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Seismischer Lauschangriff

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:37 — abgelaufen

Auch ohne Erdbeben ist unser Planet ständig in Unruhe. Ziel des GEOTECHNOLOGIEN-Projekts MIIC ist es, diesem „seismischen Rauschen“ Informationen über die Beschaffenheit des Untergrunds und über das innere Gefüge von Bergwerken und Betonbauten zu entlocken.

Sensor an der Talsperre Eibenstock (Sachsen). Die Wissenschaftler arbeiten daran, strukturelle Veränderungen in der Wand des Staudamms nachzuweisen (Bild: MIIC-Projekt).Ein lautloses Flüstern durchdringt unseren Planeten. Anders als das plötzliche Poltern eines Erdbebens, dessen Ursprung für gewöhnlich in großer Tiefe zu suchen ist, stammt das Wispern von Geschehnissen an der Erdoberfläche, deren Regungen sich auf den Boden übertragen. Die dabei entstehenden Schallwellen wandern durch den Untergrund – zumeist geräuschlos, dafür begleitet von winzigen Erschütterungen. „Es gibt verschiedene Quellen, die dafür sorgen, dass die Erde ständig in Vibrationen gerät“, erläutert Dr. Christoph Sens-Schönfelder vom Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam. „Das sind zum Beispiel der Wind, die Meeresbrandung und in städtischen Gebieten auch der Verkehr. Sie alle erzeugen Wellen, die durch die Erde laufen.“

Von der Wissenschaft einst wenig beachtet, stößt das „seismische Rauschen“ mittlerweile auf wachsendes Interesse. „Inzwischen nutzt man diese Wellenfelder, um daraus Informationen über die Struktur und über Veränderungen des Untergrundes zu gewinnen“, so Sens-Schönfelder, der gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an dieser Fragestellung arbeitet. Das Projekt mit dem Namen MIIC – das Kürzel steht für „Monitoring und Imaging auf der Grundlage interferometrischer Konzepte“ – wird im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN gefördert. Dabei haben die Wissenschaftler nicht nur natürliche Objekte wie etwa Vulkane im Blick, sondern auch Bergwerke und Staudämme. „Die Analyse des Hintergrundrauschens hat ihren Ursprung in der Seismologie. Dort geht es um gewaltige Dimensionen, bis zur Größe von Kontinenten“, sagt Sens-Schönfelder. „Wir möchten die Methodik auch auf kleinere Skalen anwenden und sie für die Geotechnik und für ingenieurstechnische Fragestellungen nutzbar machen. Wir arbeiten hier prinzipiell an einen ganz neuen Ansatz, mit dem es noch keine Erfahrungen gibt.“

Interferometrische Seismologie

Seismische Wellen können Informationen über verborgene Strukturen preisgeben, ähnlich wie Ultraschall Einsichten in den menschlichen Körper ermöglicht. Traditionell haben Geoforscher dafür die Aufzeichnungen von Erdbeben ausgewertet oder den Untergrund durch technische Vorrichtungen, manchmal durch Sprengungen, in Schwingungen versetzt. Bei MIIC verfolgt man einen anderen Ansatz: Es gibt keine aktive Quelle. Daher die Bezeichnung „passive“ oder auch „interferometrische Seismologie“. Bei diesem Verfahren wird das Umgebungsrauschen an mindestens zwei Standorten mit Seismometern erfasst und miteinander verglichen – im Fachjargon heißt dieser Abgleich „Korrelation“. „Man erhält ein Messsignal, das in gewisser Weise so aussieht, als habe an einem der Standorte eine künstliche Quelle gestanden oder ein Erdbeben stattgefunden“, meint Sens-Schönfelder. Gegenüber dem klassischen Verfahren habe die interferometrische Seismologie diverse Vorteile. „Hat man ein Netzwerk an Messstationen, kann man die Korrelation jeweils paarweise zwischen den Standorten durchführen. Die Messgenauigkeit ist dann durch Abstand und Orientierung der Stationen zueinander bestimmt, nicht durch die Lage eines unabsehbaren Erdbebens.“ Überdies sei das Umgebungsrauschens ständig verfügbar. „Man kann es kontinuierlich aufzeichnen und somit auch Veränderungen in der Struktur des Untergrundes kontinuierlich nachweisen“, sagt der Geoforscher.

Aufnahme-Equipment. Von der Wissenschaft einst wenig beachtet, stößt das seismische Rauschen mittlerweile auf wachsendes Interesse (Bild: MIIC-Projekt).Ein wichtiger Aspekt des MIIC-Projektes ist die Entwicklung einer Software, die eine einfache Anwendung der interferometrischen Methodik in der Praxis ermöglicht. „Es geht um ein Werkzeug, das beispielsweise unsere Projektpartner aus der Industrie nutzen können, ohne sich mit wissenschaftlichen Details befassen zu müssen“, so Sens-Schönfelder. Bestandteil des Projektes ist aber auch die Entwicklung von Hardware. Die passive Seismologie stelle besondere Anforderungen an die Technik, erläutert der Geowissenschaftler: „Klassischerweise benötigt man Rekorder, die nur kurze Signale aufzeichnen. Doch wenn man passiv messen möchte, ist es erforderlich, das Umgebungsrauschen über einen sehr langen Zeitraum aufzeichnen. Das gilt besonders dann, wenn man Monitoring macht, also Veränderungen registrieren möchte.“ Zudem arbeiten die Forscher an einer drahtlosen Übertragung der Messdaten. „In urbanen Gegenden sind die Infrastrukturbedingungen für seismische Messungen relativ ungünstig. Man kann beispielsweise nicht so ohne Weiteres Kabel verlegen. Deswegen entwickeln wir Aufzeichnungsgeräte, die sowohl kontinuierlich aufzeichnen können, als auch eine drahtlose Kommunikation ermöglichen – und das alles in Echtzeit.“

Berg und Beton

Derzeit testen die Forscher ihre Methodik auf verschiedenen Größenskalen. Am oberen Ende stehen aktive Vulkane. Für diesen Zweck können sie auf Messdaten des „Piton de la Fournaise“, einem Feuerberg auf der Insel La Réunion im Indischen Ozean, zurückgreifen. „In den Datensätzen versuchen wir, Veränderung zu detektieren, die im Zusammenhang mit einem Ausbruch stehen. Den Zeitpunkt solcher Veränderungen können wir ziemlich gut festlegen. Schwieriger ist es, solche Veränderungen räumlich zu lokalisieren. Im Prinzip wissen wir nur, dass sich etwas ändert, aber nicht, wo dies geschieht“, sagt Sens-Schönfelder. Ein Ziel des Projektes sei es daher, Veränderungen in der Struktur des Vulkans nicht nur nachzuweisen, sondern sie mit einem räumlichen Abbilds des Untergrundes zu verknüpfen.

Bei der Auswertung der Daten stehen dabei nicht jene Wellen im Fokus, die von einem Ereignis unmittelbar ausgelöst werden, sondern die „seismische Coda“ – ein Signal, das insbesondere durch Rückstreuungen entsteht. „Das kann man sich so vorstellen wie den Nachhall in der Kirche“, meint Sens-Schönfelder. „Es ist eine langanhaltende Anregung, die sich im Medium nur allmählich ausbreitet und die nach dem Eintreffen der direkten Wellen am Sensor immer noch Erschütterungen verursacht. Diese Wellen sind sehr empfindlich für Veränderungen, weil sie relativ lange durch das Medium laufen.“ Informationen über den Ort des Geschehens würden dadurch allerdings verwischt. Man verliere „räumliche Auflösung“, so Sens-Schönfelder. Hieraus ergebe sich auch die Schwierigkeit, nicht nur den Zeitpunkt einer Veränderung festzustellen, sondern diese auch präzise lokalisieren zu können.

Auf kleinerer Skala als die Untersuchungen am „Piton de la Fournaise“ spielt sich eine Messkampagne in einem deutschen Salzbergwerk ab. „Dort gibt es ein Netzwerk, mit dem natürliche Mikrobeben routinemäßig überwacht werden. Darauf aufbauend haben wir eine kontinuierliche Aufzeichnung des seismischen Rauschens installiert“, erläutert der Geoforscher. „Dabei geht es um Spannungsänderungen, Spannungsverlagerungen und letztlich um die Sicherheit des Bergwerks.“

Überdies arbeiten die Wissenschaftler daran, strukturelle Veränderungen in der Wand eines Staudamms nachzuweisen. Ergänzt werden solche Feldbeobachtungen durch Laborexperimente an Betonblöcken. „Dies ist die kleinste Skala, auf der wir tätig sind“, so Sens-Schönfelder. „Es geht dabei um Veränderungen, die durch Belastungsschädigungen hervorgerufen werden.“ Gemeinsamkeiten zur gängigen Materialprüfung mittels Ultraschall gebe es durchaus. „Doch auch hier unterscheiden wir uns durch den Methodenwechsel. Wir arbeiten nicht mit direkten Wellen, sondern mit der seismischen Coda. Dadurch sind wir beispielsweise besonders empfindlich auf strukturelle Änderungen, die aufgrund von Temperaturschwankungen auftreten.“

MN, iserundschmidt 12/2011


Mehr Infos zu "MIIC" und den übrigen Projekten des Förderschwerpunkts „Tomografie der Erdkruste - Von der Durchschallung zum Echtzeitmonitoring“ finden Sie hier.