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Über dieses Buch

Dieses Buch vermittelt einen Einstieg in die geophysikalischen Erkundungsmethoden Seismik und Gravimetrie. Es erklärt, wie elastische Wellen und Unterschiede der Gesteinsdichte zur Sichtbarmachung von Strukturen im Untergrund genutzt werden können.

Das Kapitel Seismik erläutert zunächst die Elastizität von Gesteinen und die verschiedenen Typen elastischer Wellen und deren Ausbreitung. Es folgt eine Einführung in die digitale Verarbeitung seismischer Signale, in der die Konzepte der Fourier-, Z-, Radon- und Wavelet-Transformationen erläutert werden ebenso wie die Anwendung von Methoden der Konvolution, Dekonvolution, Kreuz- und Autokorrelation auf seismische Daten. Aufbauend auf diesen theoretischen Grundlagen erfahren Sie, wie mittels Durchschallung mit seismischen Wellen Strukturen des Untergrunds tomografisch sichtbar gemacht werden können. Hierauf folgt eine Einführung in die Techniken der Reflexions- und Refraktionsseismik die erläutert, wie die jeweiligen Datensätze bearbeitet, interpretiert und veranschaulicht werden.

Das Kapitel Gravimetrie fasst zunächst zusammen, wie man Schwerebeschleunigungen aus Schwerepotenzialen berechnet und wie das optimal an das Schwerefeld der Erde angepasste Rotationsellipsoid definiert ist. Abweichungen hiervon sind die gesuchten Schwereanomalien, die Rückschlüsse auf Strukturen im Untergrund erlauben. Ihre Identifizierung erfordert eine Reihe von Korrekturen und Reduktionen, die ausführlich erläutert werden. Abschließend erfahren Sie, wie Schweredaten interpretiert werden können - vom Vergleich mit der Schwerewirkung einfacher Modellkörper über Fourier- und Wavelet-Analyse bis hin zu dreidimensionalen Modell- und Inversionsrechnungen.

Dieses Buch eignet sich hervorragend als Lehrbuch für Bachelor-Studierende der Geophysik und der Geowissenschaften im Allgemeinen, sowohl zur Begleitung einer Vorlesung als auch zum Selbststudium. Aufgaben mit durchgerechneten Antworten helfen zur Überprüfung des erlangten Verständnisses.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Die Untersuchungsmethoden der Angewandten Geophysik ermöglichen eine zerstörungsfreie und nichtinvasive Erkundung des Untergrunds und anderer Festkörper. Die Ziele können dabei sehr unterschiedlich sein und jeweils ganz verschiedene Erkundungstiefen erfordern. Diese Einleitung vermittelt einen kurzen geschichtlichen Abriss der Entwicklung der Seismik und Gravimetrie als Methoden zur Erkundung des Untergrunds.
Christoph Clauser

2. Seismik

Dieses Kapitel beschreibt die Grundlagen der Erkundung des Untergrunds mit den Methoden der Reflexions- und Refraktionsseismik. Das weitaus meiste Geld für angewandte Geophysik wird für die Suche nach Erdöl und Erdgas ausgegeben, und hiervon allein ca. 90 % für die seismische Erkundung, überwiegend mit Reflexionsseismik. Industrielle Seismik wird heute wegen ihres großen logistischen und finanziellen Aufwands überwiegend von einigen wenigen internationalen seismischen Kontraktoren im Auftrag multinationaler Erdöl- und Erdgaskonzerne betrieben. Die seismische Erkundung des flachen Untergrunds sowie von Bauwerken erfordert dagegen einen wesentlich geringeren Aufwand. Sie wird daher heute auch von kleinen bis mittelständischen Firmen betrieben. Dieses Kapitel erklärt zunächst die Grundlagen der linearen Elastizitätstheorie, die Ausbreitung elastischer Wellen und Ihre Beschreibung durch die Wellen- und die Eikonalgleichung. Es erläutert wie seismische Wellen an Materialgrenzen im Untergrund gebrochen und reflektiert werden und wie sich ihre Energie auf diese neuen Wellen aufteilt. Danach behandelt es im Detail die Reflexionsmethode, einschließlich der Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung und der hierfür verwendeten Fourier- und Wavelet-Transformationen, sowie das Vibroseis-Verfahren und die seismischen Tomografie. Sodann erläutert es die einzelnen Schritte bei der Bearbeitung seismischer Daten. Es folgt die Behandlung der Refraktionsmethode mit einer Einführung in die Bearbeitung und Interpretation refraktionsseismischer Daten und die Erläuterung von Wellenfrontenmethoden und Refraktionstomografie. Das Kapitel schließt mit einem Ausblick auf aktuelle Entwicklungen wie Scherwellenseismik, Nutzung von Rayleigh-Wellen und seismische Interferometrie.
Christoph Clauser

3. Gravimetrie

Dieses Kapitel beschreibt die Grundlagen der Erkundung des Untergrunds mit den Methoden der Schweremessung. Im Gegensatz zur seismischen Erkundung beruht sie auf der Messung natürlicher Felder. Aus deren lokaler Variation wird auf Dichteunterschiede im Untergrund geschlossen, denn Variationen in der Masseverteilung im Untergrund verursachen entsprechende Variationen im Schwerefeld der Erde. Die Messung dieser Variationen auf der Erde, in Bohrungen, auf See sowie vom Flugzeug oder Satelliten aus ermöglicht daher die Identifizierung und Lokalisierung von Massen im Untergrund, deren Dichte von der des Nebengesteins abweicht. Vorrangiges Ziel hierbei ist die Bestimmung der Dichte und geometrischen Form solcher Einlagerungen. Diese Rückschlüsse sind jedoch aus prinzipiellen Gründen immer mehrdeutig, wie auch bei den anderen, hier nicht behandelten magnetischen und elektrischen Potenzialmethoden der Angewandten Geophysik.
Christoph Clauser

4. Anhang

Dieser Anhang enthält, neben einer Zusammenfassung der wichtigsten Rechenregeln für Vektoren und Tensoren, vertiefende Informationen zu den unabhängigen Elementen des Elastizitätstensors, zum Wertebereich der Poisson-Zahl, zu den wichtigsten Eigenschaften der Fourier-Transformation und zur Inversen der diskreten Fourier-Transformation sowie zum Satz von Green, den greenschen Formeln und der greenschen Funktion.
Christoph Clauser

5. Antworten zu den Fragen und Lösungen der Aufgaben

Hier finden sich die durchgerechneten Lösungen der Aufgaben aus den Kapiteln Seismik und Gravimetrie.
Christoph Clauser

Backmatter

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