Im Zuge der Aufklärung begannen sich die Menschen ab Mitte des 18.
Jahrhunderts für die Geologie ihrer Umgebung zu interessieren.
Die Alpen in Zentraleuropa waren dabei ein wichtiges Studienobjekt, um
den geologischen Aufbau und die Gebirgsbildung systematisch zu
untersuchen.
Giovanni Arduino zeichnete 1758 dieses geologische Profil des
italienischen Alpenvorlandes.
Mit der Zeit setzte man Arbeiten von verschiedenen Orten zusammen und
gewann einen ersten Eindruck des Aufbaus der Alpen.
Die Alpen sind ein Faltengebirge, das aus der Kollision der
afrikanischen Platte mit Eurasien hervorgegangen ist.
Diese Falten sieht man auf diesem Längsschnitt durch die Schweiz aus
dem Jahre 1911.
Sie sehen, wie einzelne Schichten nahezu senkrecht aufgeschoben
wurden.
In jüngerer Zeit hat man auch die Methoden der Seismik genutzt, um die
Tiefenstruktur der Alpen zu erkunden.
In den Jahren 1998 und 1999 wurde eine groß angelegte Seismikmessung
durch die Ostalpen durchgeführt.
Das Projekt nannte sich Transalp.
Für die Messung und Auswertung der Daten wurden verschiedene
seismische Methoden verwendet.
Eine davon ist die Weitwinkelseismik.
Sie nutzt Reflexionen und Refraktionen über sehr weite Entfernungen.
Hallo und herzlich willkommen.
In diesem Video stelle ich Ihnen die Methoden der Weitwinkelseismik am
Beispiel des Transalp-Projekts vor.
Sie lernen dabei den Aufbau einer seismischen Weitwinkelmessung an
Land kennen, sowie Quellen und Empfänger, die dafür genutzt werden.
Ich werde Ihnen die Vorteile und Nachteile langer Seismikprofile
gegenüber kurzen aufzeigen und wie damit unterschiedliche
Tiefenbereiche untersucht werden können.
Am Ende werden Sie sehen, wie die Kombination verschiedener
seismischer Methoden im Transalp-Projekt neue Erkenntnisse über die
Untergrundstruktur der Alpen erzielen konnte.
Das Transalp-Projekt war ein internationales und multidisziplinäres
Forschungsprogramm zur Untersuchung der Alpenentstehung.
Ein Ziel war dabei die Untersuchung der Kollisionszone zwischen
afrikanischer und europäischer Platte unter den Ostalpen.
Wie Sie sehen werden, spielt dabei eine kleine tektonische Platte
unter der Adria eine wesentliche Rolle.
Für das Messprojekt bauten Geophysiker ein fast 340 Kilometer langes
Reflexionsprofil etwa zwischen München im Norden und Venedig im Süden
auf.
Es umfasste die Ostalpen und Teile seiner nördlichen und südlichen
Vorländer.
Die Wissenschaftler führten zunächst auf dem gesamten Profil
reflexionsseismische Messungen mit nahezu vertikalen Strahlwegen
durch.
Daneben wurden aber auch andere geophysikalische und seismische
Methoden verwendet, darunter die der Weitwinkelseismik.
Die Weitwinkelseismik nutzt reflektierte und refraktierte Wellen, die
in großen Entfernungen aufgezeichnet werden.
Für die reflektierten Wellen ergeben sich dadurch weite, d.h.
stumpfe Einfallswinkel, daher der Name.
Die große Distanz zwischen Quelle und Empfänger, der Offset, ist z.B.
von Vorteil, wenn die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer
Wellen in einer ausgedehnten Gesteinsschicht bestimmt werden soll.
Solche Durchschnittsgeschwindigkeiten können dann als Voraussetzung
zur weiteren Analyse der Untergrundstruktur dienen.
Eine andere Anwendung ist die Kartierung tiefer Schichtgrenzen bis hin
zur Krustenmantelgrenze.
Es ist mit Weitwinkelreflektionen möglich, Schichtgrenzen abzubilden,
die von vertikalen Reflektionen nicht gesehen werden können, weil sie
unter starken Reflektoren verborgen liegen.
Man spricht dabei von Undershooting.
Im Transallprojekt sollte die Lage solcher tiefen Schichtgrenzen
bestimmt werden.
Speziell ging es um die Frage, wie und an welcher Stelle die
atreatische und diurasische Platte zusammentreffen.
Zur Untersuchung der Untergrundstruktur der Alpen zeichneten bis zu 50
Dreikomponentenseismometer die Messdaten in den Alpen auf.
Dabei waren die Instrumente in Abständen von etwa 5 bis 10 Kilometern
quer über die Alpen platziert.
Auf der Karte sind sie mit grünen, blauen und gelben Sternen markiert.
Für Transalp wurden sowohl Explosionen als auch Vibroseisquellen zur
Anregung der seismischen Wellen verwendet.
Sie sind als rote Punkte eingezeichnet.
Für Vibroseisanregungen werden hauptsächlich Verwässerungen mit
kleinen Offsets in den oberen Erdschichten verwendet.
Dafür liefern sie genügend starke Signale.
Um bei den großen Offsetentfernungen der Weitwinkelseismik
ausreichende Signalstärke zu erreichen, müssen Explosionen als
stärkere Quellen verwendet werden.
Damit können dann tiefere Schichten wie die mittlere und untere
Erdkruste untersucht werden.
Vibroseissignale sind bis in wenige Zehner Kilometer Entfernung
messbar.
Explosionen, man spricht doch von Schüssen, in dieser Studie bis in
über 100 Kilometer.
Ein weiterer Unterschied zwischen Erkundungen mit kleinen und großen
Offsets ist der Frequenzgehalt.
Bei kurzen Profilen, man sagt auch Auslagen, wird typischerweise
Vibroseis mit Frequenzen bis 100 Hertz oder auch darüber verwendet.
Für Weitwinkelmessungen hingegen sind niedrige Frequenzen um die 10
Hertz nötig.
Sie werden weniger stark gedämpft und sind deshalb auch noch in großer
Entfernung messbar.
Der Nachteil niedriger Frequenzen ist durch ihre große Wellenlänge
allerdings die geringe räumliche Auflösung.
Deshalb verwendet man zu Untersuchen großräumiger und tiefer
Strukturen wie der Krust-Mantel-Grenze auch natürliche Erdbeben.
Im Gegensatz zu künstlichen Quellen kann man ihre Stärke sowie Ort und
Zeitpunkt ihres Auftretens allerdings nicht vorher festlegen.
Unabhängig von der Art der seismischen Quelle werden die Wellen
reflektiert oder laufen als refraktierte Wellen entlang von
Schichtgrenzen.
Beide Formen werden in der Weitwinkelseismik genutzt.
In diesem Laufzeitdiagramm sehen Sie Wellenankunftszeiten gegenüber
der Quellempfängerdistanz, dem Offset, aufgetragen.
Dabei soll eine Schicht höherer Geschwindigkeit von einer mit
langsamerer Geschwindigkeit überlagert sein.
Bei kleinen Offsets trifft die direkte Welle zuerst ein, hier in blau
dargestellt.
Die Laufzeitkurve der reflektierten Welle erscheint als gekrümmte
Hyperbel in braun und rot.
Am Anfang kommen die Wellen deutlich nach der direkten Welle an.
Das sind dann die nahezu vertikal reflektierten Strahlwege, die in der
Explorationsseismik verwendet werden.
Je größer der Offset wird, desto mehr nähern sich die Laufzeitkurven
der direkten und reflektierten Welle an.
Ihre Laufzeiten werden sich also in großen Entfernungen immer
ähnlicher.
Ab der kritischen Entfernung tritt neben der reflektierten auch die
refraktierte Welle auf.
Sie wird auch Kopf- oder Mintropfwelle genannt und ist hier in grün
dargestellt.
Sie breitet sich mit der schnelleren Geschwindigkeit entlang der
Schichtgrenze aus und überholt die direkte Welle in größerer
Entfernung.
Als überkritisch werden Reflexionen bezeichnet, die jenseits der
kritischen Entfernung auftauchen.
Das ist der Bereich der Weitwinkelreflexionen.
Nahe der kritischen Entfernung ist die Signalamplitude der
Weitwinkelreflexionen besonders groß, und sie können gut beobachtet
werden.
Im Allgemeinen erlaubt die vertikale Reflexionsseismik die genaue
Abbildung verhältnismäßig flacher Strukturen.
Weitwinkelreflexionen und Refraktionen können mittlere
Geschwindigkeiten über große Distanzen liefern und Reflektoren in
großen Tiefen abbilden.
Generell benutzt man für Weitwinkelreflexionen lange Auslagen.
Sie sind typischerweise um ein Vielfaches größer als die Tiefe der
Schicht, die untersucht wird.
Eine Faustregel besagt, zur Untersuchung von Tiefenreflektoren sind
Offsets von 4 bis 5 mal der Untersuchungstiefe notwendig.
Für die Krusten-Mantel-Grenze sind also Auslagen von 100 bis 150 km
nötig.
Im Transaltprojekt wurden solche langen Profile verwendet und mit
kurzen Profilen mit eher vertikalen Laufwegen kombiniert.
In der Abbildung sehen Sie eine seismische Sektion, die während des
Transaltprojekts aufgezeichnet wurde.
Die abgebildete Sektion stellt die gestapelten Seismogramme von
Schüssen an einem Ort dar, die an allen Messstationen aufgezeichnet
wurden.
Diese Schussposition liegt ganz im Norden des Profils, südlich von
München, und ist hier mit einem roten Kreis markiert.
Die Sektion wurde gefiltert zwischen 44 Hz und NMO-korrigiert.
Deutlich kann man in der Sektion die Ersteinsätze an den verschiedenen
Stationen erkennen.
Die mit PG beschriftete Phase ist die direkte, nicht reflektierte
Welle, die im oberen Teil der Erdkruste bis in etwa 3 km Tiefe
eindringt.
Die PMP-Phase stellt die Welle dar, die in der Tiefe an der
Krustenmantelgrenze, kurz MOHO genannt, reflektiert wird.
Hier sind die zugehörigen Strahlwege abgebildet, die mithilfe eines
Geschwindigkeitsmodells berechnet wurden.
Die roten Kreuze in der seismischen Sektion stellen theoretische
Laufzeiten dar, die ebenfalls aus dem Untergrundmodell resultieren.
Die Übereinstimmung ist auf den meisten Spuren sehr gut.
Die zweite Sektion zeigt die Aufzeichnungen von Schüssen nahe der
italienisch -österreichischen Grenze.
Auch hier kann das Untergrundmodell die Laufzeiten gut erklären.
Deutlich sind zwei tiefe, starke Reflektoren im Norden und Süden zu
erkennen.
Die Auftragung aller modellierten Strahlwege erlaubt die
Identifizierung gut durchstrahlter und damit gut aufgelöster Bereiche.
Diese letzte Abbildung ist eine Kombination aus flachseismischen und
Weitwinkelmessungen.
Die Reflektoren werden als Lage der europäischen Moho im Norden und
der atreatischen Moho im Süden interpretiert.
Offenbar schiebt sich unterhalb des Messprofils die kleine atreatische
Platte über die eurasische.
Das ist ein Ergebnis der gemeinsamen Auswertung von Flachseismik und
Weitwinkelseismik, die hier genutzt wurde, um ein Abbild der
tektonischen Platten im Untergrund zu gewinnen.
Wie Mitte des 18.
Jahrhunderts ist man auch heute an der tiefen Struktur unter den Alpen
und dem Verständnis der tektonischen Prozesse interessiert.
Zum Beispiel gibt es Hinweise, dass sich die atreatische Platte an
anderer Stelle unter und nicht über Eurasien schiebt.
Im Rahmen des Alp-Array-Projekts ist ab 2016 geplant, über den
gesamten Alpenraum mit etwa 300 permanenten und mehr als 500 mobilen
Seismometern lokale und globale Erdbeben aufzuzeichnen.
Mit diesen Daten soll erstmalig ein dreidimensionales Bild des
Untergrunds der gesamten Alpen erstellt werden, um das Zusammenspiel
der Kontinentalplatten noch besser zu verstehen.
In diesem Video habe ich Ihnen die Methoden der Weitwinkelseismik
vorgestellt.
Sowohl reflektierte als auch reflektierte Wellen werden dabei über
lange Entfernungen beobachtet und erlauben einen Blick bis zur
Krustenmantelgrenze.
Sie ergänzen Messungen vertikal reflektierter Wellen, die flache
Tiefenbereiche abdecken.
Am Beispiel des Transalp-Experiments habe ich Ihnen gezeigt, wie damit
Informationen über die Strukturen in der Erdkruste gewonnen werden
können.
Zum Beispiel über die Atriatische Platte, die sich bei der Kollision
von Afrika stellenweise über die Eurasische Platte schiebt.