Urban Vibro Truck (UVT) - Validierung des neuen mobilen Vibrators

Überblick

Sowohl für den Wandel der Wärmeversorgung hin zu nachhaltigen Energiequellen wie Geothermie als auch für die Suche nach einem geeigneten Endlager für radioaktive Abfälle sind geologische Untersuchungen des Untergrunds von zentraler Bedeutung. Da die Seismik flächendeckend die höchste Auflösung aller geophysikalischen Methoden bietet, ist zu erwarten, dass der Bedarf an 2D und 3D seismischen Messkampagnen in Deutschland in den nächsten Jahrzehnten zunehmen wird. Vor allem in besiedeltem Gebiet sind Vibroseis-Fahrzeuge die einzige Option als seismische Quelle und bieten in der Regel eine hervorragende Datenqualität.

Das Geophysikalische Institut (GPI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unterstützt die Herrenknecht AG bei der Entwicklung des Urban Vibro Truck (UVT) (Abbildung 1), indem es die Abstrahlcharakteristik und die Qualität des Quellsignals in den verschiedenen Entwicklungsphasen bewertet.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Urban Vibro Truck

Der Urban Vibro Truck, der von der Herrenknecht AG gebaut wird, ist ein mobiler P-Wellen-Shaker, welcher im Rahmen von reflexionsseismischen Untersuchungen für die strukturelle geologische Erkundung des Untergrunds im urbanen Umfeld eingesetzt werden kann. Er wird vor allem bei der Durchführung von reflexionsseismischen Messungen in städtischen Gebieten durch seine Wendigkeit und seinen leisen Betrieb von großem Nutzen sein. Zum anderen wird der Shaker bezüglich der Qualität und Stabilität des Quellsignals insbesondere im niederfrequenten Bereich optimiert, was für moderne Prozessierungs- und Abbildungsmethoden von großer Bedeutung ist, so dass Abbilder des geologischen Untergrunds von hoher Qualität erzeugt werden können.

Der Shaker wurde erstmalig in Kooperation mit dem Geologischen Dienst Nordrhein-Westfalen im Rahmen einer Messung zur Erkundung des geothermischen Potentials für eine Vergleichsstudie im Feld eingesetzt.

Bestimmung der Bodenkraft

Der Projektfokus des KIT ist die messtechnische Ermittlung der vom Shaker in den Boden eingeleiteten Kraft, die messtechnisch mit verschiedenen Methoden erfasst werden soll. Diese Kraft ist zum einen für die Beschreibung der Leistung des Vibrators wichtig, um mögliche Störungen durch Resonanzen, sowie die Frequenzstabilität und Bandbreite des erzeugten Sweeps zu beurteilen. Diese Parameter sind für eine hohe Qualität der seismischen Abbilder maßgebend und deren Auswertung im Messstand wird somit zur Optimierung des Shakers beitragen. Des Weiteren ist auch eine genaue Kenntnis der Bodenkraft für die Datenbearbeitung (Korrelation) von großer Bedeutung, um die Qualität der seismischen Abbildung zu maximieren. Diese Kraft wird durch die Installation von Sensoren am Vibrator direkt physikalisch gemessen bzw. durch Beschleunigungsmessungen approximiert. Weiterhin wird ein neuer Ansatz für die Rekonstruktion der Bodenkraft über die Wellenforminversion, der im Fernfeld registrierten Signale erprobt werden.

Bisherige Arbeiten

Um dies zu erreichen ist zunächst ein detailliertes Modell des Untergrundes nötig. Dafür wurden auf dem Gelände des zukünftigen Testmessstandes zwei orthogonal ausgerichtete seismische Profile gemessen. Es wurden jeweils 72 Empfänger im Abstand von 1 m ausgebracht. 20 Hammerschläge im Abstand von 4 m dienten jeweils als Quelle (siehe Ansicht der zwei orthogonalen Messprofile).

1D Mehrkanalanalyse von Oberflächenwellen

Mit Hilfe der Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW)-Methode wurde für jedes Profil ein 1D-Modell der Scherwellengeschwindigkeit des Untergrundes bestimmt. Bei dieser Methode werden über eine Dispersionsanalyse die Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) analysiert. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Oberflächenwellen dispersiv sind, d.h. dass ihre Geschwindigkeit und Eindringtiefe mit der Frequenz variiert. Über einen Inversionsalgorithmus kann dann aus der Dispersionskurve ein Geschwindigkeitsprofil des Untergrundes errechnet werden. Abbildung 4 a-d zeigt die gemessenen und die synthetischen Daten eines Schusses von Profil 1 sowie deren Dispersionskurven. Die Übereinstimmung von synthetischen und gemessenen Daten ist gut. Das finale 1D-Scherwellengeschwindigkeitsmodell des Untergrundes wurde aus den Ergebnissen der Profile 1 und 2 gemittelt (Abbildung 4 e).

2D Full-Waveform-Inversion

Dieses 1D Modell diente als Startmodell für eine 2D Full-Waveform Inversion (FWI). Die Methode der FWI geht über die traditionelle Analyse hinaus, indem sie das vollständige Wellenfeld - Amplitude und Phase – nutzt, um detaillierte Informationen über die geologische Struktur, die physikalischen Eigenschaften des Untergrunds sowie dessen laterale und vertikale Variationen zu gewinnen.

Bei dieser Anwendung wurden in erster Linie Rayleigh-Wellen berücksichtigt. Die Inversionsergebnisse zeigen stärkere laterale Variationen in Profil 1 (Südosten nach Nordwesten) im Vergleich zu Profil 2 (Südwesten nach Nordosten). Zudem lässt sich eine Zone mit reduzierter Geschwindigkeit in einer Tiefe von etwa 5 m (Abbildung 5) identifizieren.

Das resultierende hochauflösende 2D-Bild des Untergrunds ermöglicht eine präzise Validierung des Urban Vibro Truck und eine verbesserte Inversion der Quellkraft.