Supraleitendes Gravimeter - Institut für Geophysik - Universität ...

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Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 1. Wissenschaftliche Ausrichtung der Arbeitsgruppe Prolog Das Geowissenschaftliche Gemeinschaftsobservatorium (Black Forest Observatory, BFO) ist ein Untertageobservatorium und wird von den Universitäten Karlsruhe und Stuttgart seit 1971 gemeinschaftlich betrieben. Von beiden Universitäten sind jeweils die Institute für Geophysik und Geodäsie beteiligt. Die personelle Ausstattung des BFO besteht aus drei fest angestellten Mitarbeitern die vor Ort tätig sind: zwei Wissenschaftern und einem Techniker. Mit dem Ziel Daten höchster Qualität und Verfügbarkeit zu erheben werden u.a. folgende geophysikalische Sensoren betrieben: Gravimeter, Seismometer, Neigungsmesser, Extensometer, Schlauchwaage, Magnetometer, Barometer und permanent GPS. Zu den herausragenden Merkmalen des BFO zählt die Druckschleuse, die zum einen die Sensoren vor dem direkten Einfluss schneller Druckschwankungen abschirmt und zum anderen dazu beiträgt, dass die Temperaturschwankungen und die Luftzirkulation in der Umgebung der Sensoren minimal sind. Die Installation im kompetenten Schwarzwaldgranit führt zu einer besonders guten Ankopplung der Sensoren an die feste Erde und gleichzeitig zu einer geringen Einkopplung von meteorlogischen Störsignalen. Ein weiteres Merkmal des BFO ist das weitgehende Fehlen von hydrologischen Signalen wie z.B. Grundwasserspiegelschwankungen. Eine ausführliche Darstellung des BFO findet sich in Emter et al. (1998 und 1999, siehe Anlagen). 1a. Darstellung der Arbeitsrichtung der Gruppe sowie bisherige Ergebnisse Die Arbeitsgruppe befasst sich mit zwei grossen Themenbereichen. Der erste Bereich ist die kontinuierliche Beobachtung von Schwereänderungen und Deformationen bei langen Perioden und deren Interpretation hinsichtlich der Struktur und Dynamik der Erde. Der zweite Bereich umfasst die Verbesserung der Qualität von Messverfahren sowie die Erprobung neuer Messverfahren und die Untersuchung von Störeinflüssen. Im Einzelnen sind dies folgende Themen: (1) Elastischgravitative Eigenschwingungen der Erde (welche vor allem durch starke Erdbeben angeregt werden) und die Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen, (2) Rotationseigenschwingungen, (3) Gezeiten und (4) Störeinflüsse sowie rein instrumentelle Untersuchungen. Antrag für die Beschaffung eines Supraleitenden Gravimeters für das BFO 1 Die wichtigsten Arbeiten zu diesen 4 Forschungsbereichen haben folgende Aspekte untersucht. (1) Elastisch-gravitative Eigenschwingungen und Suche nach bisher nicht beobachteten Signalen Die elastisch-gravitativen Eigenschwingungen der Erde werden vor allem durch starke Erdbeben angeregt. In der Arbeit von Widmer et al. (1992) wurden Moden mit besonders starker spektraler Aufspaltung untersucht und daraus neue Modelle für die heterogene Struktur von Innerem und Äusserem Erdkern abgeleitet. Der erste und wiederholte Nachweis der torsionalen Grundmode 0T2 bei 0.38 mHz gelang Widmer et al., (1992b) und der erste Nachweis von Coriolis Kopplung zwischen sphäroidalen und toroidalen Moden bei Frequenzen unterhalb von 1 mHz erstmals in der Arbeit von Zürn et al., (2000). Ferreira et al. 2006 haben gezeigt, dass mit Schlauchwaagen die tieffrequenten Eigenschwingungen ebenfalls mit gutem Signal-Stör-Verhältnis registriert werden können. Die erfolgreiche Anwendung des Modenkonzepts hin zu höheren Frequenzen gelang in den Arbeiten von Widmer-Schnidrig (2002) und Laske und Widmer-Schnidrig (2007) durch die ersten systematischen Beobachtungen von Sphäroidalmoden bis 20 mHz. Dabei gelang es sowohl die entarteten Frequenzen zu schätzen als auch ihre spektrale Feinstrukur hinsichtlich Mantelheterogenitäten zu interpretieren. Dass die Eigenschwingungen der Erde nicht nur von Erdbeben sondern auch von Vulkaneruptionen angeregt werden können, wurde zuerst anhand der Schwereregistrierungen des BFO im Falle der paroxysmalen Ausbrüche des El Chichón, 1982, und des Mount Pinatubo, 1991, entdeckt und anschließend in den Daten global verteilter Observatorien systematisch nachgewiesen (Widmer und Zürn, 1992). Ein sehr kleines Eigenschwingungssignal, dessen Anregung noch kontrovers diskutiert wird, sind die permanent angeregten Hintergrundeigenschwingungen im Band 2 - 7 mHz. In der Arbeit von Kurrle und Widmer-Schnidrig (2006) konnte die Saisonalität das Signals bestätigt und die Hypothese einer atmosphärischen oder ozeanischen Anregung untermauert werden. Die Arbeitsgruppe sucht in Datensätzen der Schwerevariationen (BFO u. a.) nach den theoretisch vorhergesagten Schwerewellen im äusseren Erdkern und der Translations- Schwingung des inneren Erdkerns, deren Beobachtung u. a. Aussagen über die Dichte im tiefen Erdinnern zulassen würde. Diese Suche verlief bisher ergebnislos, dafür
Schwerevariationen durch Erd-Eigenschwingungen 2 konnten Behauptungen anderer Autoren, diese entdeckt zu haben (u. a. mit supraleitenden Gravimetern), stichhaltig zurückgewiesen werden (Zürn et al., 1987; Zürn und Rydelek, 1994; Zürn, 1994; Jensen et al., 1995). (2) Rotationseigenschwingungen. Die zwei wichtigsten Kreiseleigenschwingungen der Erde sind der Chandler Wobble (CW) und der Nearly Diurnal Free Wobble (NDFW). In der Arbeit von Richter et al. (1995) wurde die komplexe Amplitude des CW geschätzt und in der Arbeit von Neuberg et al. (1987) gelang erstmals eine genaue Schätzung der Resonanzparameter des NDFW basierend auf Schweredaten. Die von Neuberg et al. (1987) erstmals vorgeschlagene Analysemethode ist inzwischen zum Standardverfahren geworden. Aus der Dämpfung des CW kann auf die Anelastizität des Erdmantels bei einer Periode von 14 Monaten geschlossen werden. Aus der Frequenz des NDFW haben Neuberg et al. (1987) auf eine zusätzliche Abplattung der Kern-Mantel Grenze von 400 m geschlossen. (3) Gezeitenforschung. Neben der NDFW-Resonanz werden anhand von Gezeitenregistrierungen die räumliche und zeitliche Variation der Gezeitenamplituden untersucht (Rydelek et al., 1991 Zürn, 1994). Erstere sind in Schweredaten noch nicht identifizierbar, da die notwendigen Ozeanauflastkorrekturen bisher nicht präzise genug bekannt sind. Dies wird in absehbarer Zukunft jedoch der Fall sein (Bos et al. 2000). In diesem Zusammenhang ist auch die Beobachtung nichtlinearer Auflastgezeiten von Interesse, die in Daten einer Schlauchwaage in Luxemburg (näher an der Nordsee als BFO) gelungen ist (D’Oreye und Zürn 2006). Es wird erwartet, dass Neigungs- und Straingezeiten in ihren Amplituden zeitlich variabel sein müssten, da diese durch lokale Gesteinseigenschaften beeinflusst werden. Dies könnte durch Spannungseffekte in der Vorbereitungsphase starker Erdbeben oder durch poroelastische Effekte verursacht werden. Neigungsgezeiten zeigten vor den Erdbeben in der Türkei 1999 keine klaren Signale (Westerhaus und Zschau, 2001; Westerhaus und Welle, 2002). Gezeitenmessungen des Pegels oder Wasserdrucks in Brunnen und Bohrungen werden dazu verwendet, hydrogeologische Parameter abzuleiten. An Daten des Hot-Dry- Rock Projekts bei Soultz-sous-Foret im Elsass konnte dies erreicht werden. Die Daten waren dort von solcher Qualität, dass die Erdkernresonanz (NDFW) nachgewiesen werden konnte (Zaske et al. 2000). (4) Störeinflüsse und instrumentelle Untersuchungen. Die kleinsten, geophysikalisch interpretierbaren Signale, die an den ruhigsten Observatorien aufgezeichnet werden können, liegen für die Schwere bei 10 −12 g und für Neigung und Dehnung bei 10 −11 . Die Gravitationswirkung atmosphärischer Luftmassen begrenzt die Auflösung von Gravimetern und Vertikalseismometern bei Frequenzen unterhalb 2 mHz. Eine Korrektur basierend auf dem lokal registierten Luftdruck ist aber möglich (Zürn und Widmer, 1995). Die Auflast atmosphärischer Luftmassen erzeugt Neigungen, die die Auflösung von Horizontalseismometern und Neigungsmessern begrenzen. Auch hier kann eine Korrektur basierend auf dem lokalen Luftdruck die Auflösung steigern (Zürn et al, 2007). Weitere Genauigkeitssteigerungen sind unter Verwendung meteorologischer Modelle (z.B. ECMWF, NCEP), welches die Verteilung regionaler Luftmassen berücksichtigt, möglich (Boy et al., 2002; Neumeyer et al., 2004). Für die Berechnung der Gravitationswirkung der atmosphärischen Massen bietet sich eine Zerlegung in Tesseroide an (Heck und Seitz, 2006). Temperaturkompensierte Tragfedern in Breitbandseismometern besitzen zwangsläufig eine magnetische Empfindlichkeit. Das führt besonders während magnetischen Stürmen zu Signalstörungen. Liegen Registrierungen der Magnetfeldvariationen vor, so können erstere vollständig aus den seismischen Daten entfernt werden (Forbriger, 2007). Neigungs- und Deformationsmessungen werden bevorzugt in Untertagekavernen durchgeführt. Dabei tritt aber der sog. Hohlraumeffekt auf, welcher aus einer durch den Hohlraum verursachten Strain-Tilt Kopplung besteht und zu einer massiven Verfälschung der Signalamplituden führen kann (King et al., 1976). Das Rauschverhalten eines temporär am BFO installierten supraleitenden Gravimeters wurde von Richter et al. (1995) untersucht. Eine druckdichte Abschirmung für das weitverbreitete Streckeisen STS-2 Breitbandseismometer wurde für optimale Ergebnisse bei langen Perioden vorgestellt (Wielandt und Widmer-Schnidrig, 2002). Eine vollständige Literaturliste zu allen im Antrag erwähnten Arbeiten ist am Ende beigefügt. 1b. Wichtigste Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe aus den letzten 5 Jahren, insbesondere solche, die in Bezug zum angemeldeten Gerät stehen. Veröffentlichungen mit Bezug zum Supraleitenden Gravimeter
Seite 1 und 2: Ein Supraleitendes Gravimeter für
Seite 3 und 4: Bundesland: Baden-Württemberg DFGV
Seite 5 und 6: Monat Jahr 5.8 Vorgesehener Zeitpun
Seite 7: Wissenschaftliche Begründung
Seite 11 und 12: Schwerevariationen durch Erd-Eigens
Seite 27 und 28: Curriculum vitae - Prof. Dr.-Ing. h
Seite 29 und 30: Curriculum vitae - Dr. Thomas Forbr
Seite 31 und 32: Curriculum vitae - Dr. Rudolf Widme
Seite 33 und 34: Betriebs- und Nutzungskonzept
Seite 35 und 36: Betriebs- und Nutzungskonzept 2 3.
Seite 37 und 38: Angebot vom Hersteller GWR Instrume
Seite 39 und 40: 3. GEP-3 Remote Control Card with 1
Seite 43: Sonderdrucke Emter, D., Wenzel, H.-
Seite 59 und 60:
Schwerpunkt 1) Diese Nomenklatur un
Seite 61 und 62:
Schwerpunkt Abb. 4: Radiale Verteil
Seite 63 und 64:
Schwerpunkt 2) v stimmt nur dann mi
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