Marine Geophysik und Hydroakustik

Mehrkanalreflexionsseismik

Die Mehrkanalreflexionsseismik ist ein Verfahren, um den Untergrund abzubilden. Dabei ermöglicht dieses Verfahren Informationen über den Untergrund wie z.B. die Struktur und Aufbau oder dessen Entstehung zu erlangen. Ähnlich wie bei einer Ultraschalluntersuchung beim Arzt besteht das Prinzip dieses Messverfahrens von dem Aussenden und Empfangen von Schallwellen. In der marinen Seismik schleppen wir die nötigen Geräte zum Aussenden und Empfangen der Wellen dafür hinter einem Schiff her (s. (c) in Überblickgrafik). Zum Empfangen werden sogenannte Hydrophone benutzt, die in einem Schlauch, dem Streamer, montiert sind.

Bei den marinen seismischen Messungen erzeugt eine Quelle akustische Wellen, die sich kugelförmig durch das Wasser und den Untergrund ausbreiten. Während der Ausbreitung regt die Schallwelle die Partikel im Untergrund an und verstezt diese in Schwingung. Die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften im Untergrund beeinflussen die Ausbreitung der Schallwelle. An Grenzflächen zwischen zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Dichten und seismischen Geschwindigkeiten liegt ein Impedanzkontrast vor. Nach dem Gesetz von Snellius wird eine Schallwelle, in Abhängigkeit von ihrem Einfallswinkel, an so einer Grenzfläche reflektiert, refrarktiert und konvertiert. Aufgrund dieser Grenzflächeninteraktion tritt die Schallwelle nach dem Durchgang durch den Untergrund wieder an der Oberfläche auf und kann aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnung der Schallwelle umfasst dabei die Laufzeit und dessen Amplitude. Die Signale, die von den Empfängern aufgezeichnet werden, setzen sich aus der ausgesendeten Welle, dem Reflexionsvermögen des Untergrundes und verschiedenen Arten von Störsignalen (Rauschen) zusammen. Die Störsignale können durch verschiedene Verfahren während der Datenbearbeitung zum großen Teil entfernt werden und die aufgezeichneten Signal als ein Abbild der Schichten im Untergrund dargestellt werden. In Abb. 1 ist so ein seismisches Abbild dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass die y-Achse keine Tiefe angibt, sondern die Laufzeit als Zwei-Wege-Laufzeit (TWT) Welle. Um aus den seismischen Daten ein genaues Abbild des Untergrunds zu erhalten, müssen weitere komplexe und zeitintensive Methoden während der Datenbearbeitung angewendet werden.

Im Vergleich zur Einkanal-Seismik nutzt die Mehrkanal-Seismik den Vorteil, dass unterschiedliche Quelle-Empfänger-Paare den gleichen Punkt des Untergrundes abbilden. Bei der Verwendung eines Streamers mit mehreren Hydrophongruppen, die einen Schuss in verschiedenen Distanzen aufzeichnen, werden bei jedem Schuss unterschiedliche Mittelpunkte zwischen der Quelle und den Empfängern generiert. Aufgrund der Bewegung des Schiffes mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang eines Profils wird der gleiche Punkt am Meeresboden durch verschiedene Quelle-Empfänger-Paare mehrmals abgedeckt. Durch eine nachträgliche Umsortierung der aufgezeichneten Signale während der Datenverarbeitung werden alle Quelle-Empfänger-Paare, die den gleichen Mittelpunkt haben, zu einem so genannten Common Mid Point (CMP) zusammengefasst. Später werden alle Spuren in einem CMP zu einer CMP-Spur aufaddiert. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis stark verbessert, weil das Signal durch die Summierung verstärkt und das Zufallsrauschen unterdrückt wird.

Die AG 'Marine Geophysik und Hydroakustik' ist darauf spezialisiert, seismische und hydroakustische Systeme auf diverse Forschungs-Plattformen zu adaptieren, von großen bis kleinen Forschungsschiffen, bis hin zu sehr kleinen oder geschleppten Plattformen im Flachwasser. Daher setzen wir auf ein modernes modulares System für die seismische Abbildung des Untergrundes.

In der Arbeitsgruppe wird ein hochauflösendes 2D Mehrkanalsystem von Geometrics genutzt. Dabei ist der GeoEel Solid™ Digital Streamer ein modulares System, welches für die verschiedenen Zwecke der Arbeitsgruppe passend kombiniert werden kann. Darüber hinaus kann das System mit dem seismischen System von unserem Kooperationspartner dem Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel kombiniert werden um zum Beispiel 3D seismische Daten aufzuzeichnen. Die 12.5 Meter langen Sektionen des GeoEel Solid™ Digital Streamer enthalten jeweils acht Hydrophongruppen mit einem Gruppenabstand von 1.5625 Metern. Durch diesen kleinen Gruppenabstand ist der Streamer ideal geeignet um den oberen Untergrund hochauflösend abzubilden. Als Quellen für die seismischen Signale werden Luftpulser verwendet. Neben der Sercel GI Gun für den Einsatz im tieferen Ozean, setzt die Arbeitsgruppe vor allem auf die Sercel Mini-GI Gun und eine speziell angefertigte Sercel Micro-GI Gun für den Einsatz im flacheren Wasser.

 

Abb. 1: Marine seismisches Abbild eines geschichteten Untergrundes. Die y-Achse stellt die Zwei-Wege Laufzeit (TWT) der seismischen Wellen dar. VE ist die vertikale Überhöhung.

Abb. 2: Marine seismisches Abbild eines chaotischen Untergrundes. Schichtungen sind schwer zu erkennen. Es muss also einen anderen Ablagerungsprozess geben als in Abb. 1.

 

Seismik

Abb. 3: Seismisches Profil in der Nähe des Henry Seamounts mit einer Sparkerquelle aufgezeichnet.

 

Abb. 4: Erste Ergebnisse eines neu aufgezeichneten reflexionsseismischen Profiles auf dem Cape Verde Plateau.