Reflexionsseismik

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Die Reflexionsseismik ist ein Teilgebiet der Seismik und wird zur Bestimmung von Schichtgrenzen in der Erdkruste eingesetzt. Reflexionsseismische Messungen zielen darauf ab, aus reflektierten P-Wellen Aussagen über die Untergrundstruktur zu treffen und Grenzflächen zu rekonstruieren.

An Schichtgrenzen wird die Schallwelle, wie ein Lichtstrahl an optischen Grenzen, bei Übergang von einer Schicht in eine andere teilweise gebrochen und teilweise reflektiert und in andere Wellentypen konvertiert. Dabei gehorcht die Brechung des Schallstrahls dem Snelliusschen Brechungsgesetz. Für die Reflexion gilt, wie auch in der Optik, das Reflexionsgesetz:

Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel.

Der Anteil der an einer Grenzfläche reflektierten Welle ist abhängig von Geschwindigkeits- und Dichteunterschieden zwischen den angrenzenden Gesteinsschichten. Für senkrechten Welleneinfall, dem Standardfall der Reflexionsseismik, gilt für den Reflexionskoeffizient:

Eine geologische Grenzfläche ist also nur erkennbar, wenn die Schallhärte, das Produkt , der benachbarten Schichten unterschiedlich ist.

Ein kleiner Teil des reflektierten Wellenfeldes gelangt zurück zur Erdoberfläche und wird dort mit Geophonen registriert. Aus dem Seismogramm lässt sich dann feststellen, in welcher Tiefe Schichtgrenzen sind.

Anwendungen:

• Kartierung von Deponien
• Kohlenwasserstoffexploration
• Grundwasserexploration (der Grundwasserspiegel ist ein hydrogeologische Barriere)
• Ingenieurbauten, vornehmlich Tunnelbau und Fundationen
• Naturgefahren (z.B. Hanginstabilitäten)

Methoden der Reflexionsseismik:

• Split-Spread-Methode:

Diese Methode wird verwendet um sich einen ersten Eindruck des Untergrundes zu verschaffen. Der Schusspunkt (der Punkt an dem seismische Wellen ausgelöst werden) liegt in der Mitte der Geophonauslage. Im Seismogramm sind Schichtgrenzen als Hyperbeln erkennbar und die Wellengeschwindigkeit der Schichten lässt sich aus der Hyperbelkrümmung bestimmen.

• Common MidPoint Technik

Das ist das gebräuchlichste Verfahren. Die Geophonauslage wird von verschiedenen Punkten aus angeschossen. Dann werden die aufgezeichneten Spuren nach gemeinsamen Mittelpunkten zwischen Schusspunkt und Geophon sortiert. Um die Spuren konstruktiv überlagern zu können wird eine Laufzeitkorrektur (Normal Move Out) vorgenommen. Damit erscheinen die Einsätze im Seismogramm so, als wären sie direkt über dem Reflektor registriert worden. Anschließend können alle Spuren des Seismogramms aufaddiert werden um so dass Nutz-/Stör Verhältnis zu verbessern.

Das Ergebnis eines CMP Processings ist eine Lotzeitsektion. Das CMP Verfahren zeichnet sich insbesondere durch seinen geringen Rechenzeitbedarf aus. Für den Fall, dass der Untergrund aus ebenen, wenig geneigten Reflektoren aufgebaut ist, liefert das Verfahren meist ein recht brauchbares Abbild.

• Migration

Geneigte oder gekrümmte Reflektoren werden durch das CMP Verfahren verzerrt abgebildet. Weiterhin wird die Lage der Reflektoren im Zeitbereich, also durch Quell-Empfänger-Mittelpunkt (CMP) und Laufzeit der Wellen, beschrieben. Somit kann nicht unmittelbar auf deren Position im Untergrund geschlossen werden. Ein Abbildungsverfahren welches die Transformation vom Zeit- in den Tiefenbereich leistet ist die sogenannte Tiefenmigration. Diesem Verfahren liegt die Vorstellung zu Grunde, dass der Untergrund aus vielen Diffraktionspunkten aufgebaut ist. Nach dem Huygensschen Prinzip ist jeder Diffraktor, der von einer Welle getroffen wird, Ausgangspunkt einer Elementarwelle. Ziel der Migration ist es, aus den Reflexionseinsätzen im Seismogramm den Ort des Diffraktors im Untergrund zu berechnen. Dabei wird mit einem (durch andere Verfahren gewonnenem Untergrundgeschwindigkeitsmodell) zu jedem Einsatz im Seismogramm der Ort aller möglichen Diffraktoren, die diesen Einsatz verursacht haben könnten berechnet (Isochronenfläche). Anschließend wird diesen Orten der betrachtete Amplitudenwert zugeordnet. So wird mit allen Einsätzen im gesamten Seismogramm verfahren. An den Orten, an denen sich tatsächlich ein Diffraktor befindet, stapeln sich die Amplitutenwerte konstruktiv auf und geben dadurch ein unverzerrtes, lagerichtiges Abbild des Untergrundes wieder.