischen Winkel Energie zur Oberfläche (nur) hin abstrahlen > E-Abgabe nur nach Oben bedeutet Ersparnis (statt Zunahme der Verbreitungsfläche um r^2), größer Distanzen möglich

Laufzeitkurven Strahlenverlauf und Laufzeitkurven (Laufzeitast) von direkter Welle, Reflexion und Kopfwelle Kritische Entfernung (abhängig von Mächtigkeit der Schicht) entspricht 2*tan(ikrit)*d Überholentfernung > Ersteinsätze Interzeptzeit Kehrwert der Anstiege entspricht der Geschwindigkeit An Seismometer angeschlossene Geophone (lineare Kette) zeichnen Signal auf

LZK-Funktion und Schichtdicke-Funktion Ableitung der Schichtdicke h bei einem Refraktor parallel zur Messebene aus der Interzept-Zeit t und der Überholentfernung mit sin α = V1 / V2 und    folgt die Gleichung für die Laufzeit Aus kritischer Entfernung und Wellengeschwindigkeit kann die Tiefenlage des Refraktors abgeleitet werden

2-Schichten-Modell Bestimme v1 aus der Steigung (1/ v1 ) der direkten Welle Bestimme v2 aus der Steigung (1/ v2 ) der refraktierten Welle Bestimme kritischen Winkel aus v1 und v2 Lies Interzeptzeit ti aus Laufzeitkurve der refraktierten Welle Bestimme Tiefe h mit Ermittle Überholdistanz aus Laufzeitkurve und bestimme h mit

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

- v1-3 aus Steigungen (1/v1-3) der Laufzeitkurven - Lies Interzeptzeit ti2 der Refraktion in Schicht 2 - Bestimme Höhe h1 mit der Gleichung für t2 - Lies Interzeptzeit ti3 der Refraktion in Schicht 3 - Berechne mit h1 eine Zwischeninterzeptzeit t* - Mit t* berechne h2 der Schicht 2

Geneigte, ebene Schichtgrenzen Geneigter Refraktor ist allgemeiner Fall (Profile siehe Hangabrutschungen) Liefert Scheingeschwindigkeiten Messungen an beiden Profilenden nötig (mindestens) (Schuss und Gegenschuss) Zusätzliche Laufzeitkurve in Gegenrichtung Interzeptzeiten von Schuss und Gegenschuss unterscheiden refraktierte Welle ist langsamer, wenn der Refraktor in Ausbreitungsrichtung abwärts geneigt ist, und umgekehrt S > Kehrwerte scheinbarer Geschwindigkeiten Tiefe des Refraktors unter „Schuss-“punkten durch Interzeptzeit Erst jeweils v1 und v2, dann Tiefen Testen welches Beta das liefert Mit diesem Beta neu rechnen, bis sich keine Änderung mehr vollzieht cosβ = 1

Wellengeschwindigkeit > Gesteinslithologie Neben Tiefe der Schichtgrenzen, Geschwindigkeiten Abhängig von Dichte, elastischen Eigenschaften Deutliche Unterschiede durch vorhandenes Wasser in Medien (keine Ausbreitung von S-Wellen) Beeinflussung der Dichte durch Klüftigkeit, Porosität, Fluidgehalt und die Komponenten des Festgesteins Aussage über Gestein durch v nicht ohne Weiteres möglich > siehe Grafik, allerdings: Sind die Werte jedoch einem Versuchsfeld zuzuordnen, so engt sich deren Spannweite ein, so dass eine Zuordnung von Geschwindigkeit zu Gesteinsart möglich wird.

Probleme/Auswertung/Interpretation Kontrast zw. Lockermaterialien u Felsgestein v`s: 200 - 2000 m/s / 2000 - 7000 m/s Beachte: Klüfte, Erosion, tektonische Beanspruchung, Zerscherungen, allgemein Inhomogenitäten ebene Grenzflächen, Schichtneigung max. 10°, homogene Schichtgeschwindigkeit, linearer Geschwindigkeitsgradient und elastische Isotropie Steile Flanken sehr schlecht (seismische Wellen untertunneln diese), keine Zuordnung Ersteinsatz-Kopfwelle

Zusammenfassung Wenn sich die Geschwindigkeiten mit der Tiefe erhöhen beobachtet man Refraktionen Refraktionen breiten sich im schnelleren Medium in horizontaler Richtung aus und strahlen zur Oberfläche Refraktierte Wellen erlauben die Bestimmung der Geschwindigkeits-Tiefenverteilung Die Verallgemeinerung des Konzept für 3D Medien führt zur seismischen Tomographie Tomographische Abbildungen können große Unsicherheiten enthalten wegen ungenügender Strahlabdeckung oder verdeckter Regionen (z.B. Niedriggeschwindigkeitszonen etc.)