Refraktionsseismik

1. Refraktionsseismik Messprinzip Anwendung

2. 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

3. 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

4. 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

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

6. 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

8. 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

9. 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

11. 2-Schichten-Modell • Bestimme v1 aus der Steigung (1/ v1 ) der direkten Welle • Bestimme v2aus 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

12. 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

13. - v1-3aus Steigungen (1/v1-3) der Laufzeitkurven - Lies Interzeptzeit ti2der 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

14. 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

15. 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.

16. 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

17. 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.)