angewandte geophysik vorlesung über die methoden der angewandten geophysik für studenten des...

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Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur Keary, P., Brooks B., Hill, I., An introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing, 2003. Mussett, A.E., Khan, M.A., Lookig into the Earth, Cambridge University Press, 2000 Shearer, P., Introduction to seismology, 2009. Vorlesungsunterlagen, Folien, Übungen unter http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/igel

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Page 1: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Angewandte GeophysikAngewandte Geophysik

Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs

Geowissenschaften im 3ten Sem.

Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs

Geowissenschaften im 3ten Sem.

Literatur

Keary, P., Brooks B., Hill, I., An introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing, 2003.

Mussett, A.E., Khan, M.A., Lookig into the Earth, Cambridge University Press, 2000

Shearer, P., Introduction to seismology, 2009.

Literatur

Keary, P., Brooks B., Hill, I., An introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing, 2003.

Mussett, A.E., Khan, M.A., Lookig into the Earth, Cambridge University Press, 2000

Shearer, P., Introduction to seismology, 2009.

Vorlesungsunterlagen, Folien, Übungen unter http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/igel

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Page 2: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Was ist angewandte Geophysik ?Was ist angewandte Geophysik ?

Geophysik ist die Anwendung physikalischer Prinzipien auf Probleme der Geowissenschaften

… die angewandte Geophysik beschäftigt sich speziell mit Anwendungen geophysikalischer Methoden, bei denen wirtschaftliche, umweltrelevante, oder gefährdungsbezogene Interressen zT im Vordergrund stehen (nicht das Lösen wissenschaftlicher Fragestellungen) …

Beispiele: Exploration und Prospektion von Rohstoffen (Öl, Gas, Minerale,

Edelmetalle, etc.) Geothermische Energie, CO2-Sequestrierung Erfassung von Strömungsprozessen (monitoring fluid flow) Beurteilung der Bodenbeschaffenheit von Baugrund (Tunnel,

Hochhäuser, etc.) Geophysikalische Archäologie Gefahren- und Risiko- Einschätzung (Vulkane, Erdbeben, Tsunamis) Archäologie

Geophysik ist die Anwendung physikalischer Prinzipien auf Probleme der Geowissenschaften

… die angewandte Geophysik beschäftigt sich speziell mit Anwendungen geophysikalischer Methoden, bei denen wirtschaftliche, umweltrelevante, oder gefährdungsbezogene Interressen zT im Vordergrund stehen (nicht das Lösen wissenschaftlicher Fragestellungen) …

Beispiele: Exploration und Prospektion von Rohstoffen (Öl, Gas, Minerale,

Edelmetalle, etc.) Geothermische Energie, CO2-Sequestrierung Erfassung von Strömungsprozessen (monitoring fluid flow) Beurteilung der Bodenbeschaffenheit von Baugrund (Tunnel,

Hochhäuser, etc.) Geophysikalische Archäologie Gefahren- und Risiko- Einschätzung (Vulkane, Erdbeben, Tsunamis) Archäologie

Page 3: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Was sind die Methoden der Angewandten Geophysik?Was sind die Methoden der Angewandten Geophysik?

Seismik, Reflektions- und Refraktions Seismik, Erdbebenseismologie

Deformationen (Längenänderungen)

Gravimetrie, Gravimeter, Anomalien, Dichte der Gesteine, Korrekturen

Geoelektrik, Leitfähigkeit, Polarisation, Eigenpotential

Magnetik, Gesteinsmagnetismus, Anomalien, Biogeomagnetismus

Geoelektromagnetik, EM Felder, aktiv, passiv

Bohrlochgeophysik, well logging, Permeabilität, Porösität

Geophysical fluid dynamics, poröses Medium, Flüssigkeitsdiffusion

Radiometrie, Geothermie/Geothermische Anwendungen (geothermal methods)

Seismik, Reflektions- und Refraktions Seismik, Erdbebenseismologie

Deformationen (Längenänderungen)

Gravimetrie, Gravimeter, Anomalien, Dichte der Gesteine, Korrekturen

Geoelektrik, Leitfähigkeit, Polarisation, Eigenpotential

Magnetik, Gesteinsmagnetismus, Anomalien, Biogeomagnetismus

Geoelektromagnetik, EM Felder, aktiv, passiv

Bohrlochgeophysik, well logging, Permeabilität, Porösität

Geophysical fluid dynamics, poröses Medium, Flüssigkeitsdiffusion

Radiometrie, Geothermie/Geothermische Anwendungen (geothermal methods)

Page 4: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Die Vorlesung im ÜberblickDie Vorlesung im Überblick

Woche Inhalte

1 Einführung – Digitale Signale

2-3 Signalverarbeitung, Spektralanalyse

4-6 Elastisches Medium, seismische Wellen

8 Reflektionsseismik

9 Refraktionsseismik

10-11 Erdbebenseismologie

12 Falluntersuchungen

13 Wiederholung

14 Klausur

Page 5: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Angewandte Geophysik: ein BeispielRohstoff-Exploration

Angewandte Geophysik: ein BeispielRohstoff-Exploration

Datenbeschaffung

Datenaufbereitung und Interpretation

Seismik– Gravimetrie – Bohrlochgeophysik – Radiometrie – Magnetik – Gesteinsphysik – 4D Erfassung

Page 6: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

TRANSALPTRANSALP

Struktur unter den Alpen, Tektonik

Page 7: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Angewandte Geophysik: IODP: Integrated Ocean Drilling Program

Angewandte Geophysik: IODP: Integrated Ocean Drilling Program

Seismik – Bohrlochgeophysik – Radiometrie – Gesteinsphysik – Gravimetrie – Electromagnetik – Magnetik

Seismik – Bohrlochgeophysik – Radiometrie – Gesteinsphysik – Gravimetrie – Electromagnetik – Magnetik

Graphics: IODP www.iodp.org

Vorerkundung möglicher Bohrlokationen immer mit Seismik

Vorerkundung möglicher Bohrlokationen immer mit Seismik

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RHUM - RUMRHUM - RUM

Check: www.rhum-rum.net

Page 10: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Angewandte Geophysik: UmweltgeophysikAngewandte Geophysik: Umweltgeophysik

Überwachen von Mülldeponien:

- Wie verteilen sich Flüssigkeiten im Gestein?

- Gefahren für die Grundwasserqualität?

- Lithologie des Bodens?- Permeabilität, Porosität?- Störungen?

Methoden: Elektromagnetik, Seismik, Georadar, Magnetik, Gravimetrie, etc.

Überwachen von Mülldeponien:

- Wie verteilen sich Flüssigkeiten im Gestein?

- Gefahren für die Grundwasserqualität?

- Lithologie des Bodens?- Permeabilität, Porosität?- Störungen?

Methoden: Elektromagnetik, Seismik, Georadar, Magnetik, Gravimetrie, etc. Figure:

earthobservatory.nasa.gov

Page 11: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

ErdbebenbeobachtungSchwarmbeben

ErdbebenbeobachtungSchwarmbeben

Erdbeben in Bayern, Einfluss von Regen auf Seismizität, Korrelation von Phänomenen

Page 12: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Seismische GefahrenSeismische Gefahren

Wie stark sind die Bodenbewegungen bei möglichen Erdbebenszenarien?Beispiel: Kölner Becken

Fault scarp, Taiwan

Page 13: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Welche Methode für welches Problem ?Welche Methode für welches Problem ?

Problemstellungen: Es soll die Untergrundbeschaffenheit bezüglich der Statik (hohes Gebäude), Strömungseigenschaften (Mülldeponie), Archäologische Funde, etc. untersucht werden.

Um zu entscheiden, welche Methode geeignet ist, müssen wir Folgendes beachten:

Welche physikalische Eigenschaften und Prozesse sind relevant (e.g. Permeabilität, Porosität, seismische Geschwindigkeit, Anisotropie, Leitfähigkeit, Dichte, Wellenausbreitung, Diffusion)?

Welche Raum- und Zeitskalen sind relevant für das Problem? Welche geometrischen Experimentanordnungen sind optimal? Wie muss ich die gewonnenen Daten aufbereiten und analysieren? Welche „a priori Information“ (Randbedingungen) ist bekannt und

kann mit einbezogen werden? Wie sind die physikalischen Eigenschaften voneinander abhängig?

Die Antworten auf all diese Fragen hängen stark von dem jeweiligen Ziel und der Problemstellung ab.

Problemstellungen: Es soll die Untergrundbeschaffenheit bezüglich der Statik (hohes Gebäude), Strömungseigenschaften (Mülldeponie), Archäologische Funde, etc. untersucht werden.

Um zu entscheiden, welche Methode geeignet ist, müssen wir Folgendes beachten:

Welche physikalische Eigenschaften und Prozesse sind relevant (e.g. Permeabilität, Porosität, seismische Geschwindigkeit, Anisotropie, Leitfähigkeit, Dichte, Wellenausbreitung, Diffusion)?

Welche Raum- und Zeitskalen sind relevant für das Problem? Welche geometrischen Experimentanordnungen sind optimal? Wie muss ich die gewonnenen Daten aufbereiten und analysieren? Welche „a priori Information“ (Randbedingungen) ist bekannt und

kann mit einbezogen werden? Wie sind die physikalischen Eigenschaften voneinander abhängig?

Die Antworten auf all diese Fragen hängen stark von dem jeweiligen Ziel und der Problemstellung ab.

Page 14: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Prinzipieller Unterschied: passive und aktive Methoden

Prinzipieller Unterschied: passive und aktive Methoden

Aktiv:Mit künstlichen Quellen

werden Eigenschaften des Untergrunds dargestellt

Beispiele: Explosionen,

Druckluftkanonen EM Wellen Polarisationsmethoden Vibrationen Injektion von

Flüssigkeiten

Aktiv:Mit künstlichen Quellen

werden Eigenschaften des Untergrunds dargestellt

Beispiele: Explosionen,

Druckluftkanonen EM Wellen Polarisationsmethoden Vibrationen Injektion von

Flüssigkeiten

Passiv:Natürliche

Quellen/Phänomene werden für die Erkundung des Untergrund benutzt

Beispiele: Gravitation Erdbeben EM Feld Schallwellen Mikroseismische

Aktivitäten Wärmefluss Deformation Rotation

Passiv:Natürliche

Quellen/Phänomene werden für die Erkundung des Untergrund benutzt

Beispiele: Gravitation Erdbeben EM Feld Schallwellen Mikroseismische

Aktivitäten Wärmefluss Deformation Rotation

Was sind direkte und indirekte Methoden?Was sind direkte und indirekte Methoden?

Page 15: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Imaging, InversionImaging, Inversion

Courtesy: C. Thomson

Page 16: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

Imaging (Abbilden) und UnsicherheitenImaging (Abbilden) und Unsicherheiten

Indirekte Methoden (Imaging) sind normalerweise „unterbestimmte mathematische Probleme“ und/oder haben keine mathematisch eindeutige Lösungen. Dies bietet großen Freiraum für die Interpretation der beobachteten Daten.

Indirekte Methoden (Imaging) sind normalerweise „unterbestimmte mathematische Probleme“ und/oder haben keine mathematisch eindeutige Lösungen. Dies bietet großen Freiraum für die Interpretation der beobachteten Daten.

Konsequenzen: Es können mehr als nur eine Lösung (oftmals

unendlich viele) die Beobachtungen erklären Informationen über Unsicherheiten sind schwierig

darzustellen Oftmals sind Ergebnisse von „Wunschdenken“

geprägt. ( Vorsicht ! ) Man muss sich stets darüber im Klaren sein, wie viel

Information die Messungen über die Physik des betrachteten Systems beinhalten (dies führt z.B. zum Gebrauch der Wahrscheinlichkeitsrechnung)

Konsequenzen: Es können mehr als nur eine Lösung (oftmals

unendlich viele) die Beobachtungen erklären Informationen über Unsicherheiten sind schwierig

darzustellen Oftmals sind Ergebnisse von „Wunschdenken“

geprägt. ( Vorsicht ! ) Man muss sich stets darüber im Klaren sein, wie viel

Information die Messungen über die Physik des betrachteten Systems beinhalten (dies führt z.B. zum Gebrauch der Wahrscheinlichkeitsrechnung)

Page 17: Angewandte Geophysik Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs Geowissenschaften im 3ten Sem. Literatur

ZusammenfassungZusammenfassung

Die in dieser Vorlesung angesprochenen geophysikalischen Methoden haben ein immens weites Spektrum an Anwendungen in der Forschung ebenso wie in der Umwelt, Exploration, Ingenieursgeophysik, Geodäsie, Ozeanographie, Medizin, etc.

Die Hauptanwendungen hierbei sind Seismik, Geoelektrik, Magnetik, Gravimetrie, Geothermie, Radiometrie, Rheologie, Hydrodynamik

Viele der entwickelten Verfahren zur Datengewinnung und Auswertung der Messungen sind identisch mit denen der jeweils anderen Bereiche. z.B. Digitalisierung, Spektrale Analyse, Filterung, und Simulation (modeling). Deshalb stehen diese fundamentalen Themen am Anfang des Kurses.

Die in dieser Vorlesung angesprochenen geophysikalischen Methoden haben ein immens weites Spektrum an Anwendungen in der Forschung ebenso wie in der Umwelt, Exploration, Ingenieursgeophysik, Geodäsie, Ozeanographie, Medizin, etc.

Die Hauptanwendungen hierbei sind Seismik, Geoelektrik, Magnetik, Gravimetrie, Geothermie, Radiometrie, Rheologie, Hydrodynamik

Viele der entwickelten Verfahren zur Datengewinnung und Auswertung der Messungen sind identisch mit denen der jeweils anderen Bereiche. z.B. Digitalisierung, Spektrale Analyse, Filterung, und Simulation (modeling). Deshalb stehen diese fundamentalen Themen am Anfang des Kurses.