Readspeaker Menü

Angewandte Geophysik

Angewandte Geophysik                      



weglerU-web

Leitung



Univ.-Prof. Dr. Ulrich Wegler

iconp ++49-(0)3641 - 9-48660
iconf ++49-(0)3641 - 9-48662

Internet


www.geophysik.uni-jena.de

Lehre


messung

Seismische Messungen



grundwasser
Grundwasserstruktur aus geophysikalischen Messungen

Unsere Lehrveranstaltungen befassen sich mit physikalischen Methoden zur Erkundung der Struktur und der Materialeigenschaften des Untergrunds, von der nahen Oberfläche bis zum Erdmantel. Wir vermitteln die theoretischen Grundlagen solcher Methoden mit den Schwerpunkten Seismologie, Refraktions- und Reflexionsseismik, Geoelektrik, Radar sowie elektromagnetische Induktion. Darüber hinaus ist das Verständnis für die geologische Aussagekraft und den Anwendungsbereich dieser Methoden von den Georisiken über die Erkundung von Sedimentbecken und der archäologischen Prospektion bis hin zu geotechnischen und hydrogeologischen Problemen Thema unserer Lehre.
Im Masterstudium wird die Theorie der seismischen Wellen sowie der geophysikalischen Abbildungs- und Inversionsverfahren vertieft. Bei der Bearbeitung realer seismologischer sowie reflexions- und refraktionsseismischer Datensätze werden die Erkenntnisse praktisch angewandt. Schließlich werden in Geländeübungen vergleichbare Datensätze erhoben.
Unsere Ausbildung qualifiziert für Forschung und Anwendung z.B. in geologischen Ingenieur- oder Umweltbüros, in der Kohlenwasserstoffindustrie, in geowissenschaftlichen Instituten oder im akademischen Bereich.


Thüringer Seismologisches Netz


Das gemeinsam von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie betriebene Thüringer Seismologische Netz dient der Erfassung der natürlichen und der durch Bergbau induzierten Erdbeben in Thüringen. Hierbei erstreckt sich ein seismisch aktives Gebiet, das nördlich von Leipzig beginnt, über Ostthüringen bis in das tschechische Vogtland. Induzierte, d.h. durch menschliche Aktivitäten verursachte Seismizität, tritt insbesondere in den Kalibergbaurevieren Werra und Südharz auf. Insgesamt besteht das Thüringer Seismologische Netz derzeit aus 23 seismischen Messstationen und 6 weiteren Teststationen. Jede Messstation erfasst und digitalisiert kontinuierlich die lokale Bodenschwinggeschwindigkeit. Diese digitalen Daten werden dann in Echtzeit per Mobilfunk übertragen und in Jena zusammengeführt, wobei auch die Daten weiterer Messnetze berücksichtigt werden. Automatische Echtzeitalgorithmen detektieren Erdbebensignale im kontinuierlichen Datenstrom, führen eine Ortung des Hypozentrums durch und bestimmen die Erdbebenmagnitude. Im Falle eines stärkeren Erdbebens werden automatische Alarmierungen per E-Mail und SMS verschickt. Insgesamt wurden im Zeitraum 2009 -2017 über 10.000 Erdbeben detektiert und geortet. Der Großteil dieser Erdbeben wird vom Menschen jedoch nicht verspürt sondern ist nur mit hochempfindlichen Seismometern nachweisbar.

mehr...

 

TSN
Verteilung seismologischer Messtationen des TSN





Forschung



Forschungsschwerpunkte

Die Schwerpunkte liegen im Bereich der Seismologie mit der Erkundung der Struktur der Erde sowie in der Analyse von Erdbeben.

  • Zeitliche Änderungen und seismische Bodenunruhe: Mit Hilfe seismischer Bodenunruhe, den kontinuierlichen natürlichen oder durch Menschen verursachten Vibrationen der Erde, kann - ebenso wie mit impulsiven Quellen - die Struktur der Erde analysiert werden. Besonders geeignet ist diese Methode zur Untersuchung zeitlicher Änderungen in der Struktur der Erde.
  • Kleinskalige Heterogenität und seismische Dämpfung: Kleinräumige Strukturen in der festen Erde wie Porenräume und Klüfte werden mit Hilfe seismischer Wellen an Hand ihren Streu- und Dämpfungseigenschaften charakterisiert.
  • Fluidinduzierte Seismizität: Durch eine Erhöhung des Porenwasserdrucks wird die Reibung im Gestein herabgesetzt. Hierdurch kann Seismizität ausgelöst werden. Das Phänomen tritt in der Natur bei Schwarmerdbeben auf oder kann wie z.B. bei tiefer Geothermie anthropogen verursacht werden.



 


 


Fig1neu

 


Zeitliche Änderungen und seismische Bodenunruhe


Seismische Bodenunruhe besteht aus den natürlichen und durch menschliche Aktivitäten verursachten Vibrationen der Erde, die als ständiges Hintergrundrauschen an Seismometern aufgezeichnet werden. Die Untersuchung dieser Signale, die früher als reine Störungen betrachtet wurden, hat in den letzten Jahren einen erheblichen Aufschwung erfahren. Da diese seismische Quelle kontinuierlich vorliegt, kann so z.B. ein Monitoring zeitlicher Änderungen im Untergrund durchgeführt werden (4D-Seismik). Hierbei wird direkt nur eine zeitliche Änderung der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen. Dieser Messparameter ist aber sensitiv auf Änderungen des Porenwasserdrucks sowie der Spannung im Gestein, so dass so eine indirekte Messmethode dieser sonst schwer zu beobachtenden, wichtigen Untergrundparameter vorliegt. Mit Hilfe dieser Methode gelang es, Geschwindigkeitsänderungen in der Erdkruste nachzuweisen, die durch große Erdbeben verursacht wurden. Diese Geschwindigkeitsreduktionen lassen sich als nichtlineare Reaktion des Untergrundes auf die starken Bodenbewegungen und Spannungsänderungen durch das Erdbeben interpretieren. Abb. 1 zeigt als Beispiel die zeitliche Entwicklung der Autokorrelationsfunktion seismischer Bodenunruhe für 3 Monate an einem Seismometer, das 24 km vom Epizentrum des Magnitude 6.6 Niigata-Erdbebens in Japan installiert ist. Das Erdbeben fand am Tag 297 statt.

 

 

Kleinskalige Heterogenität und seismische Dämpfung

 

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist der Aufbau der kontinentalen Erdkruste auf kleinen Skalenlängen. Hierbei geht es vor allem um Porenräume, Klüfte und Störungen und die darin enthaltenen Fluide. Solche kleinskaligen, dreidimensionalen Schwächezonen in der Erdkruste in der Größenordnung hochfrequenter seismischer Wellen lassen sich nur schwer abbilden, sind aber sowohl für das Verständnis von Erdbeben als auch für die Nutzung des Untergrundes von wesentlicher Bedeutung. Sie machen sich in beobachtbaren seismischen Daten z.B. durch seismische Streuung und Dämpfung bemerkbar. Diese Phänomene werden daher ausgenutzt, um die Eigenschaften der Erdkruste auf kleinen Skalenlängen zu untersuchen. Abb. 2 zeigt hierzu eine numerische Simulation akustischer Wellenausbreitung in einer als Zufallsmedium beschriebenen Erdstruktur. Die Streuung an kleinskaligen Heterogenitäten dämpft die direkte Welle und erzeugt ein komplexes Streuwellenfeld, das in der Seismologie als Coda bezeichnet wird.

 
Fig2neu 

Abb. 2. Beispiel für die numerische Simulation seismischer Wellenausbreitung in einem Zufallsmedium.

 


Fig-3


 

Abb. 3. Die Injektion von Wasser über in Bohrloch in tiefe Gesteinsschichten kann fluidinduzierte Seismizität auslösen.

 

 

Fluidinduzierte Seismizität

 


Fluidinduzierte Erdbeben können auftreten, wenn sich der Porenwasserdruck im Gestein erhöht. Der Fluiddruck wirkt der Normalspannung entgegen, sodass die effektive Normalspannung herabgesetzt wird. Hierdurch verringert sich die Reibung im Gestein und die Scherfestigkeit sinkt. Dieser Vorgang spielt auf natürliche Weise bei Schwarmerdbeben eine Rolle, wo aufsteigende Fluide die Seismizität auslösen.

Fluidinduzierte Seismizität kann auch im Zusammenhang mit tiefer Geothermie, Fracking oder beim Versenken von Lagerstättenwasser in tiefen Gesteinsschichten auftreten.

Die Detektion von Erdbebensignalen im kontinuierlich registrierten Datenstrom, die vollautomatische Erdbebenlokalisierung und die Magnitudenbestimmung sind hierbei wichtige Forschungsthemen der Angewandten Geophysik. Darüber hinaus sollen Methoden zur Generierung von Erschütterungskarten zur schnellen Einschätzung der Auswirkungen an der Erdoberfläche weiterentwickelt werden.