Grundlagen der Angewandten Geophysik I - Seismik,Gravimetrie

381 Pages·2017·27.089 MB·German

by  Christoph Clauser

Grundlagen der angewandten Geophysik –
Seismik, Gravimetrie
Christoph Clauser
Grundlagen
der angewandten
Geophysik – Seismik,
Gravimetrie
ChristophClauser
InstitutfürAngewandteGeophysik
undGeothermischeEnergie
Rheinisch-WestfälischeTechnische
Hochschule(RWTH)Aachen
Aachen
Deutschland
ISBN978-3-662-55309-1 ISBN978-3-662-55310-7(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55310-7
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diesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlag,noch
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DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany
Vorwort
Dieses Buch beschreibt die Grundlagen der seismischen und gravimetrischen Er-
kundungsmethoden in der Angewandten Geophysik. Es erwuchs aus meiner seit
demJahr2000anderRWTHAachengehaltenenundstetigweiterentwickeltenVor-
lesung zur Einführung in die Methoden der Angewandten Geophysik im Umfang
vonvierStundenVorlesungundeinerStundeÜbung.DieHörermeinerVorlesung
warenBachelor-StudierendederAngewandtenGeowissenschaftenundderPhysik.
Darüber hinaus eignet sich der Text aber auch zur Verwendung in den Bachelor-
Programmen Geophysik, Umweltwissenschaften und verwandten Fächern. Meine
Vorlesung behandelt etwa 3/4 der in diesem Buch diskutierten Themen. Zusätz-
lichwerdenjedochauchübereineEinführungsvorlesunghinausreichendeThemen
behandelt, die interessierten Anfängern einen Anhaltspunkt für eine eigenständige
Vertiefunggeben.
Ohne Zweifel gibt es zum Thema dieses Buchs gute englischsprachige Lehr-
bücher – hier bleibt wenig zu ergänzen. Dagegen sind die entsprechenden deut-
schen Lehrbücher recht in die Jahre gekommen. Gleichzeitig erfreuen sich die
deutschsprachigen Universitäten derzeit eines starken Anwachsens der Zahl von
Studierenden in Bachelor-Studiengängen mit geophysikalischen Inhalten. Zwar
ist der Gebrauch englischsprachiger Texte heute auch für deutschsprachige Geo-
wissenschaftler unabdingbar. Dennoch ist es sinnvoll, den Studienanfängern den
ZugangzurGeophysikinihrerMuttersprachezuermöglichenundnichtdurcheine
zusätzlichesprachlicheHürdezuerschweren.
DemCharaktereinerEinführungentsprechendwirddasMaterialaufeinemmitt-
leren Schwierigkeitsniveau präsentiert. Um dem Text folgen zu können, werden
lediglich die üblichen Kenntnisse der Physik, Differenzial- und Integralrechnung
sowie linearen Algebra benötigt, wie sie in den ersten Semestern natur- und in-
genieurwissenschaftlicher Studiengänge vermittelt werden. Als Gedächtnisstütze
sind im Anhang zudem die wichtigsten Regeln der Vektor- und Tensorrechnung
(Abschn.4.1), einige Eigenschaften der Fourier-Transformation (Abschn. 4.4) so-
wie der Satz von Green, die greenschen Formeln und die greensche Funktion
(Abschn.4.6)zusammengestellt.
DerbehandelteStoffwirdausgrundlegendenphysikalischenPrinzipienabgelei-
tet.DennwerdiePraxisübt,ohnesichvorhermitderTheoriebeschäftigtzuhaben,
V
VI Vorwort
gleicht einem Steuermann, der sein Schiff ohne Kompass und Steuer besteigt, und
nun nicht weiß, wohin er fährt (Leonardo da Vinci, 1452–1519). Doch schüchtert
dieTatsache,dassPhysikinderRegelmittelsmathematischerGleichungenausge-
drücktwird,mancheStudierendeneinoderschrecktsiegarab.MancherDozentteilt
dahermitGeorgChristophLichtenberg(1742–1799)dieErfahrung:Esistunglaub-
lich,wieunwissenddiestudierendeJugendaufUniversitätenkommt,wennichnur
10Minutenrechneodergeometrisiere,soschläft1/4derselbensanftein.Umdies
zuvermeiden,werdenHerleitungen–woerforderlich–ausführlichundweitgehend
schrittweisenachvollziehbardargestellt.DiesmagfortgeschrittenenLesernbiswei-
lenzuweitgehen,erleichtertjedochdenEinstiegundvermeidet,dassFormelnund
Herleitungen den Blick auf die eigentlichen geophysikalischen Inhalte verstellen.
Messmethoden und Messinstrumente werden nur in dem Maß vorgestellt und dis-
kutiert,wiesiezurEinordnungihrerGenauigkeitundAuflösungerforderlichsind.
Die für praktische Messungen wichtigen Informationen zu unterschiedlichen Ge-
rätetypen, Skalenfaktoren, Eichlinien usw. übersteigen jedoch den Umfang dieses
Buchs und müssen speziellen Texten über Messmethoden und Ihre Anwendung
entnommenwerdenwiez.B.Knödeletal.(1997).
VielePersonenunterstütztenmichbeiderAbfassungdiesesBuchs.Meinerster
Dank gilt meinen beiden Kollegen Wolfgang Rabbel und Hans-Jürgen Götze von
der Christian-Albrechts-Universität Kiel, die trotz eigener beruflicher Verpflich-
tungen und Pläne bereitwillig und äußerst großzügig ihre Zeit für ein kritisches
GegenlesenmeinesTexteseinsetzten.SiegabenwertvolleKommentarezudenKa-
pitelnSeismikundGravimetriesowieHinweise,woMaterialfehlteoderaktualisiert
werdenmussteundmachtenvielekonstruktiveVorschlägezurVerbesserung.Meine
Aachener Kollegen Sönke Reiche und Norbert Klitzsch steuerten ihr Wissen über
die Seeseismik bei bzw. erstellten die meisten Aufgaben mit Lösungen. Christin
Bobe (RWTH Aachen) erstellte weitere Aufgaben und gab alle in das Manu-
skript ein. Und schließlich steuerte Franz Jacobs (Universität Leipzig) hilfreiche
Hinweise zu Ludger Mintrops Lebensweg bei. Stefanie Adam, Merlet Behncke-
Braunbeck,SandraGrundmannundChristineHoffmeister(SpringerVerlag)danke
ich für ihr Interesse an diesem Buch, ihre Geduld mit dem Autor und das sorgfäl-
tigeKorrekturlesen.DemSpringerVerlagbinichverbundenfürdieVerlegungdes
Buchs.
Die meisten der einfacheren Skizzen und einige der komplexeren Abbildungen
in diesem Text stammen von mir selbst. Alle anderen Abbildungen wurden von
derArchitektinundGrafikerinMingFeiineinemeinheitlichenStilentworfenoder
nach Vorlagen aus anderen Veröffentlichungen neu gezeichnet und nach Bedarf
verändert. Den ursprünglichen Autoren und ihren Verlegern bin ich daher für ihre
ZustimmungzurVerwendungihrerAbbildungenindiesemBuchzuDankverpflich-
tet. Auch unterstützten mich zahlreiche Kolleginnen und Kollegen großzügig mit
Abbildungen aus ihren Arbeitsgebieten, welche sie zum Teil neu oder in besserer
AuflösungfürdiesesBuchanfertigten:LarryDouglasBrown(CornellUniversity),
Jörg Ebbing (Christian-Albrechts-Universität Kiel), Klaus Fischer (Wintershall
AG), Hans-Jürgen Götze (Christian-Albrechts-Universität Kiel), Marian Hertrich
(NationaleGenossenschaftfürdieLagerungradioaktiverAbfälle,Nagra),Richard
Vorwort VII
Hobbs(DurhamUniversity),ChristianHübscher(UniversitätHamburg),Charlotte
Krawczyk (GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum), Bernward Otto (Wintershall
AG),WolfgangRabbelundSabineSchmidt(Christian-Albrechts-UniversitätKiel).
Mein weiterer Dank gilt den Kollegen und Mitarbeitern an der RWTH Aachen
fürÜbernahmezusätzlicherAufgabenwährendmeinerAbwesenheitindemdiesem
Buch gewidmeten Forschungssemester. Insbesondere danke ich Florian Wellmann
(RWTH Aachen) für das Übernehmen eines Teils meiner Lehre während meines
Forschungssemesters.
Schließlich danke ich sehr und nicht zuletzt meiner lieben Frau Karin für ihre
Geduld, Nachsicht und Unterstützung während meiner regelmäßigen Manuskript-
Klausur innerhalb des Forschungssemesters und an vielen Wochenenden danach.
Vor siebzehn Jahren hatte sie meine ersten handschriftlichen Vorlesungsnotizen in
elektronische Form überführt. Sie legte damit den digitalen Grundstein für dieses
ManuskriptundwardessenerstekritischeLeserin.SielasihnjedochauchalsLetzte
undhalfdabei,vieleInkonsistenzenzubeseitigen,diesichüberdieEntstehungszeit
desManuskriptshinwegeingeschlichenhatten.
Die Erfahrung lehrt leider, dass sich trotz meines Bemühens um Sorgfalt und
Korrektheit und ungeachtet des sorgfältigen Gegenlesens noch Fehler im Text fin-
den werden. Für diese bin natürlich ich und nicht meine hilfreichen Korrektoren
verantwortlich. Ich bitte daher meine Leserschaft, sollte sie auf Fehler stoßen, be-
reitsandieserStellehierfürgleichermaßenumverständnisvolleNachsichtalsauch
umentsprechendeHinweise–[email protected]
aachen.demitdemBetreffGrundlagenderAngewandtenGeophysik.
Zur Unterstützung von Dozenten, die dieses Buch gerne für ihre Lehre ver-
wenden würden, sind die digitalen Dateien der Abbildungen dieses Buchs unter
der folgenden Adresse im Internet verfügbar: http://www.springer.com/de/book/
9783662553091. Bei der Verwendung der Abbildungen bitte ich im Sinne des
Urheberrechts anzugeben: © Clauser C (2018) Grundlagen der Angewandten
Geophysik–SeismikundGravimetrie,Springer,Berlin–Heidelberg.
Aachen,imMärz2017 ChristophClauser
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................... 1
WeiterführendeLiteratur ..................................... 3
2 Seismik ................................................. 5
2.1 Geschichte ........................................... 5
2.2 SeismischeWellenundihreAusbreitung .................... 10
2.2.1 WellenimtäglichenLeben ......................... 10
2.2.2 Elastizität ...................................... 12
2.2.3 ElastischeWellen ................................ 16
2.2.4 DieEikonalgleichung ............................. 36
2.2.5 EnergieundEnergiedichteseismischerWellen........... 38
2.2.6 DämpfungseismischerWellen....................... 38
2.3 WellenstrahlenundWellenfrontenimgeschichtetenUntergrund ... 41
2.3.1 ReflexionundBrechunganeinerGrenzschicht .......... 41
2.3.2 Beugung(Diffraktion) ............................. 43
2.3.3 FermatschesPrinzip .............................. 46
2.3.4 Kritische,unter-undüberkritischeReflexion ............ 46
2.3.5 StörsignaleundRauschen .......................... 47
2.3.6 Reflexions-undTransmissionskoeffizienten............. 49
2.3.7 AmplitudenvariationmitderAuslage(AVO) ............ 57
2.4 DieReflexionsmethode ................................. 65
2.4.1 DieGeometrievonReflexionswegen .................. 66
2.4.1.1 HorizontalerReflektor–Reflexionshyperbel ..... 69
2.4.1.2 ReflexionoderBeugung?–Fresnel-Zonen ...... 76
2.4.1.3 Geneigter Reflektor –
Hyperbelkrümmung(dipmoveout) ............ 82
2.4.1.4 GrafischeAuswertung:Tangenten-und
Spiegelpunktmethode ...................... 86
2.4.2 GrundlagenderdigitalenSignalverarbeitung ............ 88
2.4.2.1 Fourier-Reihen,-Integralund-Transformation.... 88
2.4.2.2 Radon-undτ–p-Transformation .............. 93
2.4.2.3 DiskreteFourier-Transformation(DFT)
undZ-Transformation ...................... 97
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.4.2.4 SchnelleFourier-Transformation(FFT) ......... 99
2.4.2.5 KonvolutionundSuperposition ............... 101
2.4.2.6 Wavelet-Transformation .................... 105
2.4.2.7 AbtastrateundAliasing..................... 111
2.4.2.8 DieErdealsFilter ......................... 114
2.4.2.9 Mehrfachreflexionen(Multiple,Nachhall)....... 115
2.4.2.10 Dekonvolution(Rückfaltung) ................ 117
2.4.2.11 Kreuz-undAutokorrelation.................. 120
2.4.3 DasVibroseis-Verfahren ........................... 123
2.4.4 SeismischeTomografie ............................ 127
2.4.5 BearbeitungreflexionsseismischerDaten............... 133
2.4.5.1 Vorbearbeitung(pre-processing) .............. 133
2.4.5.2 Unterdrückung von Rauschen und
Multiplen:Dekonvolutionundf–k-Filterung ..... 134
2.4.5.3 StatischeKorrektur ........................ 136
2.4.5.4 Dynamische Korrektur und
Geschwindigkeitsanalyse.................... 141
2.4.5.5 Bandpassfilterung ......................... 143
2.4.5.6 CMP-Stapeln(stacking) .................... 144
2.4.5.7 DMO-Bearbeitung(DMOprocessing) .......... 145
2.4.5.8 Migration–woherkommtdieReflexion? ....... 147
2.4.5.9 ErstellungvonTiefensektionen ............... 158
2.4.5.10 3D-Sektionen ............................ 158
2.4.5.11 Bearbeitungeinesseeseismischen2D-Profils..... 159
2.4.5.12 Bearbeitungeineslandseismischen2D-Profils .... 161
2.4.6 InterpretationreflexionsseismischerDaten.............. 162
2.5 DieRefraktionsmethode ................................. 173
2.5.1 DieGeometrievonRefraktionswegen ................. 174
2.5.1.1 EinehorizontaleGrenzschicht ................ 175
2.5.1.2 MehrerehorizontaleGrenzschichten ........... 177
2.5.1.3 GeneigteSchichtgrenzen.................... 179
2.5.2 BearbeitungrefraktionsseismischerDaten .............. 182
2.5.2.1 Höhen-undVerwitterungskorrektur............ 182
2.5.2.2 KonsistenzprüfungderDaten................. 183
2.5.3 InterpretationrefraktionsseismischerDaten ............. 186
2.5.3.1 UnsichtbareSchichten...................... 186
2.5.3.2 LateraleVariationderGeschwindigkeit ......... 189
2.5.3.3 Geschwindigkeitsanalyse und
Verzögerungszeit(delaytime) ................ 191
2.5.4 Wellenfrontenmethoden............................ 197
2.5.4.1 GrafischeWellenfrontenverfahren ............. 197
2.5.4.2 NumerischesWellenfrontenverfahren........... 202
2.5.5 Refraktions-Tomografie............................ 205
2.6 Ausblick:AktuelleTrendsundfortgeschritteneMethoden........ 206
2.6.1 Scherwellenseismik............................... 206
Inhaltsverzeichnis XI
2.6.2 ErkundungdesflachenUntergrundsmitRayleigh-Wellen .. 209
2.6.3 SeismischeInterferometrie ......................... 212
2.7 AufgabenundFragen ................................... 222
WeiterführendeLiteratur ..................................... 231
3 Gravimetrie.............................................. 233
3.1 Geschichte ........................................... 235
3.2 MassenanziehungundSchwere............................ 236
3.2.1 PotenzielleEnergie,Schwerepotenzial................. 237
3.2.2 Normalschwere .................................. 241
3.2.3 LösungderLaplace-GleichungfürdasGravitationspotenzial 248
3.2.4 MessungderSchwere ............................. 253
3.3 BearbeitungvonSchweredaten............................ 257
3.3.1 Korrektur und Reduktion von Messwerten der
Schwerebeschleunigung ........................... 257
3.3.1.1 Korrektur zeitlicher Varia-
tionen: Instrumentengang
undGezeiten............................. 257
3.3.1.2 Eötvös-Korrektur.......................... 259
3.3.1.3 Freiluftreduktion δg und
F
Geländereduktionδg ...................... 261
T
3.3.1.4 Bouguer-Reduktion δg und
B
atmosphärischeReduktionδg ............... 268
A
3.3.2 Isostasie ....................................... 273
3.3.3 DarstellungderreduziertenSchwerewerte .............. 275
3.3.3.1 Freiluftanomalie(cid:2)g ...................... 276
F
3.3.3.2 Bouguer-Anomalie(cid:2)g .................... 276
B
3.3.3.3 IsostatischeAnomalie(cid:2)g ................... 277
i
3.4 BestimmungderGesteinsdichte ........................... 280
3.4.1 Labormessungen ................................. 280
3.4.2 γ–γ-Messungen.................................. 283
3.4.3 SchweremessungeninBohrungen .................... 286
3.4.4 DichtebestimmungnachNettleton .................... 287
3.4.5 BestimmungderDichteausderFreiluftanomalie......... 289
3.4.6 Schätzung der Gesteinsdichte aus seismischen
Geschwindigkeiten ............................... 290
3.5 InterpretationvonSchweredaten........................... 293
3.5.1 TrennungvonregionalenundlokalenAnomalien......... 293
3.5.1.1 VisuelleAnalyse .......................... 294
3.5.1.2 PolynominterpolationundTrendflächenanalyse... 295
3.5.1.3 Fourier-AnalyseundFiltertechniken ........... 295
3.5.1.4 Wavelet-AnalysevonSchweredaten ........... 299
3.5.2 SchwereanomalieneinigereinfachergeometrischerKörper . 301
3.5.2.1 Kugel .................................. 302
3.5.2.2 UnendlicherhorizontalerZylinder............. 305