Seismische Refraktionsmethoden

Question 1

Beschreiben Sie die Körperwellen und ihre Ausbreitungseigenschaften

Answer 1

Kompressionswelle/P-Welle: Höchste Geschwindigkeit, Größenänderung

Sherwelle/S-Welle: Formänderungen, Horizontal/Vertikal polarisiert

Question 2

Welche Parameter steuern die Geschwindigkeit von P- und S-Wellen in
geologischen Medien?

Answer 2

P-Welle: Geschwindigkeit abhängig von Rigidität und Dichte der Untergrundmaterialien

S-Welle: Geschwindigkeit proportional zum Widerstand des Mediums gegen die Scherspannung. Sie entspricht ungefähr der Hälfte der P-Wellengeschwindigkeit

Question 3

Was passiert mit einer seismischen Welle an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen seismischen Geschwindigkeiten?

Answer 3

Einen Teil der Energie, der an die Oberfläche reflektiert wird

Einen Teil der Energie, der in das zweite Medium gebrochen wird

Elastische Wellen werden in Kompressions- und Scherwellen aufgeteilt (P-zu-S Konvertierung) nicht der Fall bei akustischen oder elektromagnetischen Wellen

Question 4

Welche Rolle spielen Geophone bei seismischen Messungen?

Answer 4

Ein Geophon wandelt Bodenbewegung um. Das Messprinzip basiert auf der Umwandlung der Bodenbewegung in Spannung. Jede Abweichung der gemessenen Spannung von der Basislinie wird als seismische Reaktion angesehen. Ein typisches Geophon besteht aus einer Masse, die mit mechanischen Federn aufgehängt wird. Das Geophongehäuse und die
schwebende Masse beginnen sich durch Anbringung einer Geschwindigkeit bei Frequenzen kleiner als die Resonanzfrequenz des Sensors zu bewegen

Question 5

Erklären Sie das Konzept der kritischen Brechung

Answer 5

Eine Einfallswelle, die an einer Schnittstelle mit kritischem Winkel (iC) ankommt erzeugt eine kritisch gebrochene Welle, die sich entlang der Schnittstelle mit der Geschwindigkeit der unteren Schicht ausbreitet

Question 6

Was ist der Unterschied zwischen kritischer Distanz und Überholdistanz?

Answer 6

Kritische Distanz Xr: ist jene Distanz, bei der die Kopfwelle (oder kritisch refraktierte Welle) das erste Mal beobachtet wird. Die kritische Distanz ist gegeben durch: Xr = 2htan(iC)

Überholdistanz XC: Der Abstand zwischen Schuss und Geophone bei dem die Kopfwelle simultan mit der direkten Welle ankommt

Question 7

Was ist eine Kopfwelle?

Answer 7

Welle die unter dem kritischen Winkel auf eine Grenzfläche von einem seismischen Medium zu einem anderen Medium mit einer höheren seismischen Geschwindigkeit auftrifft und unter einem rechten Winkel vom Lot gebrochen wird. Sie läuft entlang der Grenzfläche und strahlt dabei kontinuierlich Wellenenergie unter dem kritischen Winkel zurück.

Question 8

Wann trifft die refraktierte Welle vor der direkten Welle ein?

Answer 8

Bei größeren Abständen kommt die refraktierte Welle schneller beim Empfänger an, da sich die Welle in einer Schicht mit höherer seismischen Geschwindigkeit ausbreitet

Question 9

Was ist die Interzeptzeit? Wie kann sie durch Analyse eines Shot-Gather bestimmt
werden?

Answer 9

Interzeptzeit: ist eine Funktion der seismischen Geschwindigkeiten (v1, v2)
und der Dicke der ersten Schicht

Shot-Gather: Die Analyse kann Informationen über die Überholdistanz und die Interzeptzeit liefern, womit die Geschwindigkeiten der Schichten bestimmt werden können

Question 10

Was ist der Unterschied zwischen einem common shot und einem common receiver
gather?

Answer 10

Comm shot gather: Die Schüsse erfolgen von einem Sender. Empfangen werden sie von mehreren Empfängern

Common receiver gather: Die Schüsse erfolgen von mehreren Sendern Empfangen werden sie von einem Empfänger

Question 11

Erklären Sie die Grundlagen seismischer Refraktionsmethoden. Was sind die gemessenen Daten und die interessierenden Parameter? Welche Annahmen sind für die Methode wichtig?

Answer 11

Grundlagen: Gegeben sind die Laufzeiten, die von mehreren Geophonen mit unterschiedlichen Schusspunkten gemessen wurden (z.B. entlang eines Profils) Wir können die Laufzeiten invertieren, um Veränderungen der seismischen Geschwindigkeiten der Untergrundmaterialien zu finden. Identifizierung der refraktieren Welle (Erstankünfte) für einen gather entsprechend der Schusspunkte entlang eines Profils

Daten: Zeit zwischen Schuss und Empfang der verschiedenen Wellen

Parameter: Distanz zwischen Sender und Empfänger,

Annahme: Die Geschwindigkeit nimmt mit zunehmender Tiefe zu (mehr dichteres Material in tieferen Regionen)

Question 12

Wie können Sie basierend auf der Analyse der refraktieren Wellen in einem shot-gather die Geschwindigkeiten eines geschichteten Mediums erhalten?

Answer 12

Wir können die Laufzeiten invertieren, um Veränderungen der seismischen
Geschwindigkeiten der Untergrundmaterialien zu finden

Question 13

Was sind die Komponenten einer seismischen Untersuchung?

Answer 13

Quelle seismischer Wellen
Recorder – Geophone
Steuerungseinheit

Question 14

Nennen Sie drei typische seismische Quellen für Landmessungen und eine für
Meeresuntersuchungen

Answer 14

Landmessungen: Explosionen, Vibroeis, Erdbeben, Sprengbruch

Meeresuntersuchungen: Echolot, Druckluftgewehr

Question 15

Was ist die Frequenzbandbreite von Hammerschlägen?

Answer 15

30 bis 120 Hz

Question 16

Was steuert die Auflösung bei seismischen Messungen?

Answer 16

Die vertikale Auflösung der Kampagne wird durch die Frequenz der seismischen Quelle definiert

Faustregel: die Auflösung ist ungefähr ein ¼ der Wellenlänge (𝜆) der Quelle

Question 17

Was sind Störquellen bei seismischen Messungen?

Answer 17

Umgebungsvibrationen aufgrund natürlicher Quellen wie Wind, Regen und
Wasserfluss

Anthropogene Vibrationen aufgrund von Bewegung neben dem Geophon, Verkehr, Züge, Industrie, Flugzeuge

Sekundäre Signal aufgrund von Ausbreitung in inhomogenen Medien (Streuung)

Question 18

Warum ist es wichtig, einen guten Kontakt zwischen den Geophonen und dem
Boden zu haben?

Answer 18

Da die Amplitude (A) einer seismischen Welle aufgrund von Streuverlust und Absorption abnimmt

Question 19

Wie groß ist der Dämpungsfaktor zwischen zwei Signalen, die einen Wert von 6 auf
der Dezibelskala zeigen?

Answer 19

Faktor 2 da dB = 20log10(2) = 6 dB

Question 20

Welche Bedeutung hat die Abtastrate bei seismischen Untersuchungen?

Answer 20

Wir müssen die Wellenform, die vom Geophon wahrgenommen wird, abtasten

Je höher die Abtastrate desto höher die Auflösung erforderlich, um Schnittstellen zu erkennen

Nyquist-Frequenz (fN): durch die Hälfte der Abtastfrequenz definiert -> Signale mit Frequenzen größer als fN verursachen Aliasing von niedrigeren Frequenzen -> Lösung: Beschränken des Frequenzgehaltes von Signalen (fS) auf -fN< fS <fN vor dem Abtasten

Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem (Nyquist) besagt, dass ein Signal vollständig rekonstruiert werden kann, wenn es nur Frequenzanteile besitzt die niedriger als die halbe Abstastfrequenz sind. Aliasing tritt auf, wenn eine Komponente des abgetasteten Signals größer als die Nyquistfrequenz ist (fN)

Question 21

Welche Bedeutung hat die Aufzeichnungszeit bei seismischen Vermessungen?

Answer 21

Tiefste Kontakte werden aus längeren Datenaufnahmen abgeleitet. Dämpfung der Wellen führt zu einer Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses bei langen Aufnahmezeiten

Question 22

Wie wird bei der Feldarbeit vorgegangen, um das Signal-Rausch-Verhältnis bei
seismischen Vermessungen zu verbessern?

Answer 22

Stapelung (engl. stacking) des Signals
Wiederholungen der seismischen Anregung am gleichen Schusspunkt und die Mittelung der aufgezeichneten Wellenformen
S/N verbessert sich mit der Wurzel der Anzahl der Wiederholungen (n)

Question 23

Was ist die Scherfestigkeit und wie wird sie mit seismischen Methoden quantifiziert?

Answer 23

Ist der Widerstand, den Böden dem Gleiten entlang einer Ebene parallel zur Kraftrichtung entgegensetzen

Quantifizierung: durch das Verhältnis der Geschwindigkeit der P-Welle (vp) zur S-Welle (vS)

Tragfähige Böden zeichnen sich durch eine niedrige Poissonzahl aus (𝜎 ~0.1 – 0.3). Unkonsolidierte Sedimente zeichnen sich durch eine hohe Poissonzahl aus (𝜎 ~0.45 )