Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.V. Inhalt Hengst, G.F. (Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen mbH & Co. KG) und Bauer, F.W. (Antares Datensysteme GmbH): Messsondenentwicklung zum Monitoring der kontrollierten Bohrlochsolung bei der Salzgewinnung im Münsterland Klippel, O. und Fritschen, R. (DMT GmbH & Co. KG):

DGGKolloquium Entwicklung geophysikalischer Messgeräte

Die neue SUMMIT Familie – Das Messsystem für seismische und seismologische Datenakquisition Wunderlich, J. und Müller, S. (INNOMAR Technologie GmbH): Entwicklung und Anwendung der parametrischen Sedimentecholote „SES-2000“

Bochum, den 17. März 2010

Himmler, T. (Institut Dr. Foerster GmbH & Co. KG): Geomagnetische Vermessung mit Förstersonden (Fluxgates) Entwicklungsstufen und Anwendungsspektrum der FEREX® Vertikalgradiometer Polom, U. (Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik): Hochauflösende seismische Struktur- und Parametererkundung mittels Scherwellenvibratoren und Land Streamern – Messtechnische Entwicklungen und Fallbeispiele

MITTEILUNGEN

Sonderband II/2010 ISSN-Nr. 0947-1944 Herausgeber: Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.V.

IMPRESSUM Herausgeber:

Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e.V. Telegrafenberg, 14473 Potsdam

Redaktion:

Arbeitskreis „Angewandte Geophysik“ Prof. Dr. J. Fertig, Clausthal-Zellerfeld Dr. T. Litwinska-Kemperink, Oldenzaal Dr. A. Schuck, Leipzig (Sprecher) Dr. T. Wonik, Hannover Kontakt: Dr. A. Schuck GGL Geophysik und Geotechnik Leipzig GmbH Bautzner Str. 67, 04347 Leipzig Tel. 0341/2421-310, [email protected]

70. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft

Kolloquium 2010

DGG-Kolloquium Entwicklung geophysikalischer Messgeräte 70. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft Bochum, 17. März 2010

Inhalt Hengst, G.F. (Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen mbH & Co. KG, Ahaus) Bauer, F.W. (Antares Datensysteme GmbH, Stuhr) Messsondenentwicklung zum Monitoring der kontrollierten Bohrlochsolung bei der Salzgewinnung im Münsterland …….………..……………………………………. 5 Klippel, O. und Fritschen, R. (DMT GmbH & Co. KG, Essen): Die neue SUMMIT Familie – Das Messsystem für seismische und seismologische Datenakquisition ……………….……………………………………..…. 15 Wunderlich, J. und Müller, S. (INNOMAR Technologie GmbH, Rostock) Entwicklung und Anwendung der parametrischen Sedimentecholote „SES-2000“ ………………………………………………...……………………….……… 23 Himmler, T. (Institut Dr. Foerster GmbH & Co. KG, Reutlingen): Geomagnetische Vermessung mit Förstersonden (Fluxgates) Entwicklungsstufen und Anwendungsspektrum der FEREX® Vertikalgradiometer ….. 31 Polom, U. (Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, Hannover): Hochauflösende seismische Struktur- und Parametererkundung mittels Scherwellenvibratoren und Land Streamern – Messtechnische Entwicklungen und Fallbeispiele ………………………………………………………….. 47

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Kolloquium 2010

DGG-Kolloquien 1988 - 2010 1988 Köln

Feldtechniken in der Landseismik

1989 Stuttgart

Unterstützung der seismischen Interpretation durch Bohrlochmessungen

1990 Leoben

Umweltgeophysik

1991 Bochum

Integrierte Interpretation in der Angewandten Geophysik

1992 Leipzig

Ingenieurgeophysik

1993 Kiel

Ausgewählte Themen aus der Marinen Geophysik

1994 Münster

Nichtseismische Verfahren in der Angewandten Geophysik

1995 Hamburg

Geophysikalische Bohrlochmessverfahren

1996 Freiberg

Fernerkundung - Remote Sensing

1997 Potsdam

Kolloquium ersetzt durch den "Internationalen Tag"

1998 Göttingen

Angewandte Geothermie

1999 Braunschweig

Satellitengeophysik

2000 München

Magnetik

2001 Frankfurt

Interpretation reflexionsseismischer Messungen

2002 Hannover

Neue Aspekte der Explorations- und Produktionsgeophysik

2003 Jena

Interdisziplinärer Einsatz geophysikalischer Methoden

2004 Berlin

Aerogeophysik

2005 Graz

Geophysik zur Vorerkundung von Tunneln

2006 Bremen

Georadar

2007 Aachen

NMR

2008 Freiberg

Geophysikalisches Monitoring

2009 Kiel

Polare Geophysik

2010 Bochum

Entwicklung geophysikalischer Messgeräte

Die seit 2002 zum Kolloquium erschienenen Sonderbände der DGG-Mitteilungen können Sie noch beim Sprecher des Arbeitskreises „Angewandte Geophysik“ oder in der Geschäftsstelle der DGG nachbestellen. Kontakt: Dr. Andreas. Schuck GGL Geophysik und Geotechnik Leipzig GmbH Bautzner Str. 67, 04347 Leipzig Tel. 0341/2421-310, [email protected]

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Messsondenentwicklung zum Monitoring der kontrollierten Bohrlochsolung bei der Salzgewinnung im Münsterland Georg F. Hengst (Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen mbH & Co KG) Friedrich W. Bauer (Antares Datensysteme GmbH) Kurzfassung Bei der Salzgewinnung durch die kontrollierte Bohrlochsolung entstehen im Salzlager Kavernen. Zur Steuerung und Überprüfung des Solprozesses werden geophysikalische Messungen mit kabelgebundenen Sonden im Loggingverfahren durchgeführt. Bei den Messungen sind zwei Grundvoraussetzungen zu beachten: die Gewährleistung des gesetzlich geforderten sicheren untertägigen Betriebs sowie die Überprüfung der von der Bergbehörde vorgeschriebenen Kavernengrößen, der geometrischen Randbedingungen, der Salzfesten über den Kavernendächern und der Sicherheitsabstände zwischen den Kavernen. Im Folgenden werden die betrieblichen Anforderungen an die geophysikalischen Messungen und ihre messtechnischen Lösungen dargestellt.

Einleitung Moderne Messsysteme wie Puls Neutron- und orientiert arbeitende Ultraschallsonden ermöglichen eine diskrete und hoch auflösende Bestimmung von Übergängen und Punkten im Zentimeterbereich. Solch eine messtechnische Qualität unterstützt die exakte Handhabung der Steuerung und Überwachung der Prozesse bei der Anwendung der Solution mining Technologie. Bei der Exploration werden geophysikalische Messverfahren angewandt. Beim Logging kommen kabelgebundene Puls Neutron-, Druck-, Temperatur- und Ultraschallsonden zum Einsatz. Für die kontinuierliche Produktion einer wirtschaftlichen Solegewinnung ist es von Bedeutung, dass schnell, genau und zuverlässig eindeutig bewertbare Messergebnisse zur Verfügung stehen. Seit Beginn der Salzgewinnung in Epe ist es für die Salzgewinnungsgesellschaft Westfalen (SGW) wichtig, eigene Sonden einzusetzen und an der Entwicklung neuer geophysikalischer Messgeräte teilzuhaben. Im letzten Jahrzehnt entstand eine Zusammenarbeit mit Antares Datensysteme GmbH in Bremen für die Entwicklung innovativer und wirtschaftlich einsetzbarer Sonden.

Geologischer Rahmen und geometrische Randbedingungen der Solung in Epe Im westlichen Münsterland wird seit mehr als 30 Jahren durch die SGW Salz für die industrielle Nutzung gewonnen. Die Solung der Kavernen ist im Zechstein 1 (Werrasalinar) angelegt. In den Teufen zwischen 900 und 1500 Metern schwankt die Mächtigkeit zwischen 200 und 400 Metern. Im Salz sind nur geringe Bestandteile an Unlöslichem vorhanden, im Wesentlichen Anhydrit. Im Deckgebirge stehen nach einer 20 Meter mächtigen Anhydritschicht die jüngeren Zechsteinzyklen, Buntsandstein und Unterkreide an, die durch das Quartär abgedeckt werden. Im Liegenden folgt nach einer ungefähr 100 Meter mächtigen Anhydritschicht das Karbon. Häufig wurden beim Abteufen der Gewinnungsbohrungen Bohrkerne im gesamten Steinsalzbereich gezogen und ausgewertet. Der Entwurf von untertägigen Hohlräumen, speziell die Planung von Kavernen im Salzgebirge, setzt umfangreiche Kenntnisse der geologischen Rahmenbedingungen und der Lithologie voraus.

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Die Formgebung der Kavernen berücksichtigt aufgrund der geologischen und technischen Parameter zwei Hauptgesichtspunkte: die Standsicherheit der Kavernen sowie die Wirtschaftlichkeit des Solprozesses. Die gebirgsmechanischen Bewertungen, die der bergbehördlichen Zulassung eines Aussolbetriebsplanes zur Herstellung der Kavernen zugrunde liegen, befassen sich mit der Gewährleistung der Standsicherheit und der Dichtheit der unterirdischen Hohlräume. Sie beinhalten die Festlegung der Mindestabmessungen der Schweben- und Pfeilerstärken und der Kavernendurchmesser und -höhen. Die Kavernen, die später der Erdgasspeicherung zur Verfügung stehen, haben ein Volumen zwischen 280.000 und 700.000 Kubikmetern bei Kavernendurchmessern zwischen 60 und 80 Metern. Die einzuhaltenden Salzschweben oberhalb des Kavernendaches haben eine Stärke zwischen 80 und 120 Metern. Im Kavernenfeld ist ein Pfeiler einzuhalten, der in etwa dem Dreifachen des Kavernendurchmessers entspricht.

Abb. 1 Blick ins Kavernenfeld Epe

Kontrollierte Bohrlochsolung Für die Salzgewinnung wird in einer geeigneten Salzformation eine Bohrung abgeteuft und bis kurz oberhalb des geplanten Kavernendaches verrohrt. Zu Beginn des Solprozesses werden konzentrisch ineinander hängende Förderrohre eingebaut. Durch die Förderrohre wird bei diesem Verfahren Wasser injiziert, wodurch sich bei ausreichender Verweildauer saturierte Salzsole bildet. Während der Produktion wird durch unterschiedliche Absetzteufen der Förderrohre der Kavernenhohlraum gesolt. Durch ständige Überprüfung der Salzkonzentration, der Drücke von Blanket, Wasser und Sole sowie der Durchflussmenge wird der Prozess kontrolliert. Das komplexe Verfahren erfordert eine genaue Simulation der Hohlraumentwicklung in Abhängigkeit von Lösungsgeschwindigkeiten, Positionen der Förderrohre und der Blanketspiegelteufe in der Kaverne. Die Regulierung der vertikalen und horizontalen Solung durch die Festlegung und Überwachung dieses Blanketspiegels ist formgebend für die Kavernenausbildung. Mit Hilfe von präzisem Absetzen der Rohrschuh- und Blanketspiegelteufen kann der Solprozess gesteuert und mit wiederholten Ultraschallmessungen optimal verfolgt werden. Die gemessene Kavernenform ist Grundlage eines sogenannten History-Matches. Für das Solsimulationsprogramm werden die Eingabedaten dahingehend überprüft und modifiziert, dass -6-

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sie den angetroffenen Gesteinsparametern entsprechen. Liegt eine wesentliche Abweichung vor, so beruht diese auf einer Änderung der chemisch-physikalischen Salzeigenschaften oder ist ein Hinweis auf eingelagerte Anhydritlinsen im Solbereich.

Geophysikalische Messungen bei der kontrollierten Bohrlochsolung Die kontrollierte Bohrlochsolung hat Auflagen von Bergverordnungen und Betriebsplänen bei der Herstellung von Kavernen zu berücksichtigen. Zum einen sind die zwei beweglichen Förderrohrstränge, die Lage der Grenzfläche zwischen Schutzmedium und Sole und zum anderen die Lage, die Ausdehnung und das Volumen der Kavernen in Fristen mit einem anerkannten Messverfahren zu überprüfen. Bei der Entwicklung von neuen Sondensystemen zur sicheren Steuerung und Überwachung des Solprozesses standen wirtschaftliche und technologische Aspekte im Vordergrund. Die Messungen sollten mit handlichen Sonden ohne aufwändige Mobilisation von Kran und schweren Messwagen an einem Arbeitstag von zwei Mitarbeiten kurzfristig durchgeführt werden können. Der intensive Arbeitsschutz für den Umgang mit radioaktiven Stoffen sollte entfallen. Technologisch sollten die modularen Sonden mit einem Telemetriesystem die digitalen Rohdaten über ein Kabel übertragen. Dies ermöglicht, dass vieradrige Kabel mit reduzierten Kabeldurchmessern auf kleinere Winden gespult und somit Transporter als Messwagen eingesetzt werden können. Heutzutage sind digitale Sonden und digitale Telemetrie für die Datenübertragung ein hoch komplexes Gebilde, das mit Energie versorgt werden will. Die Telemetrie stellt erhebliche Ansprüche an die Signalverarbeitung, die eine wesentlich höhere Auflösung und Größe als ihre analoge Verwandtschaft vorweisen muss. In der Zusammenarbeit zwischen Entwickler Antares und Anwender SGW entstanden zukunftssichere Logginginstrumente für die wirtschaftliche Lösung des anspruchsvollen Explorationsmonitorings.

Eingesetzte geophysikalische Messsonden Traditionell wurde eine relative Dichtemessung ( - Density) zur Spiegel- und Muffenbestimmung eingesetzt. Auf die mit Gleichspannung versorgte Sonde wurden die Zählraten der Dichtesonde als Pulse mit positiver oder negativer Polarität aufmoduliert. In der Übertageapparatur wurden die Signale aufgezeichnet. Die - Dichtemessung wird mit Hilfe einer radioaktiven Gammaquelle, üblicherweise 60Co, durchgeführt. Die von der Cobalt-Quelle emittierte radioaktive Strahlung wird mit einem Detektor gezählt. Als Detektor wird ein Szintillationskristall aus Natriumiodid verwendet; hierbei wird die Strahlung der Quelle durch die Dichte des die Sonde umgebenden Materials abgeschwächt. Die Dichtemessung war eine unkalibrierte qualitative Messung. Durch den großen Dichteunterschied der zu erfassenden Medien Sole und Öl war eine Bestimmung des Öl-Sole-Spiegels trotzdem möglich. Der Nachteil des Verfahrens ist jedoch, dass keine Spiegelerkennung möglich ist, wenn der Spiegel hinter einer Rohrmuffe liegt. Die Dichteänderung durch die Rohrmuffe ist so groß, dass der Effekt durch den Übergang von Sole in Öl überlagert wird und damit nicht mehr erkennbar ist. Wenn sich der Spiegel im unverrohrten Bohrloch befindet, wird das Gebirge im Messvolumen der Sonde mit erfasst. Schichtgrenzen und Dichteänderungen der geologischen Formation erschweren eine eindeutige Spiegelbestimmung.

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Omnidirektional arbeitende Echosonde „Fishfinder“ Die Anfänge der Echosondenentwicklung reichen bis in die 70er Jahre zurück. Damals wurde ein Echo Sounder aus der Hydrographie in ein Druckgehäuse integriert und als Sonde zur Überwachung der Hohlraumentwicklung eingesetzt. Die in den 30 KHz-Bereichen analog arbeitende Sonde registrierte mit einem übertage verbundenen mechanischen Rekorder die empfangenen Echos. An den Tiefenmarken konnten mit einem Lineal die min- und max-Radien der Hohlraumfläche ermittelt werden. Die Resultate dienten der Entwicklung einer Kavernenkontur und des Volumens. Die erreichte Genauigkeit der Echogramme ermöglichte einen guten Überblick über die räumliche Entwicklung der Kaverne.

Erste Generation der direktional arbeitenden Echosonde Anfang der 80er Jahre wurde in Zusammenarbeit mit Edo Western Corporation erstmalig eine orientiert messende Sonde entwickelt. Das neue Merkmal der Sonde war ein rotierender und kippender Echowandlerkopf, der über Schrittmotoren gesteuert wurde. Für die Messung der Laufzeitgeschwindigkeiten wurde schon ein Schallgeschwindigkeitsmesser integriert. Die digital gemessenen Echosignale wurden analog nach Übertage übertragen. Die gemessenen Echos konnten im PC ausgewertet und grafisch dargestellt werden. Die Echosonde lieferte beim Logging über 20 Jahre lang gute Resultate für die Überwachung der Kavernensolung.

Neue Generation von digitalen Messsonden für die Bohrlochsolung Heutzutage werden moderne digitale Messinstrumente eingesetzt, die eine Vielzahl von Sensoren auf sich vereinigen. Damit werden eindeutige Interpretationen gewährleistet. Die existierende Sensorik wurde durch die Verwendung von Quarz-Drucksensoren mit sehr hoher Genauigkeit und Auflösung weiterentwickelt, um eine verbesserte Datengenauigkeit zu erzielen. Dies war notwendig, um eine höhere Informationsdichte für den Einsatz der DSCL-Sonde zur Erkennung der Muffen von konzentrisch eingebauten Rohren zu erreichen. Bei der modernen Sondentechnologie mit leistungsstarkem Datenmanagement werden Rohdaten digital mittels Telemetrie über das Messkabel an das Datenakquisitionssystem übertragen, welches alle Rohdaten in einer Datenbank speichert. Die Interpretation der Objektinformationen ist unabhängig von der Aufnahmeart und wird somit absolut identisch verwaltet. Des Weiteren können Daten beliebig zwischen Sonden und der Steuereinheit Übertage ausgetauscht werden. Diese Eigenschaft verbessert die Verwaltung der Beobachtungen im Auswerteprogramm und gleichzeitig die Messung. Die Übertragung geschieht bei einem Vieraderkabel in zwei Kanälen mit einer Datenrate von je 100 kbit/s. Die folgende Grafik zeigt die gesamte Einheit mit Akquisitionssystem, Kabelwinde und Messsonde.

Abb. 2 Schema Echomessung

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Teufenmessung Im Solprozess stellt die genaue Teufenmessung eine hohe Anforderung an den Betrieb und den Loggingeinsatz. Die Tiefe der Förderrohre und des Blanketspiegels haben einen direkten Einfluss auf den Solbereich, in dem das Salz gelöst wird und infolgedessen der Hohlraum entsteht. Bei fehlerhafter Teufenmessung können die zu berücksichtigenden geometrischen Randbedingungen überschritten werden, die zur Beendigung der Solung führen. Die kabelgebundenen Bohrlochsonden werden mit einer elektrisch betriebenen Winde im Bohrloch bewegt. Das Kabel übernimmt neben der Signalübertragung auch die Aufgaben des Sondentransportes und der Teufenmessung. Die Teufenmessung wird durch einen Encoder am Kabelwagen der Winde erreicht. Der Encoder arbeitet mit zwei Phasen für die Drehrichtungserkennung und gibt pro Umdrehung 400 Pulse an das Messsystem. Das Messrad, an dem der Encoder angebracht ist, hat einen Umfang von 500 mm. Daraus ergibt sich für die Teufenmessung eine Auflösung von 1,25 mm. Eine gute Absolutwertgenauigkeit wird durch eine rutschfreie Kabelführung erzielt. Eingesetzt werden nur Kabel mit einer hohen Bruchlastfestigkeit, die es bei einer Havarie ermöglichen, ungeachtet des Festsitzens der Sonden in den Förderrohren Zugversuche zur Bergung durchzuführen. Zusätzlich treten in abgelenkten Bohrungen beim Kabelaufspulen hohe Reibungen auf und es auch an der Winde wirken einseitig hohe Biegemomente. Die Bestimmung der wahren Länge mit einer an der Winde gemessenen Kabellänge ist komplex. Mit der Zeit treten Kabellängungen beim Einsatz ein, beeinflusst durch veränderliche Zugbelastungen und Temperaturdehnungen. Zur Korrelation der Teufenmessung von den am Solprozess Beteiligten werden Bezugsmarken in der Bohrung bestimmt. Üblicherweise sind es die Rohrschuhe der letzten zementierten Schutzrohre.

Puls-Neutron Blanketmessung (PN) Als Verbesserung gegenüber der - Dichtesonde wird heute die Blanketkontrollmessung mit einer Puls-Neutronsonde durchgeführt. Elementare Vorteile der PN-Sonde gegenüber der y-y Dichtesonde sind, dass die Rohrmuffen durch einen Collar Locator registriert werden und dass beim Handling (Lagerung, Transport, Einsetzen der Sonde ins Bohrloch) keine radioaktive Strahlung auftritt, solange die Sonde nicht in Betrieb ist. Infolgedessen ist die Gefährdung des Bedienungspersonals ausgeschlossen. Der verwendete elektrisch gepulste Neutronengenerator erzeugt nur Neutronen, wenn die Röhre mit Hochspannung versorgt wird. Beim Betrieb in der Kaverne werden hochenergetische Neutronen mit einer Energie von 14,1 MeV erzeugt. Durch die Kollision und das Einfangen der Neutronen mit Atomkernen im Bohrloch verlieren die Neutronen kontinuierlich Energie. Die Erzeugung von Gammastrahlen ist die Folge. Diese Gammastrahlung wird mit einem Szintillationsdetektor gemessen. Die Abklingprozesse finden im Mikrosekundenbereich nach dem Aussenden eines Neutronenimpulses statt. Die induzierten Gammastrahlen klingen im Salzwasser erheblich schneller ab als im Öl, was eine gute Unterscheidung im Log ermöglicht. Die folgende Grafik zeigt die Abklingkurven in Sole (steiler Abfall) und in Öl (flacher Abfall).

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Abb. 6 Abklingen der Neutronen in Sole

Die Grenzfläche Sole/Öl ist eindeutig bei 1290 m zu erkennen. Weiterhin sieht man, dass die Messung nicht durch die Rohrmuffen beeinflusst wird und somit auch eine eindeutige Blanketbestimmung möglich wäre, wenn der Blanket sich in der Tiefe einer Muffe befinden würde. Die technische Komplexität der Puls-Neutron-Sondenentwicklung ergibt sich aus der räumlichen Enge und der Beherrschung der Hochspannung (bis zu 100 kV), die zur Versorgung des Neutronengenerators notwendig ist. Die Sonde hat einen Außendurchmesser von nur 43 mm. Ihre Daten werden ebenfalls mit Hilfe einer Kabeltelemetrie digital an das Akquisitionssystem im Messwagen in Echtzeit übertragen.

Omnidirektional-Sonar-Sonde In der ersten Zusammenarbeit zwischen den Partnern wurde eine Omnidirektional-Sonar-Sonde entwickelt. Sie sendet ein Ultraschallsignal mit einem zylindrischen Keramiksender aus, welches von der Kavernenwand reflektiert wird. Nach dem Senden des Signals schaltet die Sonde in den Empfangsmodus um. Das reflektierte Echosignal wird über einen vordefinierten Zeitraum, abhängig von den erwarteten Reichweiten in der Kaverne, gespeichert. Eine Spur wird aufgezeichnet, die alle Echos über den gesamten Umfang enthält. Bei der Auswertung werden nur unorientierte Strecken in einer Messebene bestimmt. Die Sonde, die mit einer Messfrequenz von 20 kHz arbeitet, empfängt auch Echosignale, die durch zwei Rohrwandungen emittiert werden. Mit der Messauswertung werden die Maß-Volumen-Balance des Solprozesses durch die Entwicklung der Kavernenkontur sowie das Volumen verglichen. Die zurückliegende Solsimulation lässt sich überschlägig gut überprüfen.

Directional Sonar Caliper (DSC) Zur Lösung der komplexen Aufgabenstellung, ein affines Bild von untertägigen Hohlräumen, deren Lage, Fläche und Volumen aufzunehmen, wurde eine Directional Sonar Caliper Sonde entwickelt. Erst die Steuerung der Drehung und Kippung des Echowandlerkopfes der Messsonde durch Schrittmotoren ermöglicht die richtungsorientierte räumliche Aufnahme von Kavernen. Bei Messungen durch zwei Rohrwandungen werden schnell und effizient gute Resultate erzielt. Die Messwerte werden simultan in einem Arbeitsschritt registriert und verkürzen erheblich die Messzeiten. Im Hinblick auf die Vielzahl von integrierten Sensoren war es unerlässlich, mit einem - 10 -

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modernen Buskonzept zu arbeiten. Die Anforderungen der SGW an die physischen Maße (Durchmesser 72 mm, Länge 3,75 m, Gewicht 50 kg) haben die Entwicklung sehr komplex gestaltet. Es war eine intensive Herausforderung für die Ingenieure, das beeinflussungsfreie Zusammenspiel einer Vielzahl von Komponenten mit gegensätzlichen Eigenschaften auf engstem Raum zu konzipieren. Die bei der Sektionierung der Sonde zu berücksichtigenden Kausalitäten ergaben, dass Motoren mit Streufeldern in der Nähe vom Magnetkompass platziert werden mussten. Ebenso war ein Übersprechen von hohen Sendeströmen des piezokeramischen Echowandlers und von Motoren zu nahe gelegenen Datenleitungen zum Zwecke der Übertragung kleinster Spannungen zu verhindern.

Abb. 3 Sondenkopf mit Echoschallwandlern Für die Registrierung von Rundsichtechogrammen wurden zwei Wahlmodi konzipiert: das Messen mit gerichteten Einzelschüssen oder in automatisierten 360°-Scans. In beiden Fällen ist eine absolute Richtungsstabilität unerlässlich. Hängt die kabelgebundene Messsonde im unverrohrten Teil der Kaverne, dreht sie sich um die eigene Achse, evoziert durch den Kabeldrall und die Corioliskraft. Diese Beeinflussungen verändern bei der Schallaussendung und dem – empfang die Sondenlage, was den Empfang eines Echos verhindert. Zur Lagestabilisierung wurde eine Regelung entwickelt, die den Echowandler im unteren Drehteil der Sonde auf eine Richtung fixiert. Die magnetische Orientierung wird in der oberen Sektion der Sonde gemessen und die Richtung des Echowandlers über eine permanente Ansteuerung des Drehmotors stabilisiert, bis der Empfang des gesamten Echosignals abgeschlossen ist. Die Sonde enthält folgende Sensorik: • Dual String Collar Locator zur Muffenerkennung mehrerer Rohre, • Magnetkompass zur Richtungsmessung im unverrohrten Teil der Kaverne, • Faseroptischen Kreisel zur Richtungsmessung im verrohrten Teil der Kaverne, • Inklinometer zur Neigungsmessung, • Schallgeschwindigkeitsmesser zur Messung der Schallgeschwindigkeit der Sole, • Quarz-Drucksensor, • Bohrlochtemperatursensor und • Zwei Ultraschallechowandler (90°versetzt ausgerichtet) zur Entfernungsmessung.

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Abb. 4 Blockdiagramm DSC Sonde Die Zwei-Wege-Messung, sprich die Signallaufzeit vom Wandler zum Reflektor und zurück, bildet die Grundlage der Distanzmessung. Die Beeinflussung der Signallaufzeit durch Variation der Mediumsdichte wird durch das integrierte Geschwindigkeitsmodul beobachtet. Der eingesetzte Geschwindigkeitsmesser ist kalibrierfähig und arbeitet mit einer Genauigkeit von ± 2 m/s. Echomessung

Sole

Öl

Rohrfreier Hohlraum

1 m - 200 m

1 m - 60 m

Durch ein Rohr

1 m - 100 m

1 m - 40 m

Durch zwei Rohre

1 m - 60 m

Genauigkeit

± 1,82 cm

+ 0,09 % der Strecke

Tab. 1 Messbereiche für den Einsatz in Sole und Öl Zur Orientierung der Echosignale kann für die unterschiedlichen Messumgebungen der Azimut durch zwei integrierte Systeme bestimmt werden. Im offenen Kavernenhohlraum außerhalb der Förderrohre wird zur vektoriellen Bestimmung des ungestörten Magnetfeldes ein RingkernFluxgate-Magnetometer eingesetzt. Durch die hohen Anregungsfrequenzen bis zu 10 kHz sind schnelle Magnetfeldveränderungen zu messen. Im verrohrten Kavernenbereich schirmen die stählernen Förderrohre das Magnetfeld ab und überlagern es durch ein eigenes Feld. Diese Beeinflussung wird durch eine Azimutstabilisierung mittels eines faseroptischen Kreisels eliminiert. Die durch die Erddrehung verursachte Drift des Kreisels ist bei dem eingesetzten LITEF Fiberoptic Gyro mit 0,392° / Stunde äußerst gering und erhöht eindeutig die Genauigkeit der Messungen.

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1 Casing 2 Bohrprofil 3 Plankaverne 4 Förderrohre 5 CCL 6 Blanketspiegel 7 Echomessung

Abb. 5 Messbeispiel einer Puls-Neutron Blanketmessung

Zusammenfassung und Ausblick Die Suche nach optimalen Lösungen bei der Entwicklung von alltagstauglichen Messsonden setzt die Einbeziehung des anwendungspraktischen Erfahrungspotenzials bei der Planung und Projektvorbereitung voraus. Hohe Anforderungen an die fachliche Qualifikation der Mitarbeiter fördern Qualität und Effizienz bei der Herstellung innovativer Sonden. Mit der größtmöglichen Verwendung von Standards aus dem Bohrlochlogging werden Synergien freigesetzt, die wirtschaftlich von Vorteil sind. Aus dem zielorientierten Handeln entsteht eine allseitige Gewinnsituation und mit einer lohnenden Zukunftsinvestition. Dank ihrer bewährten Technologie, der erreichten Genauigkeit und Qualität der robusten Hardware sind die eingesetzten Instrumente ein Standard für die Aufgaben der Solution Mining. Durch die Integration eines präzisen Schallgeschwindigkeitsmessers und automatischer Abläufe hat sich die DSC-Sonde als Messgerät für die großmaßstäblichen Aufgaben im Bereich der Kavernenvermessung etabliert. Ihre Flexibilität in Verbindung mit einer Auswahl von SoftwareLösungen verleihen ihr eine große Perspektive bei der Überprüfung der geometrischen Randbedingungen der Kavernen und ihrer topologischen Beziehungen in der Lagerstätte.

Abb. 6 Kavernen im Salzlager (Darstellung von Seismik, Bohrloch- und Kavernenlogging)

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Die Messmethoden eröffnen die räumliche Erfassung und Dokumentation in einem geografischen Informationsystem. Die umfangreichen Daten- und Messwertsammlungen dokumentierten Untertagesituation und den durch weitere Daten umfassend repräsentierten topographischen Übertageverhältnissen sowie ihre Zusammenschau und ermöglichen vielfältige räumliche Analysen.

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Die neue SUMMIT Familie Das Messsystem für seismische und seismologische Datenakquisition Olaf Klippel & Ralf Fritschen, DMT GmbH & Co. KG 1

Einleitung

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es eigene Entwicklungsbereiche, die elektrische Geräte nur für den speziellen Einsatz im Steinkohlenbergbau konzipierten und herstellten. Dies lag vor allem daran, dass bereits in diesen frühen Jahren besondere sicherheitstechnische Anforderungen an den Schlagwetterschutz unter Tage gestellt wurden. Ein Messgerät durfte nicht in der Lage sein, elektrische Funken zu erzeugen, die ein Gemisch aus Grubengas und Sauerstoff zünden können. Diese Entwicklungen wurden in den Anfängen von den Bergbauforschungsgesellschaften durchgeführt, welche sich 1990 zur Deutschen Montan Technologie (DMT) zusammenschlossen. Wurde die Messtechnik zu Beginn häufig noch primär für den Eigenbedarf entwickelt, so wurde sie später verstärkt auch auf andere Anwendungen übertragen und nach außen vermarktet. Auch die SUMMIT, eine seismische und seismologische Messapparatur der DMT, hatte ihren Ursprung im Steinkohlenbergbau. Für den Einsatz unter Tage musste hier eine Messapparatur gefunden werden, die nicht nur flexibel und schlagwettergeschützt sein sollte, sondern die auch für eine hochauflösende Erkundung der Steinkohlenflöze einsetzbar sein musste. Dies stellte besondere Anforderungen an Konstruktion und Digitalisierung, die keines der damals auf dem Markt verfügbaren Geräte erfüllte. Die Idee zur Entwicklung der SUMMIT war geboren.

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Die neue SUMMIT-Familie

Viele denken, wenn sie die Namen SUMMIT und DMT hören, an viele kleine gelbe Boxen – die SUMMIT Remote Units – welche über ein dünnes zweiadriges Kabel miteinander verbunden sind. Tatsächlich ist dieses leichte Signalkabel und insbesondere die flexible Ankopplung der SUMMIT Units an jeder beliebigen Stelle (SNAP-ON) auch lange das Markenzeichnen der SUMMIT gewesen und es ist es auch immer noch für einen Teil der SUMMIT Familie. Die SUMMIT Familie ist in den letzten Jahren gewachsen und wächst stetig weiter. Die SUMMIT deckt mittlerweile nahezu alle Einsatzbereiche für seismische Messsysteme (Exploration und Monitoring) ab (Abbildung 1).

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Abbildung 1: Das Anwendungsspektrum der SUMMIT-Familie: 2D/3D Reflexionsseismik, Refraktionsseismik, Bohrlochmessungen, Messungen von Untertage, marine Seismik, Immissionsschutzmessungen in Gebäuden, Vibrationsmessungen an technischen Anlagen und mikroseismische Überwachung.

2.1

Entwicklungsgeschichte der SUMMIT

Die Entwicklungsgeschichte der SUMMIT reicht zurück bis in die 1980er Jahre und begann mit den beiden Vorgängerapparaturen SEAMEX 80 und SEAMEX 85. Beide Systeme waren für den Untertageeinsatz im Steinkohlebergbau konzipiert. Die SEAMEX 85, spezialisiert für Flözwellenmessungen, nutzte dabei schon einen Vorläufer der jetzigen SUMMIT Signalübertragungstechnik und bestand ebenfalls aus 2-Kanalboxen, die über eine serielle Datenleitung mit der Messzentrale verbunden sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: SUMMIT Vorläufer SEAMEX

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Die erste SUMMIT – damals noch als 1-Kanal-Box – wurde 1992 verkauft. Im Gegensatz zur SEAMEX war die SUMMIT für Übertagemessungen gedacht, weshalb zunächst auch wieder 1-Kanal-Boxen verwendet wurden (eine Remote-Unit pro Geophon). Unmittelbar nach Fertigstellung der ersten SUMMIT Remote Units wurde auch die COMPACT als 24-Kanal Seismograph für Bohrloch- und Refraktionsmessungen entwickelt. 1995 folgte dann die nächste SUMMIT Generation mit 24 Bit Delta-Sigma AD-Wandlern, diesmal wieder als 2-Kanal Box und zunächst für den Einsatz unter Ex-Schutzbedingungen Untertage. Für Untertagemessungen, speziell für Flözwellenmessungen, sind zwei Kanäle pro Registriereinheit die optimale Lösung, da für eine verlässliche Auswertung auch eine Zweikomponentenregistrierung der Flözwellen erforderlich ist und so eine SUMMIT Unit pro Geophonpunkt verwendet werden kann. Auf der gleichen Grundlage wurde dann auch die SUMMIT 2 in 1 für Oberflächenmessungen produziert, dazu gehörte selbstverständlich auch eine neue 24-Kanalvariante. Der Name SUMMIT Compact wurde beibehalten. Die nunmehr dritte SUMMIT Generation wurde 2005 mit der SUMMIT II Plus und der SUMMIT II Compact eingeführt. Der Unterschied zu den Vorgängermodellen besteht im Wesentlichen in der kleineren Bauform, der nun nicht mehr im Gerät integrierten und damit austauschbaren Batterien sowie einer durch intelligente Repeater verbesserten Signalübertragung. Bis zu diesen Zeitpunkt war die SUMMIT zunächst auf reine Explorationsaufgaben beschränkt. Seismische Monitoringsysteme wurden – wie bei den meisten Geräteherstellern zu dieser Zeit – auch bei DMT nicht als zur selben Produktfamilie dazugehörig betrachtet und als eigenständige Messsysteme (z.B. MASI, MoSDaS, siehe Abbildung 3) entwickelt. Die SUMMIT II COMPACT war es dann auch, die um Funktionen zur kontinuierlichen, ungetriggerten Datenaufzeichnung erweitert, den Grundstein für eine Reihe von neuen Anwendungsmöglichkeiten wie hochfrequente marine Seismikmessungen und die ersten SUMMIT Monitoringsysteme legte.

Abbildung 3: Monitoringsystem MoSDaS – ein entfernter Verwandter und Vorgänger der heutigen SUMMIT Monitoring Systeme, der noch heute weltweit im Einsatz ist

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70. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft

2.2

Kolloquium 2010

Die Explorationsseismographen der Familie: SUMMIT II Plus, SUMMIT II Compact und SUMMIT II EX

Die SUMMIT II Plus, Compact und EX (Abbildung 4) sind die Arbeitspferde der Familie, wenn es um seismische Exploration geht. Die Technologie für Digitalisierung und Telemetrie ist bei allen drei Geräten weitestgehend identisch, was dazu führt, dass die Systeme für eine Messung auch beliebig miteinander kombiniert werden können. Eine Ausnahmestellung hat hier die SUMMIT II EX im unter Tage Einsatz, da diese dort aus zulassungstechnischen Gründen als eigenständiges System betrieben werden muss. Die wichtigsten technischen Daten sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: technische Daten SUMMIT II Plus, SUMMIT II EX und SUMMIT II Compact

Anzahl Kanäle Messbereich: Eingangsimpedanz: Aufzeichnungslänge: Maximale Abtastrate Frequenzbereich Dynamikbereich

2 (II Plus und II EX) / 24 (II Compact) ± 2,8 V 20 k 120 KSample / kontinuierlich bei USB-COMPACT 48 kHz 1 Hz – 24 kHz >120 dB

Abbildung 4: Die drei Explorationsseismographen der SUMMIT-Familie: die SUMMIT II Compact, die SUMMIT II EX und die SUMMIT II Plus

Die SUMMIT II Plus ist in erster Linie für hochauflösende 2D und 3D reflexionsseismische Untersuchungen konzipiert und zeichnet sich dabei durch eine extrem flexible Gestaltung der Messauslage im Feld aus. Die einzelnen SUMMIT Remote Units können an jeder beliebigen Stelle in das SUMMIT Line-Kabel eingeklinkt werden. Dieses Prinzip wurde von den Grubentelefonen unter Tage abgeschaut – auch hier kann der Bergmann sein Telefon an einer beliebigen Stelle direkt in das Kabel einklinken. Die einzelnen Line-Segmente (330 m Länge maximal) werden durch Repeater miteinander verbunden. Auf diese Weise lassen sich mit der gleichen Registriertechnik unterschiedlichste Messgeometrien im Feld realisieren – beginnend mit einem Geophonpunktabstand von wenigen Metern bis hin zu großen Reflexsionsmessungen mit Geophongruppenabständen von z.B. 25 m. Die Anzahl der zusammengeschlossenen SUMMIT Units und damit die Anzahl der aktiven Kanäle ist dabei theoretisch unbegrenzt. Die praktische Obergrenze ergibt sich allerdings aus der Datenübertragungsgeschwindigkeit auf dem SUMMIT Line-Kabel und der Menge der zu - 18 -

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übertragenden Messdaten (abhängig von Abtastrate und Aufzeichnungslänge). Um diesen „Flaschenhals“ in der Wirkung zu reduzieren, kann die Messauslage in mehrere Segmente unterteilt werden, die dann an ein jeweils eigenes SUMMIT USB Line-Interface angeschlossen und parallel zu einander ausgelesen werden (Multi-USB Aufbau). Die Auslesezeit ist dabei durch das langsamste Segment bestimmt. Insbesondere bei 3DMessungen ist es deshalb sinnvoll, die Messzentrale im Zentrum der Messauslage zu stationieren, was die Unterteilung in viele Teilsegmente ermöglicht und damit die Auslesezeit bei gleicher Anzahl aktiver Kanäle drastisch verkürzt. Dies ist eine wesentliche Neuerung der SUMMIT II Plus im Vergleich zum Vorgängersystem. Eine weitere Neuerung ist die Möglichkeit, die SUMMIT Units eines ganzen Line-Segmentes mit einer zentralen Batterie zu versorgen anstatt jeder SUMMIT Unit eine eigene Batterie beizustellen. Dazu wird das zweiadrige SUMMIT Line-Kabel durch ein vieradriges Powerline-Kabel ersetzt. Falls diese optionale Verkabelungsvariante zur Messung verwendet wird, geht die Flexibilität des Einklinkens an jeder beliebigen Stelle im Line-Kabel jedoch verloren, da die Powerline-Kabel zwei benachbarte Boxen über feste Steckverbinder verbinden. Beide Varianten können daher parallel betrieben werden.

Abbildung 5:

Die SUMMIT II Plus bei einer 2D Vibroseismik-Messung

Die SUMMIT II EX ist im Wesentlichen identisch zur SUMMIT II Plus, besitzt jedoch wieder, wie schon die SUMMIT 2 in 1, interne Batterien und ist nach ATEX-Richtlinie für den untertägigen Einsatz im Steinkohlenbergbau zugelassen. Die SUMMIT II Compact zielt in erster Linie auf oberflächennahe Anwendungen und Bohrlochmessungen im Ingenieurbereich. Die COMPACT gibt es in zwei Versionen: mit SUMMIT Line-Interface und mit USB-Interface. COMPACTs mit Line-Interface lassen sich über das SUMMIT Line-Kabel genau so miteinander verbinden, wie dies auch mit der SUMMIT II Plus der Fall ist. Über das Line-Kabel können beliebig viele COMPACTs und auch SUMMIT II Plus Units mit einander kombiniert werden – z.B. bei Tomographiemessungen zwischen Bohrungen mit zusätzlichen Oberflächensensoren. Bei vielen Messungen wird jedoch nur eine einzige COMPACT verwendet. In diesen Fällen ist es eher unzweckmäßig die Kommunikation von der COMPACT erst über ein LineKabel und danach über ein USB Line-Interface zum PC zu führen anstatt direkt von der

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COMPACT zum PC. Für eben diese Anwendungen wurde die COMPACT mit integriertem USB-Interface entwickelt. Die USB-COMPACT ist darüber hinaus mit dem SUMMIT Streaming-Tool auch in der Lage, kontinuierlich Daten aufzuzeichnen und so einfache Monitoring-Messungen durchzuführen. Eine ideale Anwendung für die SUMMIT II Compact mit integriertem USB-Interface ist z.B. die Kombination von aktiver und passiver MASW.

2.3

Die SUMMIT M Hydra

Die SUMMIT M Hydra ist ein variabel ausbaubares mehrkanaliges Monitoringsystem (maximal 24 Kanäle), das im Wesentlichen auf der bewehrten Technologie der SUMMIT II Compact aufbaut. Ein zusätzlicher integrierter Mikroprozessor übernimmt dabei das Datenmanagement, die Datenspeicherung erfolgt auf wechselbaren CF-Karten. Durch ein integriertes GPS-Modul wird eine zeitsynchrone Datenerfassung sichergestellt. Je nach Messaufgabe kann die Datenaufzeichnung wahlweise kontinuierlich oder getriggert erfolgen. Als Triggerkriterien können kanalindividuelle Amplitudenschwellwerte wie auch STA/LTA Verhältniswerte oder eine Kombination aus beiden eingestellt werden. Die Triggerinformationen der einzelnen Kanäle lassen sich nahezu beliebig gruppieren und mit einander logisch verknüpfen – auch geräteübergreifend. Auf diesem Weg ist es auf vergleichsweise einfache Art möglich, einen auf die lokalen Messbedingungen zugeschnittenen Event-Detektor zu generieren. Insbesondere bei Monitoringaufgaben, die eine hohe Abtastrate erfordern, kann eine intelligente Ausgestaltung der komplexen Triggerlogik die Menge der anfallenden Daten auf das Wesentliche begrenzen und damit die nachgeschalteten Telemetriesysteme und ggf. Datenbanken entlasten. Darüber hinaus verfügt die HYDRA über digitale Ein- / Ausgänge, die z.B. für externe Alarmgeber bei Überschreitung einstellbarer Amplitudenschwellwerte (unabhängig von den Triggerschwellwerten) verwendet werden können bzw. für eine aktive externe Triggerung des Messsystems. Die Einsatzgebiete der HYDRA sind überall dort, wo in enger räumlicher Begrenzung eine Vielzahl von seismischen Kanälen gleichzeitig erfasst und bewertet werden müssen, z.B. bei Vibrationsmessungen in Gebäuden, bei Brücken, in Tunneln oder anderen technischen Bauten. Vor allem wird die HYDRA aber eingesetzt für mikroseismische Überwachungsaufgaben z.B. im Bergbau, bei Geothermieprojekten und nicht zuletzt auch für seismologische Zwecke als zentrale Registriereinheit für Kleinarrays (SNS). Auch begleitend zu Tunnelvortrieben wird die HYDRA erfolgreich für das Monitoring von Rockburstphänomenen und in diesen Fällen auch gleichzeitig für eine aktive seismische Vorfelderkundung eingesetzt. Tabelle 2:

technische Daten SUMMIT M Hydra

Anzahl Kanäle Messbereich: Eingangsimpedanz: Maximale Abtastrate Frequenzbereich Dynamikbereich Datenspeicher: Weitere interne Module: Schnittstellen:

4 – 24 ± 2,8 V 20 k 16 kHz 0,1 Hz – 8 kHz >120 dB 4 / 8 GB CF-Karte GPS-Zeitsynchronisierung Ethernet, WLAN, 4x digital I/O, GPS-Ant,

Für Messaufgaben in explosionsgefährdeten Bereichen, z.B. bei Untertagemessungen im Steinkohlebergbau ist die SUMMIT M Hydra in einer nach ATEX zugelassenen Variante verfügbar.

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2.4

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Die SUMMIT M Vipa

Das jüngste Mitglied der SUMMIT Familie heißt Vipa. Als mobiles Erschütterungsmesssystem für Immissionsmessungen, z.B. von Sprengarbeiten oder während anderer Bautätigkeiten, ist die VIPA darauf ausgelegt, ohne externe Spannungsversorgung auszukommen und die erfassten seismischen und akustischen Messdaten ohne zusätzliches Equipment (Laptop / PC) zu bewerten und zu protokollieren. Der interne Lithium-Ionen-Akku reicht hierbei für ca. 100 h Messbetrieb. Die Datenerfassung kann wahlweise kontinuierlich oder getriggert bei Überschreitung von einstellbaren Schwellwerten erfolgen. Die Messdaten werden über das graphische Farbdisplay angezeigt und können so bereits im Feld analysiert werden. Zusätzlich dazu besteht auch die Möglichkeit, die Messergebnisse über einen externen Protokolldrucker zu dokumentieren.

Abbildung 6.

SUMMIT M Vipa mit Standard 3D-DIN Geophon

Neben dem Einsatz als Mobiles Messsystem für kurzzeitige Immissionsmessungen ist die VIPA ebenso für eine permanente stationäre Messung konzipiert. Ein integrierter GPSEmpfänger sorgt für die genaue Zeitsynchronisation des Messsystems. Mehrere VIPAs können auch via ARCNET/VIPANET in einem Verbund betrieben werden und synchronisieren sich dabei gegenseitig. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn bei einzelnen Messstationen kein GPS-Empfang vorhanden ist. Über das ebenfalls interne GPRS-Modem oder aber auch über extern anschließbare Router können die gewonnenen Messdaten automatisch zu einem Datenserver verschickt werden. Darüber hinaus können über das GPRS-Modul Statusmeldungen per SMS abgefragt, bzw. auch automatische Alarmnachrichten bei Überschreitung von programmierbaren Schwellwerten (unabhängig von den Triggerschwellwerten der Datenaufzeichnung) von der VIPA versendet werden. Neben der Einstellmöglichkeit der Messparameter direkt am Geräte über Tastatur und Display, lassen sich alle Parameter auch über einen Remote-Zugriff verändern. Dazu ist keine extra Bediensoftware erforderlich. Der Remote-Zugriff erfolgt über ein Web-Interface der VIPA. Einen Überblick über die technischen Daten der VIPA liefert Tabelle 3.

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70. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft Tabelle 3:

Technische Daten der SUMMIT M Vipa

Anzahl Kanäle Messbereich: Eingangsimpedanz: Maximale Abtastrate Frequenzbereich Dynamikbereich Datenspeicher: Weitere interne Module: Schnittstellen:

2.5

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3 x Seismische Kanäle 1 x AUX / Mikrofon ±5V 20 k 5 kHz für Kanäle 1-3 / 44 kHz für AUX-Kanal, unabhängig von einander einstellbar DC – 2,5 kHz >110 dB 2 GB intern / beliebig erweiterbar über USB-Anschluss GPS-Zeitsynchronisierung, GPRS oder UMTS Modem 2x USB, Ethernet, RS232, ARCNET/VIPANET, 4x digital I/O, GPS-Ant, GPRS-Ant

Die SUMMIT M Tiga

Die TIGA ist noch in Entwicklung und wird erst Anfang 2011 verfügbar sein. Die TIGA baut in den wesentlichen Komponenten auf der SUMMIT M VIPA auf und zielt in erster Linie auf seismologische Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Messdynamik. Die SUMMIT M Tiga wird einen Dynamikbereich von 144 dB erreichen. Gleichzeitig wird das Messsystem noch stärker auf einen energiesparenden Dauermessbetrieb getrimmt.

3

Monitoring oder Exploration – welche SUMMIT ist die richtige?

Noch bis vor wenigen Jahren stellte sich diese Frage nicht, da Monitoring- und. Erkundungsaufgaben in der Regel unabhängig von einander betrachtet und durchgeführt wurden. Neue passive Erkundungsmethoden wie z.B. passive seismics oder MASW, aber auch die engere Verzahnung von Exploration und Monitoring führten zu sich überlappenden Einsatzbereichen der jeweiligen Messtechnik. Seismographen, eigentlich gedacht für Monitoring-Anwendungen, werden auch für aktive Messungen eingesetzt, während andererseits Explorationssysteme für Dauerregistrierungen über einen längeren Zeitraum verwendet werden. Hier ist anzumerken, dass Monitoringseismographen grundsätzlich auch für aktive seismische Messungen verwendbar sind – dies häufig allerdings zu Lasten der Effektivität der Messung bzw. der Möglichkeiten zur Qualitätskontrolle der Daten. Im umgekehrten Fall sind viele Explorationsseismographen überhaupt nicht zu Dauerregistrierungen in der Lage. Nicht zuletzt auch um der zunehmenden Überscheidung der Einsatzbereiche von seismischen Messsystemen für Monitoring und für Exploration Rechnung zu tragen, vor allem aber, um bei der Entwicklung neuer innovativer Gerätegenerationen von den Kenntnissen beider Teilbereiche zu profitieren, wurde die SUMMIT-Familie um neue Geräte ergänzt (SUMMIT M Hydra und SUMMIT M VIPA) bzw. die Funktionalität bestehender Geräte ausgebaut (SUMMIT II Compact). Ausschlaggebend für die richtige Wahl sollte dabei die Anwendung sein, die zum überwiegenden Teil von dem Messsystem erledigt werden wird. Mit der neuen SUMMITFamilie lässt die Frage selbstbewusst auch so beantworten: „Egal – Hauptsache es ist eine SUMMIT!“

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Entwicklung und Anwendung der parametrischen Sedimentecholote „SES-2000“ Jens Wunderlich, Sabine Müller (INNOMAR Technologie GmbH, Rostock)

Einführung Die Erforschung der Erdkruste in den Ozeanen und Meeren hat eine große Bedeutung für das Verständnis der geologischen Struktur und der geologischen Vorgänge im Erdinneren. Die Exploration der oberen Erdschichten ist besonders wichtig bei der Erkundung neuer Lagerstätten von Rohstoffen wie Gas- und Ölvorkommen. Zur Untersuchung des Meeresbodens wird eine Vielzahl Methoden und Verfahren eingesetzt: • akustische Verfahren, • geoelektrische Verfahren, • magnetische Verfahren, • mechanische Verfahren zur Probennahme (Greifer oder Kernbohrungen), • visuelle Untersuchung der Bodenoberfläche (durch Taucher, Foto, Video). Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Struktur und das Material der oberen Meter des Meeresbodens von besonderem Interesse. In großem Umfang werden Untersuchungen zum Ausbau und zur Sicherung von Schifffahrtswegen, zur Trassierung und Wartung von Pipelines und zur Erkundung des Baugrundes bei der Errichtung von Förderanlagen und Windkraftanlagen durchgeführt. Den akustischen Verfahren kommt sowohl bei der Erkundung des strukturellen Aufbaus des Meeresbodens als auch bei der Materialklassifikation der Oberflächensedimente eine entscheidende Rolle zu. Zur geophysikalischen Untersuchung des Meeresbodens und zur Meeresforschung allgemein werden beispielsweise die folgenden akustischen Geräte und Verfahren eingesetzt: • mit Einstrahl-Echoloten wird die Wassertiefe ermittelt, • Fächerecholote dienen zum Kartieren größerer Gebiete des Meeresbodens, • Seitensichtsonare werden zum Erfassen von Geländestrukturen und Wracks genutzt, • mit Sedimentecholoten und seismischen Verfahren wird der Schichtaufbau des Meeresbodens erkundet und • mit akustischen Strömungsmessern können Meeres- und Gezeitenströmungen gemessen werden. Die INNOMAR Technologie GmbH entwickelt und produziert parametrische Sedimentecholote zur geophysikalischen Exploration von Gewässerböden. Die Produktreihe SES-2000 umfasst sowohl mobile Geräte für sehr flaches Wasser (Wassertiefe 0,5m – 400m) als auch Geräte, die auf größeren Schiffen bei Wassertiefen bis zu 6000m einsetzbar sind. Dieser Beitrag beschreibt die Motivation zur Entwicklung mobiler parametrischer Sedimentecholote, die Entstehung der Produktfamilie SES-2000 sowie typische Anwendungen der Geräte für geophysikalische Aufgabenstellungen.

Motivation zur Entwicklung der SES-2000 Sedimentecholote Linearakustische Sedimentecholote Bereits in den 1970er Jahren wurden an der Universität Rostock erste theoretische und praktische Erfahrungen bei der Entwicklung von Sedimentecholoten gesammelt [1]. Zunehmende Bautätigkeit im Norden der DDR erforderte die Erkundung von Kiesvorkommen auch in der Ostsee. Geräte zur akustischen Erkundung des Seebodens waren nicht vorhanden und schwer beschaffbar. Mitarbeiter der Universität Rostock sahen hier Möglichkeiten zur Entwicklung von Elektronikbaugruppen und eine praktischen Anwendung für Algorithmen zur Verarbeitung gestörter Signale.

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Parametrische Sedimentecholote Beeinflusst durch die Arbeit sowjetischer Wissenschaftler und Ingenieure auf dem Gebiet der parametrischen Akustik wurden in den 1980er Jahren auch an der Universität Rostock erste Versuche zur Entwicklung eines parametrischen Sedimentecholotes durchgeführt [3]. Bei der parametrischen (oder nichtlinearen) Schallerzeugung werden zwei Schallwellen ähnlicher Frequenz (Primärfrequenzen f1 und f2 mit f2/f1 1; f2 > f1) mit hohem Schalldruck gleichzeitig abgestrahlt. Beide Wellen interagieren im Ausbreitungsmedium und durch Modulation entstehen neben den Oberwellen der Primärfrequenzen weitere Kombinationsfrequenzen. In erster Näherung entstehen die Harmonischen der Primärfrequenzen 2 f1 und 2 f2, die Summenfrequenz f = f1 + f2 sowie die Differenzfrequenz f = |f2 − f1|. Die Komponenten des sekundären Schallfeldes werden an jedem Punkt des von den Primärfrequenzen mit hohem Schalldruck beschallten Volumens, dem so genannten Wechselwirkungsraum, erzeugt. Die hochfrequenten Komponenten (Primärfrequenzen und Harmonische, Summenfrequenz) werden schnell gedämpft, das Differenzfrequenzsignal breitet sich wegen der geringeren Dämpfung ( ~ f 2) weiter aus. [2, 3] Gegenüber linearakustischen Systemen haben parametrische Sedimentecholote eine Reihe von Vorteilen, die insbesondere in sehr flachem Wasser, aber auch für Tiefwasseranwendungen bedeutsam sind: • Stark gebündelte tieffrequente Schallkeule für hohe laterale Auflösung und große Eindringtiefe: Die Halbwertsbreite bei der Differenzfrequenz gleicht derjenigen bei den Primärfrequenzen. Da der hochfrequente Wandler trotz kleiner Abmessungen eine kleine Halbwertsbreite hat, können auch die tieffrequenten Signale stark gerichtet abgestrahlt werden. • Die Halbwertsbreite ist für alle Frequenzen im Differenzfrequenzband nahezu gleich: Größe und Lage der beschallten Bodenfläche sind unabhängig von der Sendefrequenz und der Impulslänge. • Das Richtdiagramm der Differenzfrequenzsignale weist keine signifikanten Nebenkeulen auf. Damit werden störende Seitenechos vermieden. • Große akustische Signalbandbreite: Die absolute Bandbreite bei der Differenzfrequenz gleicht der des hochfrequenten Sende-Schallwandlers. Die Bandbreite des parametrischen Sendewandlers kann eine Größenordnung über der linearer Wandler gleicher Frequenz liegen. Es können sehr kurze Signale mit ausgezeichneter Entfernungsauflösung gesendet werden. Das akustische Nachschwingen ist kurz. Deshalb kann auch bei geringen Wassertiefen gearbeitet werden. Erste mobile parametrische Sedimentecholote und Firmengründung Mit den gesellschaftlichen Umwälzungen und der deutschen Wiedervereinigung erhielten die Arbeiten zur parametrischen Akustik Anfang der 1990er Jahre neue Impulse. Im Rahmen von Forschungsprojekten wurden erste Muster eines parametrischen Sedimentecholotes für den mobilen Einsatz auf kleinen Fahrzeugen im Flachwasser fertiggestellt. Vom Erfolg der ersten Einsätze bei geophysikalischen Untersuchungen in der Ostsee und bei archäologischen Untersuchungen z.B. in der Schlei getragen, reifte bei einigen Mitarbeitern der Forschungsgruppe der Entschluss den Schritt in die Selbständigkeit zu wagen und mobile parametrische Sedimentecholote kommerziell verfügbar zu machen. Auf dem internationalen Markt waren nur relativ große parametrische Sedimentecholote für den Einsatz auf großen Forschungsschiffen erhältlich. Im November 1997 wurde die INNOMAR Technologie GmbH in das Handelsregister der Hansestadt Rostock eingetragen. Gefördert vom BMBF (Programm FUTOUR) wurde zunächst das universitäre Forschungsmuster in ein marktreifes Produkt überführt. Das erste mobile parametrische Sedimentecholot „SES-96 standard“ wurde Anfang 2000 ausgeliefert. Schon Ende 2000 wurde erstmals ein weiteres Produkt „SES-96 light“, optimiert für den Einsatz in sehr flachem Wasser auf sehr kleinen Messfahrzeugen, verkauft.

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Die Produktfamilie SES-2000 Im Jahr 2002 wurde mit dem „SES-2000 compact“ das erste Mitglied der Produktfamilie „SES2000“ ausgeliefert. Die „SES-96“-Produkte wurden in die, insbesondere hinsichtlich der akustischen Eigenschaften und der Signalverarbeitung weiterentwickelten, neue Produktfamilie integriert: „SES-2000 light“ und „SES-2000 standard“. Die drei bisher genannten SES-2000 Systeme sind für den Einsatz in Gewässern mit einer Wassertiefe von bis zu 500m gedacht. Bei Primärfrequenzen um 100kHz kann der Nutzer Differenzfrequenzen zwischen 4 und 15kHz einstellen. Für sehr flaches Wasser bis zu 30m Wassertiefe steht für diese Systeme auch eine Sidescan-Erweiterung zur Verfügung, die die Sende- und Empfangselektronik der Primärfrequenz des Sedimentecholotes nutzt. Ein gleichzeitiger Einsatz von SES-2000 Sidescan und Sedimentecholot ist daher bei diesen Modellen nicht möglich. Das 2009 eingeführte Modell „SES2000 light plus“ verfügt jedoch neben einem optimierten Sedimentecholot „SES-2000 light“ über ein gleichzeitig arbeitendes Zweifrequenz-Seitensichtsonar (Frequenzen 250, 410 und 600kHz). Auf Grund von Kundennachfragen wurden ab 2003 auch Modellvarianten für den Einsatz in tieferem Wasser entwickelt. Zunächst entstand die Produktvariante „SES-2000 ROV“ für den Einsatz auf getauchten ferngesteuerten Geräteträgern (remotely operated vehicle – ROV). Das erste System „SES-2000 medium“ für Wassertiefen bis zu 2000m wurde 2004 ausgeliefert. Auch dieses Modell ist mobil einsetzbar und wird z.B von Kunden in Deutschland, Nordeuropa und Asien erfolgreich für geologische Untersuchungen in Küsten- und Schelfbereichen eingesetzt. Wegen zunehmenden Interesses potentieller Kunden an einem mobilen Tiefwassersystem wurde 2007 das Modell „SES-2000 deep“ für Wassertiefen bis zu 6000m eingeführt. Hier werden bei Primärfrequenzen um 35kHz Differenzfrequenzen zwischen 2 und 7kHz erzeugt. Damit wird neben einer größeren Reichweite auch eine bessere Eindringung in die Bodensedimente erreicht (bis zu 200m in Weichsedimenten). Alle Modelle der Produktreihe „SES-2000“ zeichnen sich durch eine sehr stark gebündelte Schallkeule (Halbwertsbreiten 1-1.8°), eine hohe Pulswiederholrate (bis zu 50 Pings pro Sekunde) und eine hohe räumliche Auflösung der Echogramme aus. Die Modelle werden ständig auf der Basis von Kundenwünschen weiterentwickelt. Insgesamt wurden bislang über 120 parametrische Sedimentecholote der INNOMAR Technologie GmbH verkauft. Die Anzahl der Mitarbeiter hat sich von anfangs 2 auf jetzt 15 erhöht. Um die Kunden bei der Aufbereitung und Auswertung der mit den SES-2000 Sedimentecholoten bei unterschiedlichen Aufgabenstellungen gewonnenen Daten zu unterstützen, bietet INNOMAR die ISE Post-Processing Software an. Damit ist es möglich, die digital gespeicherten Daten mit verschiedenen Algorithmen neu zu prozessieren und Sedimentschichtgrenzen sowie Objekte zu digitalisieren. Die extrahierten Informationen können in verschiedenen Datenformaten gespeichert werden. Es ist auch möglich, SES-Daten Standardformate wie SEG-Y, XTF und ASCII zu konvertieren.

ISE Bildschirm (Echogrammbeispiel mit verschiedenen Werkzeugen und Darstellung von Sedimentproben)

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Typische Anwendungen der SES-2000 Sedimentecholote Die parametrischen Sedimentecholote „SES-2000“ werden für folgende Anwendungen eingesetzt: • Erkundung von Seeböden und Sedimentstrukturen für geologische/geophysikalische und Umweltuntersuchungen, • Erkundung von Trassen für die Verlegung von Pipelines und Seekabeln, • Baugrunduntersuchungen für Offshore-Bauvorhaben (z.B. Windparks, Bohrplattformen, Tunneln und Brücken) • Erkundung von Rohstoffvorkommen (z.B. Kies, Sand), • Hydrographische Vermessungen, • Untersuchung von akustischen Sedimenteigenschaften, • Untersuchung der Wassersäule (z.B. Kartierung von Gasblasenwolken), • Auffinden überdeckter Objekte wie Pipelines und archäologischer Funde (z.B. Wracks und Bauwerksreste), • Forschungen zum erdgeschichtlichen Klimawandel, • Untersuchungen zum Transport suspendierter Sedimente in Flüssen und Häfen. Geologische Untersuchungen in Flachwassergebieten

SES-2000 Echogrammbeispiele einer Flussvermessung mit extremem Flachwasser (Wassertiefe 1-2m) mit einer Sedimenteindringung von bis zu ca. 11m (oben) und aus der Ostsee mit einer für Beckenbereiche typischen Sedimentstruktur (unten). Die Fotos zeigen die genutzten SES-2000 Sedimentecholote (oben SES-2000 compact, unten SES-2000 standard).

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Gerade in Flachwassergebieten kann die parametrische Akustik ihre Vorteile ausspielen: • Hohe Schallbündelung, kurze Sendeimpulse und sehr hohe Pulswiederholraten garantieren eine hohe räumliche Auflösung. • Durch die stark gebündelte Schallkeule und das Fehlen von Nebenkeulen werden Mehrdeutigkeiten durch Seitenechos vermieden und die Reverberation ist gegenüber linearakustischen Sedimentecholoten wesentlich geringer. • Es kann, wie im oberen Echogrammbeispiel zu sehen, auch sehr nah am Schallwandler gearbeitet werden. Die Nahfeldproblematik linearer Systeme existiert nicht. Typische Anwendungen der SES-2000 Sedimentecholote im Flachwasser sind Baugrunduntersuchungen und die Erkundung von Sandvorkommen für Offshore-Bauprojekte, Vermessungen im Rahmen von Erweiterungs- und Sicherungsmaßnahmen von Schifffahrtsstraßen und Häfen sowie die Suche und Vermessung einsedimentierter Objekte [4, 8]. Objektortung im Flachwasser Einsedimentierte Objekte wie beispielsweise Pipelines und archäologische Objekte liegen oft in Flachwassergebieten. Schwierigkeiten bei der Objektortung ergeben sich durch geringe Echostärken wegen geringen akustischen Kontrastes z.B. bei Objekten aus Holz und der Signaldämpfung im Sediment sowie durch die geringe Größe der Zielobjekte [5-7]. Hier erweisen sich der hohe Dynamikbereich und die hohe räumliche Auflösung, insbesondere die hohe Pulswiederholrate von bis zu 50 Pings pro Sekunde, der „SES-2000“ Sedimentecholote als vorteilhaft. Um den Zeitaufwand bei der Ortung kleinskaliger Objekte zu verringern, wurde 2009 ein neues Modell „SES-2000 MTX“ mit mehreren Sende-/Empfangsschallwandlern eingeführt [11]. Mit diesem System können für eine dreidimensionale Darstellung geeignete Daten mit einem sehr engen Raster mit vertretbarem Zeitaufwand gewonnen werden.

SES-2000 Echogrammbeispiel mit von Schlick überdeckten Holzpfeilern aus der Wikingerzeit. Der akustische Kontrast der Holzpfeiler zum Schlick ist sehr gering (Reflexionskoeffizient ca. 0,1)

SES-2000 Echogrammbeispiel mit einsedimentierten Pipelines: Auf dem Gewässerboden verlegte Pipeline von Sanddünen überdeckt (links) und eingegrabene Pipeline bei der deutlich der verfüllte Graben und überlagerte Sanddünen sichtbar sind (rechts).

„SES-2000 MTX“ mit drei Schallwandlern (links) und Beispiel einer 3D-Visualisierung der gewonnenen Daten einer archäologischen Untersuchung.

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Erfassung von Sedimentsuspensionen Insbesondere in gezeitenbeeinflussten Häfen und Flüssen werden nicht unerhebliche Mengen von Sediment transportiert. Zur langfristigen Sicherung der Schifffahrtswege und Senkung von Unterhaltungskosten ist eine möglichst genaue Kenntnis der Vorgänge notwendig [9, 10].

SES-2000 Echogrammbeispiel (Frequenz 100kHz) mit Ablagerung von Flusssedimenten während der Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit bei der Gezeitenumkehr in einer tidenbeeinflussten Flussmündung.

Sedimentortung in größeren Wassertiefen Auch in größeren Wassertiefen erweisen sich parametrische Sedimentecholote als vorteilhaft. Die stark gebündelte tieffrequente Schallkeule ermöglicht gute Eindringung in marine Sedimente bei sehr guter räumlicher Auflösung. Einsatzgebiete sind beispielsweise geologische Untersuchungen zur Klimaforschung. Für den schiffsgebundenen Einsatz sind zwei SES-2000 Modelle für größere Wassertiefen geeignet: das „SES-2000 medium“ für Wassertiefen bis zu 2000m und das „SES2000 deep“ für bis zu 6000m Wassertiefe. Beide Modelle stehen sowohl für permanente als auch für temporäre Installationen zur Verfügung. Die Varianten für temporäre Installation sind modular aufgebaut und können innerhalb weiniger Stunden installiert werden.

2500 2520 2540 2560 frequency 3kHz / 1ms

„SES-2000 deep“ Echogrammbeispiel aus Grönland; die Fotos zeigen die Sende-/ Empfangselektronik und den Schallwandler während einer temporären Installation auf einem dänischen Forschungsschiff.

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Oft werden bei größerer Wassertiefe ferngesteuerte oder autonom operierende Geräteträger eingesetzt. Damit kann ein geringer (konstanter) Bodenabstand realisiert und damit die Datenqualität gegenüber schiffsgebundenen Erkundungssystemen oft verbessert werden. Für den Einsatz auf größeren ROVs steht das Modell „SES-2000 ROV“ mit einer Druckfestigkeit von bis zu 2000m zur Verfügung. Dieses System wird z.B. in der Offshore-Industrie zur Erkundung von geplanten Pipelinetrassen sowie zum Monitoring von bereits verlegten Pipelines genutzt.

„SES-2000 ROV“ Echogrammbeispiel einer geologischen Survey; das Foto zeigt die Sende-/ Empfangselektronik in einem druckfesten Gehäuse.

Literatur [1] [2] [3] [4]

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[8]

[9] [10] [11]

Barnick, W.; Schommartz, G.; Wendt, G.: Hydroakustik. In: Fasold, W.; Kraak, W.; Schirmer, W. [Hrsg.]: Taschenbuch Akustik, Band 2, S. 1649–1725. Verlag Technik, Berlin, 1984. Novikov, B.K.; Rudenko, O.V.; Timoshenko, V. I.: Nonlinear Underwater Acoustics. Acoustical Society of America/AIP, 1987. (reprint) Barnick, W.; Wendt, G.; Kablov, G.; Jakovlev, A.N.: Hydroortungssysteme zur vertikalen Bodensondierung. Novosibirsk 1992 (russ.) Wendt, G.; Wunderlich, J.: Sediment- und Objektortung mit parametrischen Sendeverfahren. Tagungsband der 27. Jahrestagung der DEGA „Fortschritte der Akustik – DAGA 2001“, Hamburg, 2001, S. 330–331. Müller, S.; Wunderlich, J.: Detection of Embedded Objects Using Parametric Subbottom Profilers. International Hydrographic Review 4(2003)3, S. 76–82. Wunderlich, J.; Wendt, G.; Müller, S.: Detection of Embedded Archaeological Objects using Nonlinear Sub-Bottom Profilers. Proc. of the 7th European Conference on Underwater Acoustics, Delft, 2004, S. 833–838. Wunderlich, J.; Wendt, G.; Müller, S.: High-Resolution Echo-Sounding and Detection of Embedded Archaeological Objects with Nonlinear Sub-Bottom Profilers. Marine Geophysical Researches 26(2005), S. 123–133. Wunderlich, J.; Müller, S.; Erdmann, S.; Hümbs, P.; Buch, Th.; Endler, R.: High-Resolution Acoustical Site Exploration in Very Shallow Water – A Case Study. Proc. of the 11th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics Extended Abstracts “Near Surface 2005“, Palermo, 2005. S. B040.1–B040.4. Schrottke, K.; Bartholomä, A.; Becker, M.: Bed Mobility in the Weser Estuary Turbidity Zone. Hydro International, 9 (7), pp. 27-29, 2005. Schrottke, K.; Becker, M.; Bartholomä, A.; Flemming, B.; Hebbeln, D.: Fluid mud dynamics in the Weser estuary turbidity zone tracked by high resolution side-scan sonar and parametric subbottom profiler. Geo-Marine Letters, 26 (3), pp. 185-198, 2006 Lowag, J.: Application of multi-transducer parametric sub-bottom profiler for three-dimensional archaeological investigations in shallow waters. 69. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel, 2009.

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70. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft

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Geomagnetische Vermessung mit Förstersonden (Fluxgates) Entwicklungsstufen und Anwendungsspektrum der FEREX® Vertikalgradiometer Thomas Himmler Institut Dr. Foerster GmbH & Co. KG In Laisen 70, 72766 Reutlingen [email protected] 1. Einleitung Magnetometer sind sensorische Geräte zur Messung der magnetischen Flussdichte. Die Angabe der magnetischen Flussdichte erfolgt in der Einheit Tesla (T). Übliche Messbereiche von Magnetometern bewegen sich in einem Größenbereich von circa 10-15 bis 10 T. Aufgrund des großen Wertebereiches kommen unterschiedliche Messverfahren unter dem Begriff Magnetometer zum Einsatz. Eine der Aufgaben von Magnetometern ist die Vermessung des Erdmagnetfeldes, die Erfassung seiner zeitlichen Schwankungen und lokalen Abweichungen. Das Erdmagnetfeld, das nur annäherungsweise ein Dipolfeld ist, wird von außen durch elektrische Felder in der hohen Atmosphäre, aber auch vom Innern der Erde durch Massen mit eigenem Magnetismus beeinflusst. Die Totalintensität des ungestörten Erdmagnetfeldes (Abb. 1) liegt im Bereich von circa 20 bis 70 µT, wobei die hohen Werte nur in den Polregionen erreicht werden. Lokale Abweichungen hiervon, nachfolgend Anomalien genannt, werden durch die Magnetisierung von Störkörpern hervorgerufen. Die Magnetisierung des Störkörpers besteht aus zwei Komponenten, der durch das Erdmagnetfeld induzierten Magnetisierung sowie einer remanenten Magnetisierung. Die Magnetisierungskomponenten addieren sich vektoriell.

Abb. 1 Verlauf der absoluten magnetischen Flussdichte auf der Erdoberfläche

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Durch Störkörper hervorgerufene Anomalien des Erdmagnetfeldes können im Bereich von wenigen hundertstel Nanotesla, hervorgerufen durch unterschiedliche geologische Strukturen, bis hin zu über zehntausend Nanotesla bei massivem Stahl, liegen. Die in der geomagnetischen Vermessung gebräuchlichen Magnetometer unterscheiden sich hinsichtlich der Empfindlichkeit ihrer Sensorik. Darüber hinaus können sie zur vektoriellen Bestimmung des Erdmagnetfeldes dienen oder nur skalare Werte der Totalintensität liefern. Zu den Skalaren Magnetometern gehören Protonen-Präzessions-Magnetometer, OverhauserMagnetometer sowie optisch gepumpte Cäsium- oder Kalium-Magnetometer. Diese Magnetometer bieten eine Messempfindlichkeit von bis zu 0,001 nT. Häufig verwendete Vektorielle Magnetometer sind Förster-Sonden auch SaturationskernMagnetometer genannt mit einer Messempfindlichkeit von 0,1 nT. 2. Historische Entwicklung der Förstersonde Im Rahmen von Grundlagenversuchen zur magnetischen Eigenschaft verschiedener Metalle entdeckte Dr. Friedrich Förster 1939 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Metallforschung in Stuttgart den Einfluss des Erdmagnetfeldes auf bestimmte Prüfspulenanordnungen, die über einen Metallkern verfügen. Die Messanordnung wurde weltweit patentiert und als so genannte Förstersonde Grundlage für verschiedene Messgeräte zur Erfassung magnetischer Felder. 1948 gründete er sein eigenes Unternehmen, das Institut Dr. Friedrich Förster in Reutlingen. Eine Vielzahl von Mess- und Prüfgeräten wird bis heute auf Basis der Erfindung entwickelt. Schwerpunkt bildet hierbei die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Magnetischer - und Wirbelstrom-Verfahren, aber auch für die geomagnetische Anwendung wird eine Vielfalt von Geräten angeboten. Eine Abwandlung des patentierten Verfahrens, das für den Prüfspulenaufbau auf so genannte Ringkerne statt der von Dr. Förster verwendeten geraden Kerne zurückgreift, wurde in den USA als Fluxgate bzw. Second-Harmonic-Detector bezeichnet. Diese Bezeichnung ist heute weltweit für alle Varianten der Saturationskern-Magnetometer gebräuchlich. 3. Aufbau und Funktionsweise der Förstersonde Wesentlicher Bestandteil der Förstersonde (Abb. 2) sind zwei Eisenkerne (1 und 2) aus hochpermeablem Material. Jeder Kern trägt eine Primär- und Sekundärwicklung. Beide Kerne sind räumlich in einer Linie, oder auch parallel nebeneinander angeordnet. Die Primärwicklungen werden im Idealfall von einem Wechselstrom (Iexi) mit linearem Anstieg gespeist. Sie sind gegeneinander geschaltet, so dass die in den Eisenkernen erzeugten Magnetflüsse (H∼) entgegengesetzt gerichtet, betragsmäßig aber gleich groß sind. Die beiden Sekundärwicklungen sind in Serie geschaltet, die Summe der in ihnen induzierten Spannungen (Usec) ist gleich Null.

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Abb. 2 Schaltung der Förstersonde In Abb. 3 ist die idealisierte Hysterese-Kurve der Eisenkerne dargestellt, darunter der zeitliche Verlauf der Magnetisierungsfeldstärke in beiden Kernen (durchgezogene Linie).

Abb. 3

Abb. 4

Der zeitliche Verlauf des magnetischen Flusses (B), der sich in den Eisenkernen einstellt, ist in Abb. 4 dargestellt. Der Fluss nimmt linear zu, bis die Eisenkerne gesättigt sind und behält dann so lange einen konstanten Wert, bis die Magnetisierungsfeldstärke die Sättigungsfeldstärke des Eisens wieder unterschreitet. Der Fluss induziert in den Sekundärwicklungen Spannungsimpulse, deren zeitlicher Verlauf rechteckförmig ist, die sich aber, da die Magnetflüsse in beiden Eisenkernen stets entgegengesetzt gerichtet sind, in den in Serie geschalteten Sekundärwicklungen aufheben (Abb. 4, durchgezogene Linien).

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Wirkt ein Magnetfeld H0, welches sich zeitlich nicht verändert, so addiert sich dieses Feld in einem Eisenkern zum Erregerfeld während einer Halbperiode, im anderen Eisenkern zieht es sich während der gleichen Halbperiode ab. Die Folge ist, dass die Nulldurchgänge der gesamten auf die Eisenkerne wirkenden Feldstärken zeitlich verschoben werden, für beide Kerne jeweils um den gleichen Betrag, aber in entgegen gesetzter Richtung (Abb. 3, gestrichelte Linie). Die Nulldurchgänge der Magnetflüsse in beiden Kernen werden in gleicher Weise verschoben und zwar für jeden Kern abwechslungsweise in Richtung und gegen Richtung der positiven Zeitachse. Die in den Sekundärwicklungen induzierten, entgegen gesetzt gerichteten Spannungsimpulse fallen jetzt zeitlich nicht mehr zusammen und heben sich somit nicht mehr auf. Auf der Ausgangsseite der Sonde erscheinen daher, als Summe der Spannungen der beiden Sekundärwicklungen, bei jedem Durchfahren der Hysterese-Kurve der Eisenkerne ein positiver und ein negativer Spannungsimpuls (Abb. 4). Die Ausgangsspannung der Sonde kann als Funktion der Magnetischen Flüsse in den beiden Sekundärwicklungen dargestellt werden:

U sec =

d ( B1 + B 2) dt

[1]

Wesentlich ist, dass beide Impulse in völlig gleicher Weise entstehen, unabhängig davon, in welcher Richtung die Hysterese-Kurve durchfahren wird. Dies ist der Grund dafür, dass die Ausgangsspannung der Sonde (Usec) die doppelte Frequenz des Erregerstroms (Iexi) aufweist. Hiervon wurde die bereits erwähnte international gebräuchliche Bezeichnung Second-HarmonicDetector abgeleitet. Die beiden Spannungsimpulse liegen jeweils punktsymetrisch zum Nulldurchgang der Erregerwechselfeldstärke und ihr Abstand ist unabhängig von der Gleichfeldstärke H0, solange der Erregerstrom der Primärwicklung konstant ist. Die Breite der Impulse ist proportional der Gleichfeldstärke H0, wenn H0 klein gegen die Sättigungsfeldstärke der Eisenkerne ist. Die Höhe der Impulse ist direkt proportional zur Frequenz des Erregerstroms. Damit wächst die Empfindlichkeit der Sonde linear mit der Erregerfrequenz, deren obere Grenze jedoch durch Wirbelstromeffekte in den Sondenkernen und das Einbringen der erforderlichen Energie zur Sättigung der Eisenkerne bestimmt ist. Je nach Sondenkonstruktion bewegen sich die Erregerfrequenzen im Bereich zwischen 1 kHz und 500 kHz.

Abb. 5 Prinzip eines Magnetfeldmessers mit Förstersonde

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4. Messbereich der Förstersonde Förstersonden nach dem Stand der Technik können heute einen Messbereich von 0,1 nT bis über 1 mT abdecken. Sie sind gekennzeichnet durch eine große Dynamik des Messbereiches, verbunden mit einer hohen Linearität und Stabilität. Das Eigenrauschen der Sonden liegt typisch unter 20 pT /√Hz @ 1 Hz. Eine wesentliche Aufgabe liegt im Bereich der absoluten Erdmagnetfeldvermessung, aber auch in der Bestimmung geringster Anomalien die unterhalb von 0,1 des absoluten Erdmagnetfeldes liegen können. Eine wichtige Verwendung finden Förstersonden ab den 1950er Jahren bei der Lokalisierung von kriegsgedingten Altlasten, speziell bei der Suche nach Bombenblindgängern und sonstiger Munitionsüberreste. Mit der Entwicklung leistungsfähigerer Sonden konnten Satellitenmagnetometer zur Vermessung des Erdmagnetfeldes im Weltraum gefertigt werden, später folgten Sensoren für die geomagnetische Erkundung, speziell in der Archäologie. Absolutes Erdmagnetfeld im Mitteleuropa Absolutes Erdmagnetfeld in 1500 km Orbithöhe Erdfeldanomalie einer 250 kg Bombe in 4 m Tiefe Erdfeldanomalie eines frühzeitlichen Erdofens Erdfeldanomalie eines Ziegelfundamentes Erdfeldanomalie verfüllter frühzeitlicher Gräben Erdfeldanomalie frühzeitlicher Pfostenlöcher

≈45.000 nT