Deutsch (11.4 MB) - Nagra

nagra

Deutsch (11.4 MB) - Nagra

Nagra

Nationale

Genossenschaft

für die Lagerung

radioaktiver Abfälle

Cedra

Societe cooperative

nationale

pour I'entreposage

de dechets radioactifs

Cisra

Societa cooperativa

nazionale

per I'immagazzinamento

di scorie radioattive

TECHNISCHER

BERICHT 88-06

FELSLABOR GRIMSEL

SEISMISCHE DURCHSCHALLUNGS­

TOMOGRAPHIE

c. Gelbke

WBK, Westfälische Berggewerkschaftskasse

JUNI 1988

FELSLABOR GRIMSEL / SCHWEIZ

GEMEINSAMES FORSCHUNGSPROGRAMM DER

• NAGRA - Nationale Genossenschaft für die Lagerung

radioaktiver Abfälle, Baden, Schweiz

• BGR - Bundesanstalt für Geowissenschaften und

Rohstoffe, Hannover, Bundesrepublik Deutschland

• GSF - Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung

mbH, München, Bundesrepublik Deutschland

Parkstrasse 23 5401 Baden / Schweiz Telephon 056/205511


NAGRA NTB 88-06 - I -

VORWORT

Bei Konzepten, die die Endlagerung radioaktiver Abfälle in geologischen Formationen

vorsehen, ist die Kenntnis des Wirtgesteins und der angrenzenden

Gesteinsschichten von grundlegender Bedeutung. Die Nagra betreibt deshalb

seit Mai 1984 das Felslabor Grimsel in 450 m Tiefe im Kristallin des Aarmassivs.

Die generelle Zielsetzung für die Arbeiten in diesem System von Versuchsstollen

umfasst insbesondere

den Aufbau von Know-how in der Planung, Ausführung und Interpretation von

Untergrundversuchen in verschiedenen Experimentierbereichen und

den Erwerb prakt i scher Erfahrung inder Entwi ck 1 ung, Erprobung und dem

Einsatz von Testapparaturen und Messverfahren.

Das Felslabor (FLG) wird durch die Nagra betrieben. Die verschiedenen Untersu

chu ngen werden auf gru nd eines deu tsch-sc hwe i zer ischen Zu sammenarbe i ts vertrages

durch die Nagra, die Bundesansta 1 t für Geowi ssenschaften und Rohstoffe

(BGR) und die Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung (GSF)

durchgeführt, beide gefördert vom Deutschen Bundesministerium für Forschung

und Technologie (BMFT).

Eine Uebersicht des FLG und die Zusammenfassungen der Untersuchungsprogramme

sind mit Status August 1985 im NTB 85-47 enthalten.

Der vorliegende Bericht wurde im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen den drei Partnern erstellt. Die Autoren

haben ihre eigenen Ansichten und Schlussfolgerungen dargelegt. Diese müssen nicht unbedingt mit denjenigen

der Nagra, BGR oder GSF übereinstimmen.


NAGRA NTB 88-06 - II -

AVANT-PROPOS

La connaissance de la roche d'accueil et des couches rocheuses avoisinantes

est dl importance fondamenta l e pour 11 é l aborat i on de concepts prévoyant le

stockage de déchets radioactifs dans des formations géologiques. Clest pour

cela que la Cédra exploite depuis mai 1984 le laboratoire souterrain du

Grimsel à 450 m de profondeur dans le cristallin du massif de l'Aar. Les

objectifs généraux des travaux menés dans ce complexe de galeries d'essais

comprennent notamment:

la constitution d'un savoir-faire dans la préparation, l'exécution et

l'interprétation d'essais souterrains dans divers domaines et

" acqu i s i t ion d' expér i en ce prat i que dans le déve loppement, 1 a mi se à

l'épreuve et l'engagement d'appareillages d'essais et de techniques de

mesure.

Le laboratoire souterrain est exploité par la Cédra. Les différentes recherches

sont réa li sées dans 1 e cadre dl un accord de co 11 aborat ion germanosu

i sse par la Cédra, 1 a "Bundesansta 1 t für Geowi ssenschaften und Rohstoffe"

(BGR) et la "Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung" (GSF), ces deux

dernières instances étant soutenues par le Ministère allemand pour la

recherche et la technologie (BMFT).

Un aperçu du laboratoire souterrain et un résumé des programmes de recherches

apparaissent dans le rapport NTB 85-47 d'août 1985.

Le présent rapport a été élaboré dans le cadre de la collaboration entre les trois partenaires. Les

auteurs ont présenté leurs vues et conclusions personnelles. Celles-ci ne doivent pas forcément correspondre

à celles de la Cédra, de la BGR et de la GSF.


NAGRA NTB 88-06 - III -

FOREWORD

Concepts which foresee the disposal of radioactive waste in geological forma

t i on slay great we i ght on acqu i ring know 1 edge of the proposed hos t rock

and the surrounding rock strata. For this reason, Nagra has, since May 1984,

been operating the Grimsel Test Site which is situated at a depth of 450 m

in the crystalline formation of the Aar Massif. The general objectives of

the research being carried out in this system of test tunnels include, in

particular

the build-up of know-how in planning, performing and interpreting underground

experiments in different scientific fields and

the aquisition of practical experience in developing, testing and applying

test equipment and measuring techniques.

The Test Site (GTS) is operated by Nagra. On the basis of a German-Swiss

cooperation agreement, the various experiments are carried out by Nagra, the

Federal Institute for Geoscience and Natural Resources (BGR) and the Research

Centre for Environmental Sciences (GSF); the latter two bodies are supported

in this venture by the German Federal Ministry for Research and Technology

(BMFT).

NTB 85-47 gives an overview of the GTS and a review of the status of the

investigation programme as at August 1985.

This report was produced in accordance with the cooperation agreement between the three partners mentioned

previously. The authors have presented their own opinions and conclusions, which do not necessarily coincide

with those of Nagra. BGR or GSF.


GRIMSEL-GEBIET GRIMSEL AREA

Bl ick nach Westen View looking West

Felslabor Test Site

2 Juchlistock 2 Juchlistock

3 Räterichsbodensee 3 Lake Raeterichsboden

4 Grimselsee 4 Lake Grimsel

5 Rhonetal 5 Rhone Valley


NAGRA NTB 88-06 - IX -

Zusammenfassung

In der Zeit vom Juli bis Oktober 1985 wurden im Auftrag der

NAGRA von der Westfälischen Berggewerkschaftskasse, Institut

für Geophysik (WBK-IGL), seismische Durchschallungsmessungen

im Felslabor Grimsel ausgeführt. Die durchstrahlten Felder

liegen zwischem dem Laborstollen Nord und den jeweils 150 m

langen, nahezu horizontalen Bohrungen BOUS 85.001, BOUS

85.002 und BOUS 85.003 sowie dem gleichen Teilstück des

Laborstollens Nord und der Erdoberfläche (Juchlistock).

Aus den Laufzeiten und Amplituden der Ersteinsätze der seismischen

Signale wurde die flächenhafte Verteilung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit

und der Amplitudendämpfung

errechnet und in Tomogrammen dargestellt.

Die Tomogramme der Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten lassen

gestörte und ungestörte Gesteinspartien erkennen. Die

bekannten grösseren Schwächezonen sind in den Tomogrammen

aufgelöst. Weitere, bisher geologisch nicht prognostizierte

Schwächezonen sind sichtbar.

Zwischen den Geschwindigkeitsprofilen aus Bohrlochlogs

(SONIC LOG) und den rechnerisch aus den Tomographie-Ergebnissen

ermittelten Profilen besteht eine ausserordentlich

geringe Abweichung von im Mittel etwa 1 %. Diese Uebereinstimmung

deutet auf eine hohe Zuverlässigkeit der tomographischen

Auswertung hin.

Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ist in den Messfeldern

von der Ausbreitungsrichtung abhängig. Die Richtung der

maximalen Geschwindigkeit ist 50° ± 5°, also etwa NO-SW. Ihr

Wert liegt ca. 1 % höher als der Mittelwert. Diese Richtungsabhängigkeit

(Anisotropie) wird auch an Bohrproben

beobachtet (BERKHEMER, 1987).

Die Tomogramme der Amplitudendämpfung zeigen noch deutliche

systematische Fehler durch messtechnische Einflüsse, lassen

aber auch grobe Unterscheidungen von gestörten und ungestörten

Gesteinspartien zu.

Der folgende Bericht umfasst die technische Dokumentation

des Versuchs und die numerische Auswertung. Eine umfassende

Darstellung der Planung, Ausführung und Wertung des Versuchs

sowie der Versuchsfelderstellung erfolgt in einem separaten

Bericht.


NAGRA NTB 88-06 - X -

Résumé

Pendant la période de ]U1n à octobre 1985 l'institut de géophysique

de la "Westfalische Berggewerkschaftskasse" (WBK-IGL)

a effectué une expérience sismique dans le laboratoire souterrain

du Grimsel en Suisse. Les zones de test sont si tuées

entre le tunnel du laboratoire et d'un côté un champ pratiquement

horizontal formé par les forages BOUS 85.001., BOUS

85.002 et BOUS 85.003 profonds de 150 m (champs 1 à 3), et

d'autre part un champ presque vertical allant à la surface du

Juchlistock (champ 4).

Les temps de transit et les amplitudes des ondes de compression

directes ont été utilisées pour calculer les tomogrammes.

Ces derniers contiennent la distribution bi-dimentionnelle des

vitesses et des atténuations sismiques.

Les tomogrammes de vitesses permettent la distinction entre

les masses rocheuses intactes et celles qui sont fracturées.

Certaines zones de pertubations (soit les zones de fracturation

induite) étaient déjà connues par des études de charactérisation

géologiques.

A proximités des forages les profils de vitesses dérivés des

diagraphies soniques correspondent très bien avec ceux déterminés

à partir des tomogrammes. La différence moyenne entre

les deux jeux de données est de 1%, ce qui confirme la validité

de l'inversion tomographique.

Avant leur inversion, les données ont du être corrigées pour

tenir compte de la distribution anisotropique des vitesses.

Les vitesses maximales sont dans la direction NE-SW (50 ° ±

5°). L'importance de cette anisotropie, qui fut aussi mesurée

sur des carottes du laboratoire (Berkhemer, 1987) est approximativement

de ± 1 %.

Les tomogrammes calculés à partir des amplitudes montrent les

effects d'erreurs systématiques du à des problèmes techniques

et ils ne permettent que la détection des zones fortement

fracturées.

Ce rapport contient la documentation technique relative à

l'expérience ainsi que l'inversion numérique des données. Une

présentation plus détaillée du schéma, de la complétion et de

l'évaluation de l'expérience ainsi que de la préparation des

opérations de terrain fera l'objet d'un rapport séparé.


NAGRA NTB 88-06 - XI -

Abstract

During the period of July to October 1985 the Institute of

Geophysics of the Westfalische Berggewerkschaftskasse (WBK­

IGL) conducted a seismic field experiment at Grimsel Test

Site in Switzerland. The areas of investigation are located

between the laboratory tunnel and the subhorizontal 150 m

long boreholes BOUS 85.001, BOUS 85.002 and BOUS 85.003

(field 1-3) and between the laboratory tunnel and the surface

on the Juchlistock (field 4).

Traveltimes and amplitude data from the direct p-waves were

used to calculate tomograms of the site, which contain the

2-dimensional distribution of seismic velocity respectively

attenuation.

Tomograms of velocities can be used to distinguish between

fractured and intact rock masses. Initially, part of the

disturbed zones (i.e. areas of induced fracturing) were

already known from geological characterization studies.

Velocity profiles calculated from sonic borehole measurements

agree extremly well with velocities determined from

tomograms in the vicinity of the boreholes. The average

discrepancy between the two independant data sets is 1 %,

which corroborates the reliability of tomographic inversion.

According to an anistropic velocity distribution of the rock

with maximum velocities in NE-SW direction (50° ± 5°), a

correction had to be applied to data prior to inversion. The

magnitude of this anisotropy, which was also demonstrated in

core samples in the laboratory (Berkhemer, 1987), is approximately

± 1 %.

Tomograms calculated for attenuation still show the effects

of systematic errors (technical problems). Only very pronounced

fracture zones can be detected from these tomograms.

The following report includes the technical documentation of

the experiment and the numerical inversion of the data. A

more detailed presentation of the layout, completion and

rating of the experiment as well as the field preperation

will be given in a separate report.


NAGRA NTB 88-06

INHALTSVERZEICHNIS

XII

Seismische

Durchschallungs - Tbmographie

Messungen im Felslabor Grimsel

VORWORT •••.•..•.•••.•••••••.••••.••.•••••••••.

AVm-r PROPOS • • . • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • •

FORE'tA1ORD ..••.•••••..••..•••..••.•••.•••••••.•••.••••••.••.••••••.

ZUSAMIVfiVlENFASSlJNG .••••••••••.•..•••.••••••....•.•.•.•.

REStJME •••••••

SUfJIrJlAR.Y • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • X I

INHALTSVERZEICHNIS •••••••••••••. XII

VERZEICHNIS DER ABBILDlJNGEN ..... XIV

1.

2.

3.

EINLEI'IUN'G ••••••••••..•.••.•.••..•.••••.•.•.•.•••••••••.•.•••••

SEISMISCHE DURCHSCHALLlJNGS - TOMOGRAPHIE ..•

2.1.

2.2.

2.3.

Beschreibung des Verfahrens ••.••.••••.•••••••.•••••••.•••

Geometrische Auflösung .•••.•••••••••.••••••••••••••••••••

Voruntersuchungen ..••••••.•.••••..•.•••••.•••.•••..•.••••

DURCHFÜHRlJNG DER FELDlJNTERSUCHlJNGEN ••••.•.•.•••••••.••••••••.•

3.1.

3.2.

Beschreibung der technischen Ausrüstung •••••••••••••••••

3.1.1. Meßgeräteeinsatz .••..••••..•.•••••.••••••..•••••

3.1.2.

3.1.3.

3.1.4.

3.1.5.

Meßapparatur SEAMEX 85 •••••••.•••.•••••.••••••••

Quellen •••..•.•••.•.•..•..•.....••.

3.1.3.1. Sparker •..•.•.••••••••••••.••••.•••••••

3.1.3.2. Boh r 1 ochhannne r • . • . . . • • • • • . • • . • • • . . • • • • •

3.1.3.3. Sprengungen Bohrloch - Bohrloch ••••••••

3.1.3.4. Handhannner im Laborstollen •••••••••••••

3.1.3.5. Sprengungen Oberfläche - Laborstollen ••

Aufnehm.e r ...•.•.••.•..•...•.•....••...•.•.•....•

3.1.4.1. Kurzbohrloch-Einzelsonde •••.•••.••..•••

3.1.4.2. Bohrloch-Sondenkette •••••.••••••••••••••

3.1.4.3. Zusätzliche Aufnehm.er für Feld 4 ...... .

Erfahrungen mit der Feldtechnik •.•••••••••••••••

Meßschema ••••••••••..•••••••••••.•••••••.•••••••.•••••••

3.2.1. Einteilung der Meßfelder •.•..•.•••••.•••.•••••••

I

II

III

IX

X

1

3

3

6

7

9

9

9

9

11

11

12

12

13

13

14

14

15

15

16

19

19


NAGRA NTB 88-06 - XIII -

3.2.2. Stationsnumerierung ...........................•. 19

3.2.3. Aufnehmerpositionen ............................ . 20

3.2.4. Schema einer Meßserie ....••..................... 21

3.2.5. Organisation der Meßserien ..................... . 22

3.2.6. Strahlschema der Felder ........................ . 23

3.2.7. Meßzeiten....................................... 23

3.3. Datenkontrolle und Qualitätssicherung ..........•........ 26

3.3.1. Einsatz des Feldrechners VAX 11;730 ............. 26

3.3.2. Übersicht über die Datenmenge ................... 27

3.3.3. Extraktion der Ersteinsätze ...........•......... 27

3.3.4. Korrekturen..................................... 28

3.3.5. Feldtomograrnme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . 29

4. DATENBEARBEITUNG IM RECHENZENTRUM DER WBK ..................... 30

4.1. Generelle Bearbeitungen und Darstellungen ...•........... 30

4.2. Laufzeitdaten. . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 31

4.2.1. Ablesungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . 31

4.2.2. Kontrollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . 32

4.2.3. Korrekturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.3.1.

4.2.3.2.

4.2.3.3.

Einfluß des Triggerzeitpunktes ....... . 34

Korrektur der Anisotropie .........•... 35

Korrekturen im Feld 4 ...............•. 39

4.2.4. Inversion der Laufzeitdaten ..•..............•... 39

4.2.4.1. Verwendetes Verfahren .........•....... 39

4.2.4.2. Beschreibung der Rechenparameter •..... 40

4.2.4.3. Darstellung der Tomograrnme ....•....... 41

4 . 3. .AInpl i tudenda ten. . . . . . • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . 44

5. DISKUSSION DER ERGEBNISSE .......................•............ 47

5.1. Besprechung der Tomograrnme .....................•....... 47

5.2. Strahlausdünnung im Feld 3 ...........................•. 50

5.3. Verifizierung der Tomograrnme .......................•... 52

5.4. Gegenüberstellung der endgültigen Tomograrnme .......... . 56

6. SCHLUSSFOLGERUNGEN UND EMPFEHLUNGEN ........................... 58

7 . ÜBERS I CHTEN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . • . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.1. Literaturverzeichnis ................................... 61

7.2. Liste der verwendeten Abkürzungen ...................... 64

7.3. Liste der verwendeten Einheiten .................•...... 65


NAGRA NTB 88-06 - XIV -

VERZEICHNIS DER ABBILI>1:H;EN

Abb. 1: Meßfeld untertageseismik (US) mit den drei Bohrungen, dem La­

borstollen und der Bohrlochkranzstrecke (BK).

Abb. 2: Prüfling (V 1 ) mit Anomalie (V 2 ) in einer Durchstrahlungseinrichtung

und die Laufzeitkurve zur dargestellten Strahlprojek­

tion.

Abb. 3: Schema der Strahlstückzuweisung bei der Inversionsrechnung mit

den Formeln für die iterative Verbesserung des Startmodells

Abb. 4: Laufzeiteffekt bei Durchstrahlung einer Schwächezone.

Innerhalb einer Projektion geradliniger Strahlen, die parallel

zur langgestreckten Schwächezone verlaufen, wird die größte

Laufzeitanomalien erzeugt. Innerhalb einer Projektion geradliniger

Strahlen, die die gleiche Schwächezone queren wird keine

Laufzeitanomalie erzeugt.

Abb. 5: Eingabemodell des Meßfeldes untertageseismik mit stark vereinfachter

Darstellung der Hauptstörunszonen.(Von NAGRA zur Verfü­

gung gestellt)

Abb. 6: Inversionsergebnis von synthetischen Daten aus dem Eingabemodell

(Abb. 5) für Feld 3, die von der gleichen Verteilung der Quellen

und Aufnehmer um das vereinfachte Modell ausgehen, wie bei der

Feldmessung.

Die Lamprophyrzone mit Richtung K2 kann nicht erkannt werden.

Abb. 7: wie Abb. 6, jedoch bei Durchstrahlung des Feldes von allen Seiten.

Die Lamprophyrzone mit Richtung K2 und die Überschneidun­

gen mit den Schwäche zonen Sla und Slb werden jetzt richtig

rekonstruiert.

Abb. 8: Schemazeichnung der Registrierapparatur SEAMEX 85 in der Grund­

version mit 2 Kanälen pro Aufnahmeeinheit (Remote Unit).


NAGRA NTB 88-06 -}N-

Abb. 9: Blockschaltbild der Registrierapparatur SEAMEX 85 mit 2 Kanälen

pro Aufnahmeeinheit (Remote Unit).

Abb. 10: Blockschaltbild der Variante SEAMEX 85 (NAGRA), die für die

tomographischen Messungen verwendet wurde, mit 12 Kanälen

(=6 Remote Units) pro Aufnahmeeinheit (Remote Module).

Abb. 11: Schema einer Kurzbohrloch-Einzelsonde (Packersonde).

Abb. 12: Einteilung der Meßfelder 1, 2 und 3 im Felslabor Grimsel.

Abb. 13: Überblick über die Lage des Feldes 4.

Abb. 14: Positionen der Aufnehmerkette im Bohrloch BOUS 85.003

Abb. 15: Meßschema für eine Kettenposition in BOUS 85.003 (Feld 2).

Abb. 16: Strahlschemata im Feld 1. Nur die Strahlen zu jeder vierten

Station sind dargestellt.

Abb. 17: Strahlschemata im Feld 2. Nur die Strahlen zu jeder vierten

Station sind dargestellt.

Abb. 18: Strahlschemata im Feld 3. Nur die Strahlen zu jeder

zweiten Station wurden dargestellt.

Abb. 19: Strahlschema des Meßfeldes 4 mit der vollständigen Strahl­

dichte.

Abb. 20: Feld-Seismogramm (Record 4529), Handhammerschlag an SHT-STAT

181, Bohrlochkette in BOUS 85.003 an Kettenposition 11 (Sonden

an REC-STAT 2,4,6,8,10,12) und weiteren 4 Referenz-Aufnehmern

im Laborstollen an REC-STAT 238. Kanal 34 enthält das Trigger­

signal. Die Digitalisierung beginnt 16.0 ms vor dem Zeitpunkt

des Hammerschlages.


NAGRA NTB 88-06 - XVI -

Abb. 21: Seismogrammsektion der bohrlochparallelen Komponente

aller Aufnehmerpositionen im Bohrloch BOUS 85.003 für eine

Quellposition (SHT-STAT 213) im Laborstollen. Die Ersteinsatzqualität

schwankt stark.

Abb. 22: Seismogrammsektion der auf den Quellpunkt weisenden Komponente

(Rotation im Rechner) aller Aufnehmerpositionen im Bohrloch

BOUS 85.003 für eine Quellposition (SHT-STAT 213) im Labor­

stollen. Die Ersteinsatzqualität ist nach der Rotation gleich­

bleibend gut.

Abb. 23: Laufzeitkurvenschar für den Handhammer im Laborstollen und

Aufnehmer in BOUS 85.003 im Feld 2

links: vor der Korrektur von Laufzeitfehlern.

rechts: nach der Korrektur von Laufzeitfehlern.

Abb. 24: Laufzeitkurvenschar für den Handhammer im Laborstollen und

Aufnehmer in BOUS 85.002 im Feld 2

links: vor der Korrektur von Laufzeitfehlern.

rechts: nach der Korrektur von Laufzeitfehlern.

Abb. 25: Laufzeitkurvenschar für den Bohrlochhammer in BOUS 85.002 auf

Aufnehmer in BOUS 85.003 im Feld 2:

oben: vor der Korrektur von Laufzeitfehlern.

unten: nach der Korrektur von Laufzeitfehlern.

Abb. 26: Laufzeitkurve für einen Quellpunkt am Bohrlochmund der Bohrung

BOUS 85.002 und alle Aufnehmer in dieser Bohrung. Diese Kurve

wird zur Kontrolle der absoluten Laufzeit verwendet.


NAGRA NTB 88-06 - XVII -

Abb. 27: Skizze der Grenze zweier Strahlfächer, an der Strahlen ver­

schiedener Quellen unmittelbar aneinanderstoßen.

Abb. 28: Laufzeitkurven für die zwei unmittelbar aneinanderstoßenden

Strahlfächer (Abb.27), die zur Korrektur relativer Laufzeitabweichungen

verschiedener Quellen verwendet wurden.

1. Strahlbündel von Aufnehmerstation 117 in BOUS 85.002 zu

allen Handhammerpunkten im Laborstollen.

2. Strahlbündel vom Bohrlochhammer-Quellpunkt 117 in BOUS

85.002 auf die Aufnehmer in BOUS 85.001

Abb. 29: Strahlgeschwindigkeiten von allen Quellpunkten zu allen Aufneh­

merpunkten im Feld 1 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel.

Abb. 30: Strahlgeschwindigkeiten von allen Quellpunkten zu allen Aufneh­

merpunkten im Feld 2 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel.

Abb. 31: Strahlgeschwindigkeiten von allen Quellpunkten zu allen Aufneh­

merpunkten im Feld 3 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel.

Abb. 32: Aus Modelldaten berechnete Strahlgeschwindigkeiten für ungebeugte

Strahlen von allen Quellpunkten zu allen Aufnehmerpunkten

im Feld 2 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel.

Abb. 33: Wie Abb. 32 jedoch unter Berücksichtigung der Strahlbeugung.

Die Punktgruppe der ungestörten Strahlen mit einer Geschwindig­

keit von 5300m/s ist links oben im Bild angeordnet. Aus der

Kurvenform der vergleichbaren Punktgruppen in den beobachteten

Daten wurde die Anisotropie-Korrektur so bestimmt, daß die

Gruppe nach der Korrektur im Mittel auf einer Geraden angeord­

net ist.


NAGRA NTB 88-06 - XVIII -

Abb. 34: Strahlgeschwindigkeiten von allen Quellpunkten zu allen Aufneh­

merpunkten im Feld 1 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel in Po­

larkoordinaten. Der Abstand vom Kreismittelpunkt stellt die

Strahlgeschwindigkeit dar. Die Anisotropie ist nicht rein el­

liptisch.

Abb. 35: Strahlgeschwindigkeiten von allen Quellpunkten zu allen Aufnehmerpunkten

im Feld 1 in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel in Po­

larkoordinaten nach der Anisotropiekorrektur. Die elliptische

Abhängigkeit der Geschwindigkeit vom Winkel ist korrigiert. Es

verbleiben Abweichungen von der Kreisform, die durch Geschwin­

digkeitsanomalien im Meßfeld erzeugt werden.

Abb. 36: Vorläufiges Feldtomogramm von Feld 1 nach Abschluß der Messung

mit einem Nord-Süd orientierten Gitternetz und der ersten Bohrlochlagevermessung

von SOLEXPERTS. Dunkle Graustufen kennzeich­

nen niedrige Geschwindigkeiten und damit gestörte Gesteinspartien.

Die 17 Graustufen sind gleichabständig auf den Be­

reich zwischen den extremen Geschwindigkeiten von 4958 - 5163

mVs verteilt. Die Geschwindigkeiten sind noch zu hoch und wei­

sen eine geringe Variation auf. Hohe Geschwindigkeiten sind

links und niedrige Geschwindigkeiten rechts angeordnet.

Abb. 37: Vorläufiges Tomogramm vom Feld 1 nach Abschluß der ersten Kor­

rekturphase im März 1986 und der Geometrie wie in Abb. 36. Die

17 Graustufen sind gleichabständig auf den Bereich zwischen den

extremen Geschwindigkeiten von 4852 bis 5544 mVs verteilt. Die

Geschwindigkeiten sind recht gut reproduziert. Hohe Geschwin­

digkeiten sind weiterhin links und niedrige Geschwindigkeiten

rechts angeordnet.

Abb. 38: Vorläufiges Tomogramm vom Feld 1. Datenbearbeitung Stand März

1986 nach Anbringen der gemeinsamen Anisotropiekorrektur mit

der endgültigen Bohrlochlagevermessung durch SOLEXPERTS vom

November 1986. Das Gitternetz wurde auf WUnsch der NAGRA wieder

bohrlochparallel orientiert.


NAGRA NTB 88-06 - XIX -

Abb. 39: Tomogramm vom Feld 1 nach Abschluß der letzten Kontrollen und

Anbringen der gemeinsamen Anisotropie-Korrektur, unter Verwen­

dung der endgültigen Bohrlochgeometrie vom November 1986. Die

17 Graustufen sind auf den Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5400

m/s verteilt (Normaldarstellung).

Abb. 40: Tomogramm vom Feld 1 (Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5220 m/s).

Durch diese Verteilung werden die Gesteinspartien niedriger

Geschwindigkeit leicht hervorgehoben und verbessert aufgelöst.

Abb. 41: Tomogramm vom Feld 1 (Geschwindigkeitsbereich 4800-5150 m/s).

Durch diese Verteilung werden die Gesteinspartien niedriger Geschwindigkeit

hervorgehoben und verbessert aufgelöst.

Abb. 42: Tomogramm vom Feld 1 (Geschwindigkeitsbereich 4950 - 5150 m/s).

Durch diese Verteilung wird eine verbesserte Auflösung der

Übergänge von hohen zu niedrigen Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 43: Tomogramm vom Feld 1 (Geschwindigkeitsbereich 5100 - 5400 m/s).

Durch diese Verteilung wird eine verbesserte Auflösung der

Gesteinspartien höherer Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 44: Tomogramm vom Feld 1 (Geschwindigkeitsbereich 5200 - 5400 m/s).

Durch diese Verteilung wird eine verbesserte Auflösung der

Gesteinspartien hoher Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 45: Tomogramm vom Feld 1 Geschwindigkeiten unterhalb 5050 m/s wer­

den schwarz und oberhalb weiß dargestellt. Unter der Annahme,

daß die Geschwindigkeit 5050 m/s die Grenze zwischen gestörten

und ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die ge­

störten Gesteinsbereiche schwarz und die ungestörten weiß.


NAGRA NTB 88-06 - XXI -

Abb. 53: Tomogramm vom Feld 2 Geschwindigkeiten unterhalb 5050 mvs sind

schwarz und oberhalb weiß dargestellt. Unter der Annahme, daß

die Geschwindigkeit 5050 mls die Grenze zwischen gestörten und

ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die gestörten

Gesteinsbereiche schwarz und die ungestörten weiß.

Abb. 54: Tomogramm vom Feld 2 Geschwindigkeiten unterhalb 5150 mls sind

schwarz und oberhalb weiß dargestellt. Unter der Annahme, daß

die Geschwindigkeit 5150 mvs die Grenze zwischen gestörten und

ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die gestörten

Gesteinsbereiche schwarz und die ungestörten weiß.

Abb. 55: Tomogramm vom Feld 2 in der Graustufen-Normaldarstellung nach

Abschluß aller Kontrollen und Korrekturen. Die Geschwindigkei­

ten der beiden Nachbarelemente entlang der Bohrungen BOUS

85.002 und 003 wurden mit den Geschwindigkeiten der integrier­

ten Sonic-Kurven besetzt und während der Inversionsrechnung

nicht verändert.

Abb. 56: Tomogramm vom Feld 3 nach Abschluß aller Kontrollen und Korrek­

turen. 17 Geschwindigkeitsintervalle sind mit Graustufen dargestellt.

Dunkle Graustufen kennzeichnen niedrige Geschwindig­

keiten und damit gestörte Gesteinspartien. Die 17 Graustufen

sind auf den Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5400 mvs verteilt

(Normaldarstellung).

Abb. 57: Tomogramm vom Feld 3 (Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5220 m/s).

Durch diese Verteilung werden die Gesteinspartien niedriger

Geschwindigkeiten hervorgehoben und verbessert aufgelöst.

Abb. 58: Tomogramm vom Feld 3 (Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5150 mvs).

Durch diese Verteilung werden die Gesteinspartien niedriger

Geschwindigkeiten hervorgehoben und verbessert aufgelöst.


NAGRA NTB 88-06 - XXII -

Abb. 59: Tomogramm vom Feld 3 (Geschwindigkeitsbereich 4950 - 5150 mVs).

Durch diese Verteilung wird eine verbesserte Auflösung der

Übergangsbereiche von hohen zu niedrigen Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 60: Tomogramm vom Feld 3 (Geschwindigkeitsbereich 5100 - 5400 mvs).

Durch diese Verteilung wird eine verbesserte Auflösung der

Gesteinspartien höherer Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 61: Tomogramm vom Feld 3 (Geschwindigkeitsbereich 5200 - 5400 mvs).

Hierdurch wird eine verbesserte Auflösung der Gesteinspartien

hoher Geschwindigkeiten erreicht.

Abb. 62: Tomogramm vom Feld 3 Geschwindigkeiten unterhalb 5050 mvs sind

schwarz und oberhalb weiß dargestellt. Unter der Annahme, daß

die Geschwindigkeit 5050 mvs die Grenze zwischen gestörten und

ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die gestörten

Gesteinsbereiche schwarz und die ungestörten weiß.

Abb. 63: Tomogramm vom Feld 3 Geschwindigkeiten unterhalb 5150 mvs sind

schwarz und oberhalb weiß dargestellt. Unter der Annahme, daß

die Geschwindigkeit 5150 mvs die Grenze zwischen gestörten und

ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die gestörten

Gesteinsbereiche schwarz und die ungestörten weiß.

Abb. 64: Tomogramm vom Feld 4 nach Abschluß aller Kontrollen und Korrekturen.

17 Geschwindigkeitsintervalle sind mit Graustufen dar­

gestellt. Dunkle Graustufen kennzeichnen niedrige Geschwindigkeiten

und damit gestörte Gesteinspartien. Die 17 Graustufen

sind auf den Geschwindigkeitsbereich 4800 - 5400 mvs verteilt

(Normaldarstellung).


NAGRA NTB 88-06 - XXIII -

Abb. 65: Tomogramm vom Feld 1 und Feld 2 ineinander montiert nach Ab­

schluß aller Kontrollen und Korrekturen. 8 Geschwindigkeitsin­

tervalle sind durch Isolinien getrennt und mit Graustufen­

schraffur dargestellt. Dunkle Graustufen kennzeichnen niedrige

Geschwindigkeiten und damit gestörte Gesteinspartien.

Abb. 66: Tomogramm vom Feld 3 in 8-Stufen Isoliniendarstellung

Abb. 67: Tomogramm vom Feld 4 in 8-Stufen Isoliniendarstellung

Abb. 68: Tomogramm vom Feld 1 und Feld 2 ineinander montiert in farbiger

Isoliniendarstellung. 13 Geschwindigkeitsintervalle sind durch

Isolinien getrennt und mit Farbstufen dargestellt. Gestörte

Gesteinsbereiche sind rot bis gelb gekennzeichnet. Ungestörte

Gesteinsbereiche sind blau bis grün gekennzeichnet.

Abb. 69: Tomogramm vom Feld 3 in farbiger Isoliniendarstellung.

(sonst wie Abb. 68)

Abb. 70: Tomogramm vom Feld 4 in farbiger Isoliniendarstellung.

(sonst wie Abb. 68)

Abb. 71: Tomogramm vom Feld 3. Nach rechnerischer Simulation einer reduzierten

Strahlendichte. Der simulierte Stationsabstand in den

Bohrungen beträgt 10m und im Laborstollen 5m. (Geschwindigkeits­

bereich 4800 - 5400 m/s = Normaldarstellung). Vergleiche Abb.

56 für volle Strahldichte.

Abb. 72: Tomogramm vom Feld 3. Nach rechnerischer Simulation einer re­

duzierten Strahlendichte. Der simulierte Stationsabstand be­

trägt 10m in den Bohrungen und im Laborstollen. (Geschwin­

digkeitsbereich 4800 - 5400 m/s = Normaldarstellung). Verglei­

che Abb. 56 für volle Strahldichte.


NAGRA NTB 88-06 - XXIV -

Abb. 73: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.001

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 1

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 1

nach Anisotropiekorrektur

Abb. 74: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.001

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 3

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 3

nach Anisotropiekorrektur

Abb. 75: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.002

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 1

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 1

nach Anisotropiekorrektur

Abb. 76: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.002

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 2

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 2

nach Anisotropiekorrektur

Abb. 77: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.003

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 2

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 2

nach Anisotropiekorrektur


NAGRA NTB 88-06 - xxv -

Abb. 78: Geschwindigkeitsprofile für BOUS 85.003

dünne Kurve geglättetes SONIC-LOG (kalibriert)

gestrichelte Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 3

ohne Anisotropiekorrektur

fette Kurve Profil aus Tomogramm des Feldes 3

nach Anisotropiekorrektur

Abb. 79: Darstellung der korrigierten Amplituden als Funktion der Auf­

nehmerpositionsnummern in BOUS 85.001 und BOUS 85.002 für alle

Quellpunkte des Feldes 1.

Abb. 80: Darstellung der korrigierten Amplituden als Funktion der Auf­

nehmerpositionsnummern in BOUS 85.002 und BOUS 85.003 für alle

Quellpunkte des Feldes 2Q

Abb. 81: Darstellung der korrigierten Amplituden als Funktion der Auf­

nehmerpositionsnummern in BOUS 85.001 und BOUS 85.003 für alle

Quellpunkte des Feldes 3. Die Lücke im Datensatz zwischen Auf­

nehmer Position 61 und 120 ist dadurch verursacht, daß bei der

Messung für das Feld 3 im Bohrloch BOUS 85.002 weder Aufnehmer

noch Quellpunkte untergebracht waren.

Abb. 82: Tomogramm der Amplitudendaten im Feld 1.

Starke Amplitudendämpfung (dunkle Graustufen) wird entlang des

Laborstollens beobachtet. Eine schwache Andeutung der Schwächezone

Slb wird überlagert durch einen deutlich ausgeprägten

Trichter zwischen den Bohrlochenden.

Abb. 83: Tomogramm der Amplitudendaten im Feld 2.

Starke Amplitudendämpfung (dunkle Graustufen) wird entlang des

Laborstollens beobachtet. Eine schwache Andeutung der Schwächezone

Sla als dunkler Streifen wird begleitet von parallelen

Streifen zwischen Bohrloch-Kranz-Strecke und Bohrloch BOUS

85.003 ähnlich wie bei den Zeitdaten. Die Tomogramme des Feldes

1 und 2 passen bemerkenswert gut aneinander. Es ist ein deut­

lich ausgeprägter Trichter zwischen den Bohrlochenden vorhanden.


NAGRA NTB 88-06 - XXVI -

Abb. 84: Tomogramm der Amplitudendaten im Feld 3.

Starke Amplitudendämpfung (dunkle Graustufen) wird entlang des

Laborstollens beobachtet. Die schwäche zone Sla ist nicht zu

erkennen. Die starke Streifigkeit von links unten nach rechts

oben steht im Gegensatz zu den Ergebnissen der Laufzeitinversion.

Abb. 85: Strahlen im Feld 2, die nicht in die Inversionsrechnung einge­

gangen sind (7 %). Gründe für das Fehlen dieser Daten sind:

a) Meßpunkte durch Quellen oder Aufnehmer nicht erreichbar oder

wegen zu starken Ausbruchs nicht besetzt.

b) Laufzeitablesung nicht sicher genug (besser kein Wert als

ein falscher!).

c) Strahlen im Bereich der BK-Strecke eliminiert, um diese

nicht im Tomogramm abzubilden.

d) Datenübertragung SEAMEX 85 -- VAX 11/730 gestört


NAGRA NTB 88-06 - 1 -

1. EINLEITUNG

Mit Vertrag vom 26.06.1985 beauftragte die Nationale Genossenschaft für

die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA) die Westfälische Berggewerkschaftskasse,

Institut für Geophysik (WBK-IGL) zur Durchführung von seismischen

Durchschallungsmessungen zwischen den drei Bohrungen BOUS 85.001

bis 85.003 und dem Laborstollen im Felslabor Grimsel (FLG). Diese drei

Bohrungen fallen vom Laborstollen aus unter 15 0 abwärts in Azimut­

Richtung 290 0 ein. Sie unterteilen die Basisstrecke im Laborstollen von

216 m Länge im Verhältnis 71 m zu 145 m (Abb. 1).

Das Ziel der hier angewendeten Tomographie ist es, ein flächenhaftes

Abbild von der Verteilung der Kompressions-Wellengeschwindigkeit und der

Amplitudendämpfung und damit indirekt ein Abbild von der Verteilung gewisser

Materialeigenschaften auf Schnitten durch ein Volumen abzuleiten,

in das man zur Probennahme nicht eindringen kann oder will.

Ein Untersuchungsbereich wird dabei aus allen Richtungen möglichst

gleichmäßig durchstrahlt. Für den Weg durch das Medium benötigen die

Wellen z.B. eine Laufzeit, die, außer von der vorgegebenen Entfernung,

von der Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle im Medium abhängt. Diese

Geschwindigkeit ist von den Eigenschaften (Zusammensetzung, Struktur,

Auflockerung) des Gesteins abhängig.

Mit den seismischen Durchschallungsmessungen und ihrer tomographischen

Auswertung sollte eine neue geophysikalische Feld- und Inversionstechnik

auf ihre Eignung und ihre Aussagefähigkeit für die Beurteilung der Gesteinsqualität

untersucht werden.

Tomographische Durchschallungsverfahren werden in der Geophysik in den

letzten Jahren vermehrt eingesetzt. Sie bauen auf Entwicklungen in der

Medizin und der zerstörungsfreien Materialprüfung auf (Röntgen- und

Gamma-Strahlung, Ultraschall).

Das WBK-Institut für Geophysik hatte neben hochfrequenten reflexionsseismischen

Anwendungen sowie Flözwellenmessungen schon erfolgreich eine Reihe

tomographischer Einsätze in deutschen Bergwerken durchgeführt und war

damit einer der wenigen erfahreneren Anwender der seismischen Tomographie

in Deutschland. Ziele dieser tomographischen Messungen waren Hohl-


NAGRA NTB 88-06 - 2 -

räume, Schwächezonen und Erzgänge. Dabei waren als Quellen Sprengladun­

gen zwischen 10 g und 180 g verwendet worden. Die Anforderung, keine

Spuren der seismischen Energieanregung in den Bohrungen zu hinterlassen,

verlangte neue Anregungstechniken. Sie kann nur durch viele schwache

Einzelanregungen erfüllt werden, deren Signale an den Aufnehmern aufad­

diert (gestapelt) werden müssen. Erfahrungen darüber, wie stark eine

Einzelanregung sein durfte, ohne Spuren an der Bohrlochwand zu hinter­

lassen, lagen, für Anwendungen im Granit, weder bei der NAGRA noch beim

WBK-Institut für Geophysik vor. Es mußten für diesen Auftrag daher

relativ schwache, repetierende Quellen neu gebaut bzw. für den Einsatz

im Bohrloch modifiziert werden. Wegen der zu erwartenden geringen seis­

mischen Energie wurden besondere Anforderungen an die digitale Meßappa­

ratur und die seismischen Aufnehmer gestellt. Hier konnten aufgrund der

langjährigen Erfahrungen unseres Instituts mit der sehr hochauflösenden

Untertageseismik auf eine besonders geeignete digitale Meßapparatur und

hochempfindliche Präzisisonsaufnehmer zurückgegriffen werden.

Das geplante Experiment überstieg in der Datenmenge und Datendichte alle

bisher von der WBK durchgeführten Messungen um etwa zwei Größenordnun­

gen. Datenhandling, Darstellung und Inversion mußten noch vor der Mes­

sung darauf angepaßt werden. Auf WUnsch der NAGRA sollte zudem ein Rech­

ner am Meßort aufgestellt werden, um möglichst schon im Feld Tomogramme

zu erzeugen. Bisher hatte das WBK-Institut für Geophysik die seismische

Datenbearbeitung nur im Rechenzentrum durchgeführt. Mit abgemagerter

seismischer Software zur Datenübernahme, Kontrolle und Darstellung sowie

zur tomographischen Inversion wurde ein kleiner Multi-User Rechner zur

Verwendung am Meßort ausgestattet.

Tomographische Messungen und ihre Auswertung gehören international bis­

her nicht zum seismischen Standardangebot, sie sind daher mehr oder we­

niger auf den Meßfal1 angepaßt und werden entsprechend individuell aus­

gewertet. Dieser Meßauftrag enthält daher zur Zeit noch Entwicklungsauf­

gaben.


NAGRA NTB 88-06 - 4 -

der anomale Flächenbereich frei von Strahlen. Allein dadurch kann der

anomale Bereich bereits sichtbar gemacht werden.

Die Laufzeit jedes Strahls von der Quelle zum Aufnehmer ist im infini­

tesimalen Fall das Integral der Slowness (reziproke Geschwindigkeit)

über den Laufweg. Im diskreten Fall, bei dem die Meßfläche in Gitterele­

mente eingeteilt wird, ist die Laufzeit die Summe über das Produkt aus

der in den Bildelementen konstant angenommenen Slowness und der Länge

der dazugehörigen Strahlstücke. Bei der Inversionsrechnung wird diese

von Element zu Element veränderliche Slowness entlang der Strahlstücke

aus der Gesamtsumme (Strahllaufzeit) rückgerechnet.

Jeder Strahl, der das gleiche Bild- oder Gitterelement quert, enthält

dadurch, daß er einen anderen Weg gelaufen ist, eine andere mittlere

Strahlgeschwindigkeit. In der mittleren Strahllaufzeit ist auch die

Laufzeit durch das gemeinsame Gitterelement enthalten und wegen der bekannten

Strahlstücklänge auch die Information über die Elementgeschwindigkeit.

Eine Inversionsrechnung weist nun allen Gitterelementen einen Geschwindigkeitswert

zu. In der Praxis werden entweder einfache Verfahren eingesetzt,

die nur den Mittelwert der Geschwindigkeiten aller Strahlen,

die ein Gitterelement queren, als Elementgeschwindigkeit bestimmen (Back

Projection,BP), oder es werden strahlweise iterative Rechnungen verwen­

det (Algebraic Reconstruction Technique,ART; Simultaneous Iterative Reconstruction

Technique,SIRT), die ein Modell vorgeben und aus den Differenzen

der Vergleichsgröße (z.B. Strahllaufzeit) aus Beobachtung und

Modellrechnung Verbesserungen bestimmen, die dann schrittweise zur Anpassung

von Beobachtung und Modell führen. Zum Teil werden auch Matrixinversionen

eingesetzt, um die Laufzeit und Weginformation aller Strahlen

zusammen und in einem Inversionsschritt zu einzelnen Elementgeschwindigkeiten

umzurechnen. Diese direkten aber auch die iterativen

Matrix-Inversions-Verfahren sind sehr empfindlich auf Störinformationen

und bedürfen der Dämpfung bzw. einer Tomogramm-Filterung zwischen den

Iterationen. Die direkten Inversionsverfahren sind zudem sehr rechenaufwendig.

Es gibt eine Vielzahl von Veröffentlichungen in der medizinischen Literatur,

die weitere unterschiedliche Verfahren beschreiben. Einige Veröffentlichungen

aus dem Anwendungsgebiet der Geophysik sind im Literatur-


NAGRA NTB 88-06 - 5 -

verzeichnis angegeben.

In der Praxis haben sich die iterativen Inversions-Verfahren wegen ihrer

einfacheren Handhabung mit Rechnern durchgesetzt. Meist werden in der

Geophysik die Algebraic Reconstruction Technique (ART) und die Simulta­

neous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) verwendet. Die SIRT­

Methode gilt als ein besonders robustes Verfahren, bei dem die gering­

sten Verzerrungen entstehen. Dieses Verfahren wird von uns angewendet.

Gemeinsam ist allen Verfahren das Aufstellen eines Gleichungssystems, in

dem die Meßgröße für jeden Strahl von der Quelle zum Aufnehmer, (z.B.

die Laufzeit), beim geradlinigen Durchqueren der einzelnen Gitterele­

mente in Teillaufzeiten zerlegt werden kann (Abb. 3).

Beim ART oder SIRT Verfahren löst man die Gleichungssystem zeilenweise

d.h. die Gleichungen einzeln also strahlweise. Dabei gibt man sich ein

Modell der Geschwindigkeitsverteilung im durchstrahlten Bereich vor; so

kann man die Laufzeit von der Quelle zum Aufnehmer errechnen als Summe

der Teillaufzeiten durch die Gitterelemente.

T I ( k) = k -te Summe (S. . * X. .)

ca c 1,J 1,J

Wobei T calc die berechnete Laufzeit ist, S die Modellslowness oder reziproke

Geschwindigkeit und X der Strahlweg. Der Index k kennzeichnet

die Strahl-Nummer, i und j indizieren die Gitterelemente.

Die berechnete Laufzeit T calc wird verglichen mit der beobachteten Lauf­

zeit T meas . Die Differenz der beiden Werte (Laufzeitfehler) wird ver­

wendet, um Verbesserungen C für die Modellslowness zu ermitteln,

T meas (k) = k-te Summe (( S . . + C. .) * X. .)

1,J 1,J 1,J

so daß die Differenz zwischen Beobachtung und Rechnung verschwindet.

Da die Lösungsmöglichkeit für die gesuchten Größen C. . aus einer Glei-

1,J

chung vielfältig ist, muß noch eine Bedingung für die Berechnung der

Verbesserung pro Element vorgegeben werden.

Bei der Vorgabe dieser Bedingung unterscheiden sich die Autoren. Wir

errechnen die Slownessverbesserung pro Strahl und Gitterelement in An­

lehnung an DINES & LYTLE (1979), so daß

k-tes C. .

1,J


NAGRA NTB 88-06 - 6 -

Diese Art gewichtet die Verbesserung so, daß die Summe der Slownesskor­

rekturquadrate pro Strahl ein Minimum wird. Diese Methode führt zu einer

relativ schnellen Konvergenz nach ca. 10 bis 20 Iterationen.

Wichtet man abhängig von der Strahlstücklänge im Element so erhält

man eine Korrektur:

2

k -te se. . = (T - Tl) * X. . / (Summe X. .)

1,J meas ca c 1,J 1,J

Diese Art führt zu einer etwa um den Faktor 10 langsameren Konvergenz.

Diese Erkenntnis können wir nach Erfahrungen mit beiden von uns pro­

grammierten Wichtungen durch Rechnungen mit synthetischen fehlerfreien

und fehlerbehafteten Daten sowie Rechnungen mit modellseisrnischen Daten

(KRAJEWSKI 1987) bestätigen. Bei fehlerbehafteten Daten führt eine zu

hohe Anzahl von Iterationen zu einem Modell, das sich in Richtung auf

ein Schachbrettmuster entwickelt. Die Abweichung zwischen gerechneter

und beobachteter Laufzeit wird dabei tr.otzdem immer geringer. Das Ver­

ringern der Summe der Residuenquadrate (RMS) nach jeder Iteration ist

zwar eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für die Konver­

genz gegen das richtige Modell. Die Beurteilung der Qualität eines In­

versionsergebnisses aus der Größe der Abweichung zwischen Rechnung und

Beobachtung ist also nur bedingt möglich.

Beim SIRT Verfahren werden die Verbesserungen für jedes Element aus je­

dem Strahl zunächst berechnet und gespeichert. Nach Bearbeitung aller

Strahlen wird der Mittelwert der Verbesserungen aller Strahlen für das

betreffende Element angewendet.

Die Größe der Gitterelemente sollte dabei so gewählt werden, daß einer­

seits jedes Element von genügend vielen Strahlen berührt wird, anderer­

seits eine genügend hohe Auflösung der rekonstruierten Werteverteilung

entsteht. Bei einem gleichabständig umstellten Meßfeld kann als Anhalts­

wert für die Größe der Gitterelemente der Stationsabstand dienen.

2.2. Geometrische Auflösung

Im Felslabor Grimsel existieren nach geologischen Interpratationen meh­

rere langgestreckte Schwächezonen mit erniedrigter seismischer Gesteins­

geschwindigkeit. Zum Verständnis der Inversionsergebnisse müssen ei­

nige Vorbemerkungen zur tomographischen Erkennung und Auflösung dieser


NAGRA NTB 88-06 - 7 -

Schwäche zonen gemacht werden.

Liegen Quelle und Aufnehmer innerhalb der gleichen Schwächezone, so

verläuft ein geradliniger strahl vollständig in der Schwächezone und

eine große Laufzeitverzögerung wird gegenüber einem gleichlangen strahl

beobachtet, der im ungestörten Gestein verläuft (Abb. 4). Eine idealisierte

Laufzeitkurve ist unten in der Abbildung eingeblendet.

Den geringsten Laufzeiteffekt durch eine Schwächezone erfährt ein

Strahl, der diese Zone im rechten Winkel quert. In Abb. 4 rechts wird

auf allen Aufnehmern die gleiche Laufzeitverzögerung beobachtet. Diese

Laufzeitverzögerung ist unabhängig von der Entfernung der Schwächezone

zu einer der Seiten. Das bedeutet aber, daß diese Art der Meßgeometrie

völlig unempfindlich ist für die Lage der Schwächezone zwischen den Bohrungen,

solange diese die Bohrungen nicht schneidet. Damit ergibt sich

bei einer eingeschränkt umstellten Fläche eine asymmetrische Auflösung

für lineare Strukturen, je nach ihrer Lage und Richtung.

Dieser Effekt wird deutlich im Fall der in K2-Richtung verlaufenden

Störungzone (Abb. 5), die in dem hier gezeigten Modellfall praktisch

parallel zu den Bohrungen verläuft und daher mit der geplanten Meßgeometrie

nur unzureichend geortet werden kann.

2.3. voruntersuchungen

Zur Vorbereitung der Seismischen Durchschallungs-Tomographie hatte das

WBK-Institut für Geophysik im Herbst 1984 den Auftrag zur Durchführung

von Modellrechnungen und Testmessungen im Felslabor Grimsel erhalten.

Mit den Modellrechnungen wurden die Erfolgsaussichten einer Durchschallungstomographie

untersucht, bei der ein Geschwindigkeitsmodell sowie

die Meßgeometrie und Laufzeitfehler vorgegeben wurden. Grundlage für

die Modellrechnungen bildete ein vorläufiges geologisches Modell (Abb.

5), das von der NAGRA zur Verfügung gestellt worden war. Eine der angenommenen

Störungen, die Lamprophyrzone mit K2-Richtung verläuft demnach

nahezu parallel zu den Bohrungen. Durchstrahlt man das Feld von den drei

zugänglichen Seiten, so wird diese Störung im Tomogramm (Abb. 6), das

aus theoretischen Daten des Modells in Abb. 5 ermittelt wurde, nicht

sichtbar. Die hellen Streifen stellen in diesem Tomogramm die Schwäche-


NAGRA NTB 88-06 - 8 -

zonen erniedrigter Geschwindigkeit dar. Die dunklen Bereiche bilden das

ungestörte Gestein ab.

Könnte man das Meßfeld dagegen von allen 4 Seiten umstellen, so würde

die schwächezone mit 10 % Geschwindigkeitsreduktion vollständig und

lagerichtig sichtbar und die Geschwindigkeitsreduktionen um 20% in den

Überschneidungsbereichen mit den Schwächezonen Sla und Slb richtig er­

rechnet (Abb. 7). Diese vollständige Feldumstellung ist im Fall des hier

beschriebenen Feldexperiments nicht möglich gewesen. Das Ergebnis des

Feldexperiments wird also, sofern die geologische Prognose zutrifft, die

Störungen in K2-Richtung nur teilweise abbilden.

Zur zeit existieren auf dem internationalen Markt noch keine bewährten

käuflichen Spezialgeräte (Meßeinrichtung, Quellen, Aufnehmer) speziell

für die Durchschallungstomographie zwischen Bohrungen. Alle bisherigen

Anwender benutzen eigene dem Problem mehr oder weniger gut angepaßte

Gerätezusammenstellungen oder Eigenentwicklungen. Als erfahrener Anwen­

der seismischer Verfahren, der immer wieder den Markt nach optimalen

Geräten für hochauflösende Seismik beobachtet, verfügte das WBK-Institut

für Geophysik über die Palette der prinzipiell in Frage kommenden Geräte.

Bei einem Vortest im Herbst 1984 wurden daher im Felslabor die Eignung

der verschiedenartigen repetierenden seismischen Quellen (Sparker, Wa­

tergun, Hammer) für den Einsatz zwischen Bohrungen über eine Mindest­

entfernung von 200 m untersucht. Zusätzlich wurden unterschiedliche

seismische Aufnehmer bezüglich ihrer Empfindlichkeit, ihrem Frequenz­

verhalten und ihrer Dynamik untersucht.

Basierend auf den Resultaten der Testmessungen wurden von den getesteten

Geräten diejenigen ausgewählt, die den Anforderungen an Energieabstrah­

lung, Zeitpräzision, Dynamik, Frequenztreue und Empfindlichkeit entspra­

chen. Sie werden im folgenden Kapitel vorgestellt.


NAGRA NTB 88-06 - 10 -

einer Zentraleinheit und mehreren Aufnahmeeinheiten bestehen. Die von

einem seismischen Aufnehmer kommenden seismischen Signale werden in den

Aufnahmeeinheiten für jeden Datenpunkt variabel verstärkt (IFP), ana­

log/digital gewandelt und zwischengespeichert. Die Zentraleinheit steu­

ert den Ablauf, stellt die Daten auf einem Sichtgerät dar und sichert

sie auf einem Datenträger (Abb. 8-10). Die Apparatur SEAMEX 85 verbindet

die Vorteile reflexionsseismischer mit denen ingenieurseismischer Appa­

raturen und entspricht dem Stand der heutigen Digitaltechnik. Sie bietet

zudem den Vorteil der Schlagwetterschutzart "eigensicher". Sie ist damit

auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar. Für reflexionsseis­

mische Zwecke setzen wir eine Apparaturvariante ein, die 2 Kanäle pro

Aufnahmeeinheit enthält, während die im Felslabor Grimsel verwendete

Version zur Vereinfachung der Handhabung am Bohrloch die 48 Kanäle in

vier Registriereinheiten mit je 6 zweikanaligen Aufnahmeeinheiten zu­

sammenfaßt.

Die besonderen vorzüge der Apparatur sind:

- hohe Abtast-Frequenz bis 8000 Hz

- durch Zwischenspeicherung in den zweikanaligen Aufnahmeeinheiten na­

hezu unbeschränkte Anzahl von Kanälen, ohne Einbuße in der Abtastfre­

quenz und Spurlänge

- die PCM-Kommunikation zwischen Zentrale und Aufnahmeeinheiten ge­

schieht über eine 2-adrige Litze. Die Aufnahmeeinheiten sind an be­

liebigen Stellen ankoppelbar

- Variable Vorverstärkung pro Datenkanal entweder frei wählbar oder

Vorverstärkungsfunktion in Abhängigkeit von der Kanalnummer von Hand

oder automatisch einstellbar (0 dB bis 42 dB in Schritten von 6 dB)

- automatische Verstärkungsregelung pro Datenpunkt von 90 dB (2 15 ) in

Schritten von 6 dB (Faktor 2).

- kleinstes Signal(K) 0.5 uV, größtes Signal(G) 5 V,

(Auflösungsbereich: G/K = 10 7 ,ca. 223 = 138 db)

- geringe Einstreuung durch extrem kurze Analogleitungen.


NAGRA NTB 88-06 - 12 -

3.1.3.2. Bohrlochhammer

Der Bohrlochhammer besteht aus einem mit der Bohrlochwand durch eine

pneumatische Spreizhülse koppelbaren Amboß, einem in der Bohrlochachse

orientierten Zylinder mit beweglichem Kolben und einer Druckluftkammer

zur Beschleunigung des Kolbens. Über eine Regelung wird der Druck der

Luftkammer auf eine Vorkammer über dem Kolben geleitet. Bei Überschrei­

ten eines Grenzdrucks wird der Kolben abgelöst und auf den Amboß ge­

schlagen. Ein Piezokristall im Amboß steuert mit seinem durch den Schlag

erzeugten Signal einen Trigger, der die Datenaufzeichnung startet. Da­

nach wird der Kolben in seine Ruhestellung zurückbewegt und steht für

einen nächsten Schlag bereit. Die Steuerung erfolgt über eine Regelauto­

matik. Alle versorgungsleitungen sind innerhalb eines Druckschlauches

verlegt, die Handhabung ist einfach. Noch während der Messungen an der

Beobachtungsserie 1 wurden Vorversuche mit dem Bohrlochhammer im Bohr­

loch BOUS 85.003 und der Sondenkette in BOUS 85.002 durchgeführt, um

die Reichweite des Hammers im Feld 2 zu testen. Dabei erwies sich die

Energie des Bohrlochhammers als nicht ausreichend. Stapel raten von 128

pro Quellpunkt und mehr waren vom Zeitaufwand und dem Materialverschleiß

her nicht zu verantworten. Das WEK-Institut für Geophysik entschloß sich

daher, einen verstärkten Bohrlochhammer zu bauen. Innerhalb von 2 Wochen

konnte ein Bohrlochhammer angefertigt werden, der, basierend auf dem

prinzip des ersten Hammers, durch Erhöhen der Kammervolumina, Vergröße­

rung der Steuerventile, Verlängerung der Beschleunigungsstrecke des

Schlagkolbens und eine veränderte steuerung mehr Energie abgeben konn­

te. Dieser Hammer konnte die Anzahl der Stapelungen um den Faktor 3

gegenüber dem ersten Bohrlochhammer reduzieren. Die Signale dieses neuen

Bohrlochhammers waren ebenfalls hochfrequent und nach Verbesserungen am

Trigger gut reproduzierbar. Die Belastbarkeit des Materials ließ nur

etwa 100.000 Schläge zu, danach mußte der Amboß und das Anklemmteil

gewechselt werden.

In weiteren Versuchen erwies sich auch der verstärkte Bohrlochhammer als

zu schwach, um gute Ergebnisse in einer vertretbaren zeit zwischen den

Bohrungen BOUS 85.001 und 003 zu liefern. Daher wurde mit zustimmung der

NAGRA in einem Unterauftrag die Firma Frey (Zug) beauftragt, Sprengungen


NAGRA NTB 88-06 - 13 -

mit 10 g Ladung im Bohrloch BOUS 85.001 an den vorgesehenen 30 Quellpo­

sitionen zu zünden.

Es wurdenVorversuche vom WEK-Institut für Geophysik und der Firma Frey

durchgeführt, die ein geeignetes Einbringen der Ladung in die gewünschte

Position ermöglichte. Die Nylon-zugseile, die über eine Rolle im Bohr­

lochtiefsten geführt wurden, durften nicht beschädigt werden, und die

Ladung mußte sicher, präzis und schnell an die richtige position ge­

bracht werden. Der Versuch, mehrere Ladungen in einer Kette mit dem

festgelegten Abstand untereinander anzubringen, gemeinsam im Loch zu

positionieren und dann einzeln zu zünden, wurden aufgegeben, weil, of­

fensichtlich durch die Druckwelle im wasser, die anderen vorgefertigten

Ladungen beschädigt wurden.

3.1.3.4. Handhammer im Laborstollen

Zu Beginn der Messungen war vorgesehen, die Signale des Bohrlochhammers

auch am Laborstollen aufzuzeichnen und so mit dieser einen Bohrlochquel­

le die gesamte Messung durchzuführen. Schon zu Anfang der Messungen

stellte sich allerdings heraus, daß die Aufnehmer an der Stollenwandung

deutlich geringere Signalamplituden aufzeichneten, als die Aufnehmer der

Sondenkette in den tiefen Bohrungen. Die notwendige Stapelanzahl wurde

an diesen schwächsten Signalen orientiert. Sie war etwa doppelt so hoch

wie die der Sondenkette in den Bohrungen. Daher wurde auf die Aufnehmer

am Stollen verzichtet.

Die so ausgefallenen Strahlen wurden dadurch nachgeholt, daß an der aus­

gefallenen Stollenstation mit einem schweren Handhammer angeregt wurde,

wenn sich die Aufnehmer der Meßkette an der ausgefallenen Quellstation

befanden. Quell- und Aufnehmerpunkte wurden also vertauscht.

Es standen zu diesem Zweck mehrere Handhämmer zur Verfügung, die durch

einen Piezokristall in der Hammermasse den Triggerimpuls für die Meßap­

paratur erzeugten.

Aufgrund der Erfahrungen mit der starken Absorption im Gestein des

Felslabors wurde bei der Durchstrahlung von der Oberfläche zum Labor-


NAGRA NTB 88-06 - 14 -

stollen auf Versuche mit dem Schlaghammer von vornherein verzichtet. Es

wurde geplant, Sprengungen aus Bohrlöchern an der Oberfläche zu zünden.

Zunächst wurden Vorversuche unternommen, das Triggersignal der Zündma­

schine über eine 3000 m lange Leitung zur Apparatur SEAMEX 85 zu leiten.

Hierfür waren Anpassungen der Triggerschwelle erforderlich. Durch Modi­

fikationen an der Trigger-Leitungsführung und in der Triggereinrichtung

gelang es, die gewünschten Sprengungen zu registrieren.

Es waren durch die Firma Frey 20 Schußbohrungen im Abstand von 25 m

entlang eines 500 m langen Profils an der Erdoberfläche annähernd pa­

rallel zum Laborstollen gebohrt worden. Nach Vorversuchen mit 60 g,

120 g und 180 g Ladungen wurde mit 180 g gearbeitet. Es traten größere

Schäden an den Schußbohrungen auf. Der Frequenzinhalt der Signale reicht

vermutlich aufgrund der oberflächennahen starken Dämpfung nur bis etwa

200 Hz. Die Datenqualität ist aber ausreichend.

3.1.4. Aufnehmer

Als Aufnehmer wurden die hochempfindlichen Beschleunigungsaufnehmer 7705

der Firma ENDEVCO mit externen Ladungswandlern eingesetzte Diese waren

allen anderen getesteten Aufnehmern insbesondere in der Dynamik und

Amplitudentreue erheblich überlegen. Die Wahl fiel auf diese teuren Sy­

steme, weil durch die Forderung nach einer Energieabstrahlung der Quel­

len, die das Bohrloch nicht beeinträchtigen, nur geringe Signalamplitu­

den zu erwarten waren. Diese Aufnehmer waren in allen Einzelsonden und

in den Kettensonden eingebaut.

3.1.4.1. Kurzbohrloch-Einzelsonde

Die pneumatischen Kurzbohrlochsonden sind in ihrer Bauart bewährte Son­

den, die qUS einem Blähschlauchstück (einer Art Packer) von 50 mm

Durchmesser bestehen, in dem seismische Aufnehmer verschiedenster Art

untergebracht werden können (Abb. 11). Eine Kontaktplatte an der Außen­

seite des Schlauches ist auf geeignete Weise mit dem Träger der seis­

mischen Aufnehmer verbunden, so daß eine Übertragung hoher Frequenzen

der Bodenbewegung auf die Aufnehmer gewährleistet wird.


NAGRA NTB 88-06 - 15 -

Im Fall der hier beschriebenen Messung befinden sich in einer Sonde zwei

Beschleunigungsaufnehmer mit ihren Ladungswandlern. Durch einen mit

Drahtgeflecht verstärkten Druckschlauch, der eine Orientierung der Son­

den erlaubt, werden die elektrischen Zuführungen und die Datenleitungen

geführt. Gleichzeitig kann über ein Ventil Druckluft in die Sonde gege­

ben werden. Unter einem Betriebsdruck von 4 bar über dem Umgebungsdruck

wird der Blähschlauch und damit die Aufnehmer-Kontaktplatte an die

Bohrlochwand gepreßt.

3.1.4.2. Bohrloch-Sondenkette

Aufbauend auf dem prinzip der von dem WBK-Institut für Geophysik ent­

wickelten und routinemäßig verwendeten pneumatischen Kurzbohrloch-Ein­

zelsonden wurde eine Kette mit 6 hintereinandergehängten Zweikomponen­

ten-Sonden speziell für das SeT-Experiment aufgebaut. Der Außendurch­

messer dieser Sonden betrug 90 mm. Die Verbindung der Sonden war starr,

so daß eine Orientierung des quer zur Bohrlochachse montierten Aufneh­

mers in Richtung auf das Quellbohrloch möglich war. Ein Kontrollsystem

zeigte die Orientierung über Leuchtdioden an. Der Abstand von Sonde zu

Sonde war mit 5 m gewählt worden, um die geforderten Aufnehmerstations­

punkte im Abstand von 5 moder 2,5 m besetzen zu können. Das Gestänge­

material war aus einem Kunststoff gefertigt, dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit

mit 2200 mVs um den Faktor 0,4 unter der des Nebengesteins

lag. Durch zusätzliche Segmentierung des Gestänges und Hochfrequenz­

Entkopplung der Aufnehmer vom Gestänge wurden am Gestänge geführte Stör­

wellen nicht beobachtet.

3.1.4.3. Zusätzliche Aufnehmer für Feld 4

Für die Durchschallung vom Juchlistock in den Laborstollen wurden außer

den Kurzbohrloch-Einzelsonden (bestückt mit Beschleunigungsaufnehmern)

auch Geschwindigkeitsaufnehmer (Oyo-McSeis Geophone, 30 Hz Eigenfre­

quenz) verwendet, die an die Streckenwandung angegipst wurden. Die Res­

ponse-Kurven der verwendeten Aufnehmer zeigen, daß für den Signalfre­

quenzbereich zwischen 40 und 200 Hz Geophone und oberhalb 200 Hz Be­

schleunigungsaufnehmer benutzt werden sollten. Da zu vermuten war, daß

durch die langen Laufwege und die starke Absorbtion in den oberflächen-


NAGRA NTB 88-06 - 16 -

nahen Deckschichten der Frequenzinhalt der Signale von der Oberflächen­

messung deutlich niedriger ausfallen würde als in den Feldern 1-3, wur­

den zunächst beide Aufnehmertypen eingesetzt, um ein höheres Frequenz­

band abzudecken. Es zeigte sich, daß der Signalfrequenzinhalt im Feld

4 unter 200 Hz blieb. Die Seismogramme der Geschwindigkeitsaufnehmer

ließen die Sprengsignale erheblich besser erkennen. Daher wurden die

Signale der Geophone für die Auswertung der Ersteinsätze herangezogen.

3.1.5. Erfahrungen mit der Feldtechnik

Es war nicht Aufgabe innerhalb dieses Auftrages Geräte für einen even­

tuellen späteren Routineeinsatz zu entwickeln. Sie wurden also so kon­

zipiert, daß sie den speziellen Auftrag erfüllen sollten.

Die Bohrloch-Sondenkette und der Bohrlochhammer stellen eine völlige

Neuentwicklung dar.

Ebenfalls neu entwickelt worden war die Meßapparatur SEAMEX 85, jedoch

nicht für diesen speziellen Auftrag, sondern für einen breiteren Anwen­

dungsbereich. Es handelte sich um den ersten größeren Feldeinsatz dieser

Apparatur.

Der Sparker wurde für den Einsatz in den tiefen Bohrungen mit einer lan­

gen Stromleitung (160 m) zu den Zündelektroden ausgerüstet.

Die neuen Geräte hatten zum Teil in der Anfangsphase der Messungen "Kin­

derkrankheiten", die im Laufe der ersten 3 Meßwochen dauerhaft behoben

wurden. Wir wollen diese im vorliegenden Bericht nur kurz kommentieren.

(Details sind im separaten Feldrapport nachzulesen):

Die Zentraleinheit der SEAMEX 85 arbeitete fehlerfrei.

Die Aufnahmeeinheiten mit jeweils 12 Kanälen waren zwar recht handlich,

sie wiesen aber gegenüber der Originalversion mit 2 Kanälen oynamikver­

luste um etwa 6 dB auf. Es zeigten sich mehrere Kinderkrankheiten, die

noch während der Messungen dauerhaft behoben wurden.


NAGRA NTB 88-06 - 17 -

Hierzu gehörten:

- PCM-Koppelvorrichtung mit zu schwachen Prickernadeln ausgerüstet

Abhilfe: Verwendung anderer Nadeln.

Interferenz der Clocksignale der 6 Mikroprozessor-Karten einer Regi­

striereinheit in der Analogkarte.

Abhilfe: Verwendung nur noch eines Clocksignals für alle 6 Prozes­

soren.

- Einstreuen der starken elektrischen Felder im Felslabor auf die 250 m

lange PCM-Leitung, dadurch Ansprechen der PCM-Decoder auch während der

SampIephase was wiederum zu Einstreuungen in die Analogleitungen

führte.

Abhilfe: Einbau eines Filters (Cable-Terminator) in die PCM-Leitung

- Batterieversorgung für 8 Stunden Arbeitszeit dimensioniert mit einem

Verhältnis Meßzeit M zu Ladezeit L von 0,6. Da die tägliche Arbeits­

zeit auf 11-12 Stunden ausgeweitet wurde, war das Verhältnis M/L zu

gering.

Abhilfe: Vergrößerung der Batterieversorgung und Ladeströme.

Kommentar: Problem behoben, M/L jetzt 1,2

Beschaltung der 6 zweikanaligen Aufnahmeeinheiten innerhalb einer Re­

gistriereinheit mit gemeinsamer Masse und Stromversorgung. Dadurch um

6 db höheres Rauschen in den Aufnahmeeinheiten als bei einzelversorg­

ten Aufnahmeeinheiten.

Abhilfe: während der Messung nicht möglich

Kommentar: Abhilfe nur durch Verwendung einzelversorgter Aufnahmeein­

heiten.

- Schwingen der dreistufigen Filterkarte mit 1200 Hz

Abhilfe: Aufbau der Filterkarte durch 2 Stufen während der Messung

Große Verzögerungen entstanden durch eine kalte Lötstelle in der Datenleitung

von der SEAMEX 85 Datenüberspieleinheit zum VAX-11j730 Rechner.

Bei der automatischen Qualitätsüberwachung fielen häufig Datenübertra­

gungsfehler auf. Die Suche nach den Ursachen wurde durch zusätzliche

Störungen aufgrund des ungünstigen Rechnerstandortes (Hitze, Staub,

Elektrostatik) erschwert. Erst nach langer Suche konnte der Fehler in

der zweiten Hälfte der Messung gefunden werden. Dadurch verzögerte sich

die Datenübernahme in der ersten Hälfte der Feldmessung erheblich.


NAGRA NTB 88-06 - 18 -

Die Bohrlochaufnehmerkette hat alle Erwartungen erfüllt. Sie wurde nur

einmal beim Umsetzen von einer Bohrung zur anderen durch unsachgemäße

Demontage beschädigt. Sie arbeitete zuverlässig. Die Kopplung der Schub­

und Orientierungs rohre kann noch vereinfacht werden, um eine schnellere

Handhabung zu ermöglichen. Für die Messung im Bohrloch BOUS 85.003, das

einen starken Wasserzulauf hatte, mußten Wasserableitungsrohre an den

Meßsonden vorbeigeführt werden, da die Meßsonden im Meßbetrieb das

Bohrloch sonst vollständig verschlossen (Packer). Starke Störgeräusche

wurden unabhängig von der Position der Kette an den Sonden 1 und 2 beob­

achtet, deren Ursache ungeklärt blieb und eventuell in Strömungsgeräu­

schen zu suchen ist. Dies führte zu einer Erhöhung der Stapelzahl pro

Quellpunkt und damit zu einer weiteren Verlängerung der Meßzeit.

Die Kurzbohrloch-Einzelsonden haben problemlos funktioniert. Die Bauart

hat sich seit Jahren bewährt.

Der Sparker ist durch das Gewicht des dicken Zuleitungskabels sehr un­

handlich geworden. Er hat einwandfrei funktioniert. Der Hochstrom- und

Hochspannungsimpuls streute auf die Analogseite der Aufnahmeapparatur

ein. Das erschwerte die optische Kontrolle am Bildschirm, beeinträchtig­

te aber nicht den Dynamikumfang der digitalen Daten im Bereich der Erst­

einsätze. Bei einer Weiterentwicklung sollte die Kondensatorbatterie in

der Sonde untergebracht werden.

Der Bohrlochhammer in seiner zweiten, verstärkten Version hatte nach

leichten Modifikationen befriedigend funktioniert. Er ist noch nicht

ausreichend zuverlässig. Der innere Aufbau und die Wartungsfreundlich­

keit sollte noch verbessert werden. Die Signale waren gut wiederholbar

und zeigten von Quellpunkt zu Quellpunkt gute Kohärenz. Die Ankopplung

mittels der Spreizhülse muß noch verbessert werden, um die seismische

Energie möglichst verlustfrei vom Amboß auf das Gestein zu übertragen

und dennoch die Forderung zu erfüllen, daß keine Veränderungen an der

Bohrlochwand auftreten dürfen.

Der Bohrlochhammer sollte noch verstärkt werden, um bei Entfernungen

von 300 m und mehr mit noch geringerer Stapelrate auszukommen.


NAGRA NTB 88-06 - 20 -

(REC-STAT) oder eine seismische Quelle (SHT-STAT) besetzt war.

Bei den Durchschallungen vom Juchlistock in den Laborstollen wurden die

Oberflächen-Schußpunkt-Stationen von Nord nach Süd mit den Nummern 1-20

bezeichnet. Je 4 der 48 Aufnehmer wurden während der Durchschallung vom

Juchlistock den Stollenstationen 1,9,17,25,33,41,50,57,65,73,81,89 zu­

geordnet.

Genaue Angaben über die Verteilung der Aufnehmer und Quellen während der

Messung sowie ihre Zuweisung zu den Record-Nummern der Meßapparatur sind

im Anhang aus den Tabellen A-2 bis A-5 zu ersehen.

3.2.3. Aufnehmerpositionen

Für die Beobachtung in den Feldern 1 und 2 war ein Punktabstand von

2,5 m, im Feld 3 von 5 m vorgesehen worden. Die 6 Zweikomponentensonden

der Sondenkette waren daher in Abständen von 5 m angeordnet. Die 150 m

tiefen Bohrungen wurden so mit 10 überlappenden Kettenpositionen ver­

messen. zunächst wurde das Bohrloch in 5 m Schritten vermessen und an­

schließend durch einmaliges Versetzen um 2,5 m in 5 m Schritten die

Zwischenpositionen besetzt. Die Aufnehmer-Stations-Nummern (REC-STAT)

für die Positionen der Kette sind aus Tabelle 1 zu erkennen.

Ketten- Sonde Nummer

position 1 2 3 4 5 6

an Stations-Nummer

I 61 63 65 67 69 71

11 62 64 66 68 70 72

111 73 75 77 79 81 83

IV 74 76 78 80 82 84

V 85 87 89 91 93 95

VI 86 88 90 92 94 96

VII 97 99 101 103 105 107

VIII 98 100 102 104 106 108

IX 109 111 113 115 117 119

X 110 112 114 116 118 120

oder X-5m 108 110 112 114 116 118

Tabelle 1: Position der einzelnen Kettensonden bei den unterschiedlichen

Kettenpositionen im Bohrloch BaUS 85.002.


NAGRA NTB 88-06 - 21 -

Die Kettenposition X-Sm wurde besetzt, wenn die oberste Kettensonde

nicht die Tiefe von 150 m wegen der im Bohrlochtiefsten verankerten Ka­

belzugeinrichtung erreichen konnte. Die letzte Sonde der Kettenposition

VIII und die erste Sonde der Kettenposition X-Sm besetzten die gleiche

Aufnehmerstation (REC-STAT).

Die Stationsnummern für Bohrung 001 erhält man durch Addition von 60 und

für Bohrung 003 durch Subtraktion von 60. Die Kettenpositionen bei­

spielsweise für die Bohrung BOUS 85.003 sind aus Abb. 14 zu ersehen.

3.2.4. Schema einer Meßserie

Am Beispiel des Feldes 1 soll die Messung kurz beschrieben werden. Der

Bohrlochhammer wurde an Station 121 in der Bohrung BOUS 85.001 festge­

setzt und schlug regelmäßig mit einer Taktzeit von 7 s. Die Signale die­

ser Anregungen wurden gestapelt und auf einem Bildschirm dargestellt. Der

Operateur und der Feldleiter entschieden anhand der schwächsten Signale

auf dem Bildschirm über die ausreichende Anzahl der Stapelungen. Sie lag

im Mittel bei 32 und im Maximum bei 128. Danach wurden die Daten der an­

geschlossenen Kanäle auf eine Diskette gespeichert und der Bohrlochhammer

um 2,5 m (also um eine Station) im Bohrloch weiter versetzt. Die Aufneh­

mer verblieben auf gleicher Position bis der Bohrlochhammer das Bohrloch­

tiefste erreicht hatte. Danach wurde der Handhammer an die Triggerein­

richtung des Bohrlochhammers angeschlossen und an allen Handhammerpositionen

zwischen den Stationen 181 und 271 mit 2 bis 8 Schlägen angeregt.

Danach wurde die Kette um zwei positionen weiter geschoben und der Bohrlochhammer

und Handhammer wiederholten die gleiche Schlagserie. Nachdem

das Aufnehmer-Bohrloch in 5 m Abständen vermessen worden war (Kettenpositionen

I,III,V,VII,IX) wurden die Zwischenpositionen beim Rückweg der

Sondenkette vermessen (Kettenpositionen X,VIII,VI,IV,II).

Unter einer Meßserie verstehen wir das Beobachten aller Bohrlochhammer­

anregungen aus dem gegenüberliegenden Quell-Bohrloch und aller Handham­

meranregungen entlang des gesamten Laborstollens auf alle Kettenpositio­

nen des Beobachtungsbohrloches.


NAGRA NTB 88-06 - 22 -

Insgesamt wurden pro Aufnehmer-Bohrung 10 Kettenpositionen mit einer

Sequenz von jeweils 58-60 Anregungen mit dem Bohrlochhammer entlang der

Quell-Bohrung vermessen und z.B. im Feld 1 durch 30 Handhammerpositionen

entlang des Laborstollens ergänzt (im Feld 2 je 62; Abb. 15).

3.2.5. Organisation der Meßserien

Da das Umsetzen der Aufnehmerkette von einem Bohrloch zum anderen erheb­

lich aufwendiger war als das Umsetzen der Quellen, wurden die Messungen

nicht feldweise organisiert, sondern es wurden zunächst alle Anregun­

gen, für die sich die Kette in einem Bohrloch befinden mußte, beobach­

tet, bevor die Kette umzog. Die Daten mußten also später nach ihrer

Feldzugehörigkeit sortiert werden.

Es entstanden so die folgenden Beobachtungsserien:

Beobachtungsserie 1

- Sondenkette in Bohrung BOUS 85.002,

- Bohrlochhammer 1 in Bohrung BOUS 85.001,

- Handhammer entlang des gesamten Laborstollens in 2,5 m Abstand.

Diese Serie beinhaltet Daten der Felder 1 und 2.

Beobachtungsserie 2

- Sondenkette in Bohrung BOUS 85.001,

- Bohrlochhammer 2 in Bohrung BOUS 85.003 (versuchsweise),

- Handhammer im Laborstollen:

2,5 m Abstand zwischen BOUS 85.001 und 002,

5 m Abstand zwischen BOUS 85.002 und 003.

Diese Serie enthält Daten der Felder 1 und 3.

Beobachtungsserie 3

- Sondenkette in Bohrung BOUS 85.003,

- Bohrlochhammer 2 in Bohrung BOUS 85.002,

- Handhammer im Laborstollen

5 m Abstand zwischen BOUS 85.001 und 002,

2,5 m Abstand zwischen BOUS 85.002 und 003.

Diese Serie enthält Daten der Felder 2 und 3.


NAGRA NTB 88-06 - 23 -

Beobachtungsserie 4

- Sondenkette in Bohrung BOUS 85.003,

- Sprengungen (10 g) im Abstand von 5 m in BOUS 85.001.

Diese Serie enthält nur Daten des Feldes 3.

Beobachtungsserie 5

2-Komponenten-Geophone in 20 m Abstand entlang des Laborstollens,

- Sprengungen im Abstand von ca. 25 m (180 g) an der Oberfläche auf dem

Juchlistock.

Diese Serie enthält nur Daten des Feldes 4.

Die Felder 1 und 2 wurden jeweils mit einem Stationsabstand von 2,5 m,

Feld 3 mit einem Stationsabstand von 5 m vermessen.

3.2.6. Strahlschema der Felder

Die Strahlschemata, die bei diesen bohrlochbezogenen Meßserien feldweise

erzeugt wurden, haben wir in den Abbildungen 16 bis 19 dargestellt. In

den Abbildungen 16 und 17 wurde nur jeder vierte Meßpunkt, in der Ab­

bildung 18 nur jeder zweite Meßpunkt mit Strahlen verbunden, um das Sche­

ma zu verdeutlichen. Würde jeder Strahl eingezeichnet, so erschiene die

Fläche nahezu gleichmäßig geschwärzt. Dabei wurde von jeder Station in

den beiden feldbegrenzenden Bohrlöchern und dem Laborstollen seismische

Energie abgestrahlt und an jeder Station des feldbegrenzenden Bohrlochs

die seismischen Wellen aufgezeichnet. Es handelt sich also um eine Kombination

von einer Crosshole Messung und zwei Offset-VSP Messungen.

3.2.7. Meßzeiten

Es war ursprünglich geplant worden, die Vermessung aller 4 Felder ohne

Unterbrechung in ca. 6 Wochen durchzuführen. Meßbeginn war Montag der

8. Juli 1985. Das Ende der Messungen war bei planmäßigem Verlauf für

Mitte bis Ende August vorgesehen. Die Messung wurde tatsächlich am 24.

September 1985 beendet und dauerte damit 5 Wochen länger als geplant.

Neben Anpassungs- und Optimierungsarbeiten mit den neuentwickelten Ge­

räten (Bohrlochhammer, Datenerfassungsanlage, Bohrloch-Sondenkette) die


NAGRA NTB 88-06 - 24 -

etwa 14 Tage in Anspruch nahmen, war der wesentliche Grund für diese

Verlängerung eine im Mittel etwa doppelt so hohe Absorption seismischer

Wellen im Gestein der Felder 1, 2 und 3 als in der Nachbarfläche, die

mit der Testmessung im Herbst 1984 untersucht worden war und nach deren

Erfahrung die Zeitplanung aufgestellt worden war.

Mit der routinemäßigen Vermessung des Feldes 1 wurde am Dienstag dem

16.7.85, also 8 Tage nach Aufstellen der Geräte, begonnen.

Eine 32-fache Stapelung wurde in 4 Minuten erzeugt. Weitere 2 Minuten

wurden für das Umsetzen des Bohrlochhammers benötigt, so daß für 58 An­

regungspunkte pro Kettenposition bei störungsfreiem Verlauf 6 Arbeits­

stunden erforderlich waren. Zum Meßbeginn und Meßende wurden pro Tag

jeweils eine halbe Stunde benötigt, um Batterien zur Ladung anzuschlie­

ßen, die Geräte zu warten und aufzuräumen.

Die Registrierung auf einer Kettenposition von allen Handhammerpositio­

nen zwischen Bohrung BOUS 85.001 und 002 dauerte ungefähr eine halbe

Stunde.

Bei einer täglichen Arbeitszeit von durchschnittlich 12 Stunden konnten

also bei störungsfreiem Verlauf 1 bis 1,5 Kettenpositionen pro Tag ver­

messen werden.

Verzögerungen im Meßablauf traten dann auf, wenn stärkere seismische

Störungen durch GerätRtransport auf Hubwagen mit Stahlrädern im Meßbe­

reich erzeugt wurden, wenn Baufahrzeuge zur Grimselzentrale unterwegs

waren, was sehr häufig der Fall war, oder die Busse von Besuchergruppen

am Laborstollenmund rangierten. Es entstanden Verzögerungen von insge­

samt 4 Tagen wegen solcher Störungen.

Das Feld 2 konnte mit einer mittleren Anzahl von 64 Stapelungen pro

Quellpunkt vermessen werden. Das erforderte im Mittel 10 Minuten Zeit.

In 10 Stunden konnte eine Kettenposition mit allen Quellpunkten einge­

messen werden. Für eine Handhammerserie entlang des Laborstollen wurden

etwa weitere 2 Stunden benötigt.

Zeitliche Ausfälle bei der Messung für das Feld 2 traten auf durch eine

Beschädigung und später auch Quetschung des Versorgungsschlauchs zum

Bohrlochhammer. Nach Umkonstruktion der versorgungsleitung, die völlig

ausgetauscht wurde, konnte das Problem behoben werden.


NAGRA NTB 88-06 - 25 -

Die zeitlichen Verzögerungen bei Ausfall des Bohrlochhammers führten

selten zu Meßverzögerungen, weil zwischenzeitlich die Messung mit dem

Handhammer am Laborstollen fortgesetzt werden konnte. Jedoch wurde da­

durch der Aufwand der späteren Datensortierung wesentlich vergrößert.

Weitere Verzögerungen im Meßablauf traten ein, weil mehrmals starke

Störgeräusche an den Positionen 1 und 2 der Bohrloch-Sondenkette im

Bohrloch BOUS 85.003 auftraten, die eine Messung erheblich erschwerten.

Mehrfache Überprüfungen der Kette auf Undichtigkeit ergaben keine Feh­

ler, so daß die Geräusche auf strömungssbedingte Turbulenzen oder Gas­

perlen im Bohrloch 3 zurückgeführt werden müssen.

Die Zeit zwischen den 10 g-Sprengungen im Feld 3 betrug etwa 10 Minu­

ten, so daß eine Schußserie von 30 Schüssen für eine Kettenposition in

etwa 5 Stunden gemessen werden konnte.

Zeitaufwendig war das Versetzen der Bohrloch-Sondenkette. Das An- und

Abkoppeln einzelner Schubstangen um 2,5 m erforderte etwa 10 Minuten

und das Versetzen um eine volle Kettenposition von 30 m etwa 40 Minuten.

Der Umbau von einer Bohrung in die andere nahm im allgemeinen 4 Stunden

in Anspruch.

Die Messung von der Oberfläche des Juchlistocks in den Laborstollen

(Feld 4) hatte besondere Probleme dadurch, daß die Sprenggruppe, räum­

lich weit getrennt von der Registriergruppe operierte. Beide Gruppen

verständigten sich über eine Relaisstation am Stollenmund, die mit der

Registriergruppe im Stollen per Telefon und der Sprenggruppe auf dem

Juchlistock per Funk kommunizierte.

Die Triggerung der Meßapparatur funktionierte über die 3 km lange Leitung

zunächst nicht zuverlässig. Es wurden Werkzeuge, Meßgeräte und Er­

satzzündmaschinen zu fuß auf den Berg gebracht, was jeweils Wartezeiten

von einer 3/4 Stunde zur Folge hatte. Die 40 Schüsse wurden daher in 3

Tagen registriert (12.,13.,19. September). Bei einwandfreier Triggerung

wird die Meßzeit allein davon bestimmt, wie schnell die Sprenggruppe

arbeiten kann. 40 Schüsse sollten dann innerhalb eines Tages registriert

werden können.


NAGRA NTB 88-06 - 27 -

direkten telefonischen Verbindung die Kommunikation zwischen beiden Ar­

beitsgruppen erschwert war.

3.3.2. Übersicht über die Datenmenge

Folgende Zahlen mögen zur Verdeutlichung der Datenmenge dienen:

Es wurden 3737 Records registriert. Bei durchschnittlich 32 Kanälen pro

Record wurden etwa 120.000 Seismogramme aufgezeichnet.

Jedes Seismogramm besteht aus 2048 Datenpunkten, jeder Datenpunkt be­

steht aus 2 byte. Es wurden also 489 Mbyte aufgezeichnet, die sortiert

und bearbeitet werden mußten.

Berücksichtigt man zusätzlich, daß jeder Record aus im Mittel 48 Stape­

lungen entstanden ist, so hat die Apparatur SEAMEX 85 während der Meßkampagne

rund 24 Gbyte (24*10 9 byte) an Daten verarbeitet.

3.3.3. Extraktion der Ersteinsätze

Anders als in der Reflexionsseismik, bei der nur die relativen Laufzeiten

mit guter Genauigkeit (einige Millisekunden) bekannt sein müssen,

sind bei der Tomographie mit Gesteinen hoher Geschwindigkeiten und nied­

riger Geschwindigkeitskontraste (ca. 10 %) die absoluten Laufzeiten mit

sehr hoher Genauigkeit (ca. 1/10 ms) zu ermitteln.

Von den Rohplots eines Schusses wurden die Ersteinsätze von einem Geo­

physiker angerissen (Abb. 20) und von ihm oder einem Mitarbeiter abge­

lesen, in Listen eingetragen und später in das Zeit-File übertragen.

Diese wurden über Kontrollplots ausgegeben und mit unterschiedlichen

Verfahren überprüft.

Zu einem Rohplot lagen von den Bohrloch-Aufnehmern immer nur 6 Aufneh­

merpositionen mit beiden Komponenten nebeneinander vor. Die Änderung der

seismischen Signale entlang des gesamten Aufnehmerbohrlochs mit 58-60

Aufnehmerpositionen konnte so nicht gut beurteilt werden. Das Festlegen

eines Ersteinsatzes war daher selbst bei guter Signalqualität häufig

nicht sicher möglich. Diese Ablesearbeit wurde später im Rechenzentrum

des WBK-Institutes für Geophysik an vollständigen Aufnehmerserien für


NAGRA NTB 88-06 - 28 -

ein gesamtes Bohrloch (Abb. 21) und nach rechnerischer Ausrichtung der

Aufnehmer-Komponente auf den Schußpunkt hin wiederholt (Abb. 22). Es

zeigten sich Abweichungen bei den Ablesungen aus den Plots vor und nach

Ausrichtung von wenigen Zehntel Millisekunden.

Eine seismische Quelle regt neben Wellen im Gestein auch Druckwellen im

Wasser der Quellbohrung an (Tube-Wave). Diese Druckwelle wird an

Impedanz-Sprüngen (Kaliberänderungen, Bohrlochende, Bohrlochmund) und

schmalen Klüften (Dr. SATTEL, pers. Mitteilung) des Bohrlochs reflek­

tiert. Dabei wird ein erheblicher Teil der Energie auch in das Gestein

abgestrahlt, was auf Seismogramm-Montagen, die alle Aufnehmerspuren ei­

ner Quellstation darstellen, wie das Signal einer konstant zeitverzö­

gerten, lageverschobenen Quelle erscheint. Rückt der Quellpunkt nahe an

den Reflektor im Bohrloch, so überlagern sich der erste Einsatz der di­

rekten Welle mit dem Einsatz der Tube-Wave-Reflexion, wodurch die Sig­

nalform und die Normierung des Seismogramms über das absolute Maximum

verändert wird. Das Ablesen der Ersteinsätze wird dann sehr erschwert.

Liegen nicht die vollständigen Seismogramm-Montagen in der Reihenfolge

vor, nach der man die Überlagerung erkennt, so kann es zu deutlichen

Fehlablesungen kommen. Hier erleichtert eine umsortierte Abspielung der

Seismogramme - alle Quellstationen für eine Aufnehmerstation - das Er­

kennen solcher kritischen überlagerungen und damit das fehlerfreie

Ablesen. Erfahrungen mit Tube-Waves wurden erst im Verlauf der Auswer­

tung im Rechenzentrum gesammelt.

3.3.4. Korrekturen

Bedingt durch apparative Effekte, wie der Größe der eingestellten Trig­

gerschwelle, der Verzögerungen durch die Filterstufen in der Meßappara­

tur, der Art der verwendeten Quelle und der Subjektivität beim Ermitteln

des Ersteinsatzes durch den Bearbeiter, ergaben sich unterschiedliche

Zeiteffekte, die zunächst ermittelt und korrigiert werden mußten, bevor

Rechnungen mit absoluten Laufzeiten begonnen werden konnten. Diese Kor­

rekturen wurden zum Teil schon im Feld ermittelt. Sie wurden später im

Datenzentrum der WBK erneut überprüft und erst dort endgültig festge­

legt.


NAGRA NTB 88-06 - 29 -

3.3.5. Feldtomogramme

Wie schon oben beschrieben, wurden die Daten aus meßtechnischen und or­

ganisatorischen Gründen nicht feldweise, sondern in Beobachtungsserien

gewonnen, die so angelegt waren, daß die Meßkette möglichst wenig umge­

setzt werden mußte.

Die Daten des Feldes 1 lagen schon vor Abschluß der Messungen nahezu

vollständig vor. Dagegen waren die Daten des Feldes 2 in Serien mit de­

nen des Feldes 3 und 4 gewonnen worden. Die Anregungstechnik aus den

Bohrungen für das Feld 3 wurde auf Sprengungen mit 10 g Dynamit umge­

stellt. Hierzu wurden während der Bohrlochhammer-Serien auch Tests ein­

geschoben, um die Sprengtechnik im tiefen, nahezu horizontalen Bohrloch

zu optimieren. Es mußten daher mehrmals die laufenden Beobachtungsserien

unterbrochen werden. Die Beobachtungsserie der Sprengungen für das Feld

3 wurde eingeschoben in die Handhammer Beobachtungsserie des Feldes 2

und 3. Zusätzlich mußten die Beobachtungsserien für das Feld 2 und 3

unterbrochen werden, um die Beobachtungsserie des Feldes 4 von Sprengun­

gen auf dem Juchlistock-Profil in den Laborstollen zu ermöglichen. Diese

waren wegen der wenigen Tage mit optimalen Wetterbedingungen auf dem

Berg vorrangig zu behandeln.

Auf diese Weise wurden die Beobachtungsserien gegen Ende des Meßpro­

gramms außerordentlich heterogen gewonnen und zum Abschluß der Feldmes­

sungen lagen keine vollständigen Ablesungen von den Feldern 2 bis 4 vor.

Feldtomogramme wurden daher nur vom Feld 1 berechnet.


NAGRA NTB 88-06 - 31 -

4.2. Laufzeitdaten

4.2.1. Ablesungen

Da alle N Aufnehmer die abgestrahlte Energie aller M Anregungen aufzeich­

nen, muß eine Anzahl K = N * M Ersteinsatzzeiten aus Seismogrammen abge­

lesen werden, die von jedem Aufnehmer für jeden Schußpunkt beobachtet

wurden. Zunächst muß berücksichtigt werden, daß die Daten in Schritten

von 1/8 Millisekunde (125 Mikrosekunden) digitalisiert wurden. Eine Ablesegenauigkeit

bis minimal zu 1/10 ms ist noch durch subjektive Beur­

teilung möglich. Diese Zeitgenauigkeit ist im Vergleich zu reflexions­

seismischen Anwendungen sehr hoch.

Diese Zeiten wurden zunächst mit "Picking"-programmroutinen abgelesen.

Bei dieser automatischen Ersteinsatzbestimmung mit Programmen waren

leicht systematische Fehler im Bereich bis zu einer Millisekunde durch

die Veränderung des Sei smogrammbiIdes, sei es durch Phasenumkehr, Ände­

rung des Frequenzinhalts oder durch Überlagerung mit Tube-Waves ent­

standen. Da diese Fehlablesungen programmtechnisch schwer zu eliminieren

sind, und weil beim Vergleich von Ablesungen durch den Datenbearbeiter

und durch Picking-Programme die ersteren genauer waren, haben wir daher

nach erheblichen Vorarbeiten vollständig auf automatisch ermittelte

Ersteinsatzzeiten verzichtet. In einem zwischenschritt haben wir halbautomatische

Auswertungen am Bildschirm programmiert und durchgeführt.

In der Praxis hat sich auch das Arbeiten am Bildschirm als unbefriedi­

gend herausgestellt, da mit der beschränkten Auflösung von 26 Bildpunk­

ten pro cm bei einer maximalen Bildgröße von 18*24 cm ein Optimum

zwischen Auflösung und Übersicht nicht ausreichend erzielt werden konn­

te. Will man die Seismogrammamplituden so groß darstellen, daß auch

schwache Vorphasen des Ersteinsatzes erkannt werden, so lassen sich nur

wenige Spuren (ca. 8-12) auf dem Bildschirm abbilden. Dadurch wird für

den Bearbeiter die Phasen-Korrelation über eine ganze Beobachtungsserie

erschwert. Entscheidet man sich dagegen für die Übersicht, so reicht die

Auflösung des Schirms nicht mehr zur Beurteilung geringer Amplituden

aus. Wir hatten uns daher für die arbeitsintensive aber sicherere Able­

sung aus Plots mit einer Auflösung von 79 Bildpunkten pro cm und einer

maximalen Bildbreite von 50 cm entschieden.


NAGRA ffrB 88-06 - 32 -

Auf die automatische Ersteinsatzbestimmung wird man bei routinemäßigen

Arbeiten nicht verzichten können und muß daher die Entwicklung von Programmen,

die nach kombinierten Verfahren wie in der Mustererkennung arbeiten,

vorantreiben. Die Chancen für den Erfolg solcher Arbeiten sind

gut. Unsere bisherigen Programme verwenden zum einen das Überschreiten

eines Schwellwertes beim Vergleich der mittleren Amplituden eines

Langzeit- und eines laufenden Kurzzeitfensters, und zum anderen die Erkennung

eines einfachen Musters, das durch die Verhältnisse zwischen den

Amplituden dreier aufeinander folgender lokaler Extremwerte definiert

ist.

4.2.2. Kontrollen

Bevor die Zeiten in eine tomographische Inversion eingingen, haben wir

zunächst alle Laufzeitkurven (Laufzeit als Funktion der Entfernung) einzeln

erstellt. Dabei haben wir sowohl die Kurven für einen Schuß und

alle Aufnehmer dargestellt als auch umgekehrt. Jede dieser Kurven macht

relative Zeitfehler entweder auf der Schuß- oder auf der Aufnehmerseite

sichtbar. Das Plotten und Auswerten vieler solcher Einzelkurven war sehr

aufwendig. Die relative Lage der Kurven untereinander war dagegen nicht

einfach zu vergleichen. Wir haben daraufhin die Darstellungsprogramme in

der Art erweitert, daß einzelne, mehrere oder alle Datenkurven nach verschiedenen

Kriterien sortiert auf einer Darstellung erschienen. Stellt

man viele Kurven auf einem Blatt dar, so eignen sich besonders die Darstellungen

der Laufzeitkurven verschiedener Schüsse gegen die Aufnehmernummer

(nicht Entfernung!) oder umgekehrt zur Kontrolle von Abweichungen

an Schuß- und Aufnehmerstationen. Dagegen erzeugen Darstellungen der

anderen Parameter wie Laufzeit, reduzierte Laufzeit oder Geschwindigkeit

gegen die Entfernung oder den Abstrahlwinkel Punktwolken, aus denen Einzelpunkte

nicht mehr einfach aufgelöst werden können und damit systematische

Einzelpunktfehler nicht mehr augenfällig sind.

Durch das regelmäßige Beobachtungschema entstanden bei den Darstellungen

der Laufzeit in Abhängigkeit von der Stationsnummer Kurven, die gut von­

einander getrennt waren und bei denen synoptisch sowohl systematische

als auch unsystematische Fehler an der Schuß- wie auch an der Aufnehmerseite

erkennbar wurden.


NAGRA NTB 88-06 - 35 -

tengruppen mit der Zeitverschiebung beaufschlagt wurden.

Einzelne Korrekturen, von Ablese- oder Übertragungsfehlern wurden inter­

aktiv vom Bearbeiter eingegeben. Die Kontrolle dieser Eintragungen

geschah über plots.

Eine gute Möglichkeit, die absolute Zeit zusätzlich zu kontrollieren,

besteht mit Laufzeit-Entfernungs-Kurven einer Quellserie (z.B. Handham­

mer im Laborstollen), bei denen die Quelle, aus größerer Entfernung kom­

mend, bis nah (ca. 2,5 m) an den Aufnehmer heranrückt. Extrapoliert man

diese Laufzeitkurve auf die Entfernung 0 m, so ergibt sich die gesuchte

Zeitdifferenz aus dem Offset der Kurve (Abb. 26). Zur Extrapolation eigneten

sich nur die nächsten 5 Punkte der Laufzeit-Entfernungs-Kurve, da

diese häufig in Streckennähe leicht gekrümmt war.

Bohrlochhammer- und Sprengdaten konnten nicht auf die gleiche Art kon­

trolliert werden, da der Abstand dieser Quellen zu den Aufnehmern nie

geringer als 72 m war. Eine Extrapolation der Kurve zum Punkt 0 m hätte

die gewünschte Information nicht präzise genug ergeben.

Wir haben daher die Zeitverschiebung zwischen Triggerzeitpunkt und Er­

zeugung des seismischen Signals von Bohrlochhammer und Sprengungen da­

durch kontrolliert, daß wir die Beobachtungsserie einer Station beim

Übergang vom Handhammer zum Bohrlochhammer an den Ecken der Felder dar­

gestellt haben (Abb. 27 und 28). Hier wurden relative Verschiebungen zum

Handhammer sichtbar, dessen Absolutzeit schon korrigiert war. Die Kor­

rekturen aus der Extrapolation der Laufzeitkurven und dem Vergleich der

Triggerzeit mit dem Einsatz der Triggersignale waren konsistent.

Nachdem die Einsatzzeiten zweifelsfrei bestimmt und mehrmals überprüft

worden waren, wurden die Geschwindigkeiten der Strahlen auf ihre Abhän­

gigkeit von der Ausbreitungsrichtung überprüft. Hier stellte sich eine

deutliche Abhängigkeit heraus.

Eine wesentliche Voraussetzung für die hier angewandte tomographische

Inversion ist, daß die Geschwindigkeit im ungestörten Gestein richtungs­

unabhängig ist. Auf dieser Annahme basiert das Verfahren, wonach Strah­

len unterschiedlicher Richtung und Laufwege gleichwertige Informationen

zur Geschwindigkeit oder Dämpfung des Flächenelements in ihrem Kreu-


NAGRA NTB 88-06 - 36 -

zungsbereich liefern.

Das bedeutet, daß ein anisotroper Geschwindigkeits- oder Dämpfungseffekt

vor der Inversion durch Korrektur beseitigt werden muß.

In den Abbildungen 29-31 sind die Punkte der Strahlgeschwindigkeit gegen

die Ausbreitungsrichtung für die Felder 1-3 dargestellt. Der Winkel wird

dabei im mathematisch positiven Sinn gegen die X-Achse definiert. Im

Feld 4 ist der Winkelbereich mit 65 0 zu gering, um eine Aussage über die

Anisotropie abzuleiten.

Im Fall des Feldes 1 (Abb. 29) scheint der Effekt sehr deutlich und auch

angenähert sinusförmig zu sein. Das Maximum der Geschwindigkeit liegt

bei -54 0 und das Minimum bei +36 0 . Der Winkel wird im mathematisch po­

sitiven Sinn gegenüber der X-Achse des verwendeten Koordinatensystems

berechnet. Der mögliche Wertebereich ist +/- 180 0 .

Vergleicht man dagegen diese Kurve mit denen der Felder 2 und 3 (Abb.

30-31), so wird deutlich, daß die Daten der Felder 2 und 3 eine kompli­

ziertere "Kurvenform" zeigen und die Lage der absoluten Maxima und Mi­

nima um +24 0 verschoben ist. Aus geologischen Informationen kann die

starke Änderung der Anisotropie-Richtung und des Betrages nicht unmit­

telbar erklärt werden. Es wurde daher eine konstante Korrektur der Ani­

sotropie für die Felder 1, 2 und 3 durchgeführt.

Man muß davon ausgehen, daß die Variation der Geschwindigkeit mit dem

Winkel ein Mischeffekt ist von

a) einer echten Anisotropie, erzeugt durch kleinräumige Textur oder

Klüftung im Gestein und

b) einem großräumigen Effekt, erzeugt durch makroskopische Stör- und

Schwächezonen.

Da es sich hierbei um eine additive Überlagerung handelt, ist die Tren­

nung zwischen beiden Einflüssen nicht ohne weiteres möglich. Wir haben

uns daher zu Modellrechnungen entschieden, mit denen wir den Effekt der

bisher schon bekannten großen Stör- und Schwächezonen S1a, S1b und K2

auf die Geschwindigkeits-Winkel-Funktion wie folgt ermitteln konnten. Um

eine Vergleichbarkeit mit der Feldmessung sicherzustellen, wurde mit

derselben dreiseitigen Verteilung der Quell- und Aufnehmerpunkte um das

Untersuchungsgebiet modelliert. Ein idealisiertes Modell von der Ge­

schwindigkeitsverteilung im Durchschallungsbereich wurde von der NAGRA


NAGRA NTB 88-06 - 37 -

aus der bisherigen geologischen Aufnahme im Laborstollen abgeleitet

(Abb. 5) und uns zur Verfügung gestellt. Der ungestörte Granit wurde mit

einer Kompressionswellen-Geschwindigkeit von 5300 mls angenommen. In den

Rechnungen ist die Schwäche zone Sla 6 m, die Schwächezone Slb 15 m und

die Lamprophyrzone K2 7 m breit. Die Reduktion der Geschwindigkeiten um

10 % in den schwäche zonen wurde aus SONIC-LOGS abgeleitet. Damit ergibt

sich eine Geschwindigkeit von 4770 m/s. In den Überschneidungsbereichen

der Zonen SI und der Zone K2 wurde eine Geschwindigkeit von 4240 mls und

damit eine Reduktion von 20 % angenommen.

Es wurden zwei verschiedenartige Rechnungen für das Feld 2 durchgeführt.

Zunächst wurden die Laufzeiten der vorgegebenen Meßgeometrie durch das

vereinfachte Modell der Meßfläche mit geradliniger Strahlausbreitung

berechnet. Strahlbrechung auf Grund von Geschwindigkeitsänderungen wur­

den also vernachlässigt. Das Ergebnis dieser Rechnung ist in Abb. 32 zum

Vergleich mit der Abb. 30 in gleicher Weise dargestellt.

In einer weiteren Rechnung wurden die theoretischen Zeiten im gleichen

Modell, bei gleicher Meßgeometrie aber mit Berücksichtigung der Strahl­

brechung errechnet (Abb. 33). Die Daten dieser beiden Rechnungen wurden

miteinander verglichen, wobei die Übereinstimmung recht groß ist. We­

sentliche Unterschiede bestehen dort, wo die Rechnung mit geraden Strahlen

zwei Bereiche mit niedrigen Geschwindigkeiten in den Daten bei -15 0

und -28 0 erzeugt hat. Es handelt sich hier um die Richtungen der beiden

Schwächezonen Sla und Slb. Strahlen, die diese schwächezonen unter zu­

nehmend spitzem Winkel queren, erfahren eine zunehmende Verringerung

ihrer mittleren Geschwindigkeit. Die geringsten Geschwindigkeiten zeigen

Strahlen, die geradlinig und vollständig innerhalb der Schwäche zonen

verlaufen. Hier zeigen sich die deutlichsten Unterschiede zwischen den

Modellrechnungen mit und ohne Berücksichtigung der Strahlbrechung. Wird

die Strahlbrechung berücksichtigt, so verlaufen die an einem Rand der

Schwächezone angeregten und am anderen Ende aufgezeichneten Strahlen zum

Teil im schnelleren Nebengestein. Die mittleren Strahlgeschwindigkeiten

sind dadurch höher als bei geraden Strahlen. Ein weiteres Geschwindig­

keitsminimum, das nicht so deutlich ausgeprägt ist, zeigt sich bei +77 0 .

Es handelt sich hier um Strahlen, welche im Laborstollen angeregt wurden

und die die Lamprophyrzone unter spitzem Winkel auf dem Weg zum Bohrloch

BOUS 85.002 schneiden.


NAGRA NTB 88-06 - 38 -

Eine weitere Auffälligkeit in den theoretischen Daten ist der schmale

horizontale Streifen bei einer Geschwindigkeit von 5300 m/s im Winkel­

bereich von -90 0 (bohrlochparallel) bis +12 0 (streckenparallel). Es

handelt sich hier um Strahlen, die vom Laborstollen zum Bohrloch BOUS

85.003 durch nahezu ungestörtes Gestein verlaufen.

Wenn Anisotropie vorliegt, dann sollte sie auch in den Daten beobachtet

werden, die das ungestörte Gestein durchstrahlen. Tatsächlich zeigen

auch die beobachteten Daten in diesem Bereich eine Abhängigkeit der Ge­

schwindigkeit von der Ausbreitungsrichtung. Wir haben nun diese Varia­

tion als Maß für die zu korrigierende Anisotropie angenommen.

Es ergeben sich damit die Anisotropiewerte von:

Richtung von v : -30 0 ; v =

max max

5310 mls,

v

min

5205 m/s.

Die Variation der Geschwindigkeit beträgt damit +/- 1 %. Bei einer

Strahllänge von 230 m, der Diagonalen des Feldes 2, bewirkt diese

Geschwindigkeitsvariation eine Zeitabweichung von etwa 0,9 ms, einem

Wert, der weit über der Ablesegenauigkeit von 0,1 ms liegt. Eine Kor­

rektur ist also erforderlich.

Für eine Korrektur wird vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeitsvertei­

lung, in Polarkoordinaten dargestellt, elliptisch ist über den gesamten

Winkelbereich. Diese Annahme kann nicht ausreichend durch Daten verifi­

ziert werden, ist aber als ausreichend gute Näherung anzusehen. Stellt

man diese Daten auf einem Vollkreis dar, bei dem die Geschwindigkeit als

Entfernung vom Nullpunkt erscheint, so zeigt sich angenähert eine El­

lipse (Abb. 34). Der Effekt einer Anisotropiekorrektur läßt sich gut an

den Daten des Feldes 1, mit der allein aus diesen Daten ermittelten

Anisotropiekorrektur, erkennen (Abb. 35).

Wir haben die Anisotropie jedoch als konstant über den gesamten Meß­

bereich aller Felder angenommen und mit dieser Annahme eine gemeinsame

Korrektur an allen Daten der Felder 1-3 angebracht.


NAGRA NTB 88-06 - 39 -

4.2.3.3. Korrekturen im Feld 4

Die beiden feldbegrenzenden Linien, zum einen die Linie der Schußpunkte

entlang der Oberfläche auf dem Juchlistock, zum anderen die Linie des

Laborstollens, verlaufen nicht parallel zueinander. Damit ist die durchstrahlte

Meßfläche im Feld 4 keine rein zweidimensionale Fläche, sondern

eine tordierte Fläche. Diese ungünstige Geometrie mußte in Kauf genommen

werden, weil eine stollenparallele Linie entlang der Oberfläche über ein

derart steiles Geländerelief verlief, daß sie mit den Bohrgeräten nicht

erreicht werden konnte.

Da die Rechnung aber zweidimensional durchgeführt wird, mußten die Koor­

dinaten der Schußstationen so in eine zweidimensionale Fläche umgerech­

net werden, daß näherungsweise eine Längentreue der Strahlen erreicht

wurde. Die maximalen Fehler betragen 3 m und damit weniger als 1 % der

Strahllänge. In Anbetracht der Tatsache, daß auch die Wellenlängen der

gemessenen Daten etwa 40 m betrug, ist der Fehler durch die Torsion

der Meßfläche vernachlässigbar.

Stellt man die mittleren Geschwindigkeiten aller Strahlen von einem

Schußpunkt zu allen Aufnehmern in Abhängigkeit von der Schußpunktnummer

dar, so ist ein linearer regionaler Trend zu erkennen, bei dem die mitt­

lere Strahlfächer-Geschwindigkeit vom Schußpunkt 1 4800 mls und vom

Schußpunkt 21 5200 mVs beträgt. Die Ursache für diesen Trend könnte in

einer wachsenden aufgelockerten Überdeckungsschicht an der Erdoberfläche

vom Schußpunkt 21 in Richtung Schußpunkt 1 liegen. Dieser Trend wurde in

den Daten korrigiert, um die relativen Geschwindigkeitsänderungen im to­

mographischen Abbild sichtbar zu machen. Die Korrektur wurde durch Sub­

traktion eines konstanten Laufzeitwertes für alle Strahlen eines Schusses

angebracht, so daß die mittlere Fächergeschwindigkeit für jeden Schuß

5200 mls betrug.

4.2.4. Inversion der Laufzeitdaten

4.2.4.1. Verwendetes Verfahren

In den vergangenen Jahren hat die Abeitsgruppe Seismik des WBK-Institutes

für Geophysik ein Programmpaket mit einem geeigneten' Überbau zur Verwal­

tung der seismischen Daten im VAX-VMS Betriebssystem und dem seismischen

Datenbearbeitungspaket DISCO (Digicon) entwickelt. Neben den Kontroll-,


NAGRA NTB 88-06 - 42 -

einzelnen Gitterelemente direkt oder durch Isolinien abgebildet. Die

Isolinienberechnung bewirkt immer eine Glättung gegenüber der Element­

wertdarstellung.

In diesem Bericht sind die Tomogramme auf 4 unterschiedliche Arten dar­

gestellt worden und zwar als:

1. Graustufenbilder bei denen die einzelnen Gitterelemente der Inver­

sionsrechnung erkennbar sind. Der Geschwindigkeitsbereich zwischen

einem Minimal- und Maximalwert wurde dabei in 17 Graustufen unter-

teilt (Feld 1: Abb. 36-44, 82; Feld 2: Abb. 47-52,55,83;

Feld 3: Abb. 56-61,71,72,84; Feld 4: Abb. 64).

2. Schwarz-weiß Bilder, mit denen Gitterelemente oberhalb (weiß) und un­

terhalb (schwarz) einer vom Bearbeiter als kritisch angesehenen Ge­

schwindigkeit gekennzeichnet werden (Abb. 45,46, 53,54, 62,63).

3. Isoliniendarstellungen, graustufenschraffiert, dabei wurde dasselbe

Geschwindigkeitsintervall wie in Punkt 1 in 8 Schraffurstufen einge­

teilt (die Glättung der Isolinien geschieht durch Splinefunktionen)

(Abb. 65-67).

4. Farb-Isolinienbilder, wie Punkt 3, jedoch unterteilt in 13 Farbstufen

(Abb. 68-70).

Folgende Anzahlen von Iterationen wurden als optimal angesehen:

Feld 1 nach 12 Iterationen,

Feld 2 nach 25 Iterationen,

Feld 3 nach 30 Iterationen,

Feld 4 nach 10 Iterationen.

Versuche mit synthetischen und modellseismischen Daten zeigen, daß ab

einer optimalen Anzahl von Iterationen durch das Erhöhen der Iterations­

anzahl keine verbesserungen mehr erwartet werden dürfen. Diese Anzahl

ist abhängig vom Meßfehler in den Daten, der sich unterschiedlich auf

das Inversionsergebnis auswirkt, je nach der Form des Meßfeldes, der

Strahlverteilung in Ort, Richtung und Länge, der Größe der Gitterele­

mente sowie der Wichtung der Strahlinformation. An theoretischen, feh­

lerfreien Daten von Modellen dieser Meßfelder konnten wir in Rechnungen

mit über 100 Iterationen schon nach 10-15 Iterationen nur noch geringe

Verbesserungen des Abbildes erreichen, aber auch keine Verschlechterung


NAGRA NTB 88-06 - 43 -

über einen größeren Iterationsbereich. Mit Daten seismischer Messungen

an Modellen ähnlicher Dimensionen wie die des Feldes 2, bei denen der

relative Meßfehler vergleichbar zu denen der FLG-Messung war, lag die

optimale Anzahl von Iterationen bei etwa 15 (KRAJEWSKI 1987).

In Abstimmung mit der NAGRA wurden die 17 Graustufen in der Normaldar­

stellung auf die Werte innerhalb der physikalisch sinnvollen Gesteins­

geschwindigkeitswerte von 4800 m/s bis 5400 m/s verteilt. Sonderdarstel­

lungen wurden zusätzlich vorgenommen, um ausgewählte Geschwindigkeits­

bereiche verbessert aufzulösen, jedoch zu Lasten der Auflösung der an­

deren Bereiche (Graustufen-Lupe). Alle Felder wurden mit den folgenden

Graustufen-Einteilungen dargestellt, die auf Grund der Histogrammvertei­

lung in der Normaldarstellung ausgewählt wurden:

schwarz - weiß

1) 4800 m/s - 5400 m/s

Normaldarstellung

2) 4800 m;s - 5220 m/s

Verlagerung der Auflösung

zum gestörten Gestein

3) 4800 m/s - 5150 m/s

Auflösung des gestörten

Gesteinsbereiches

4) 4950 m;s - 5150 m/s

Auflösung des Übergangsbereichs

von störungen

5) 5100 m/s - 5400 m/s

Auflösung des ungestörten

Gesteinsbereiches

Feld 1 Feld 2 Feld 3 Feld 4

Abbs39 Abb.47 Abb.56 Abb.64

Abb.40 Abb.48 Abb.57

Abb.41 Abb.49 Abb.58

Abb.42 Abb.50 Abb.59

Abb.43 Abb.51 Abb.60

6) 5200 m/s - 5400 m/s

Abb.44 Abb.52 Abb.61

Auflösung des ungestörten Gesteinsbereiches

In zwei weiteren Darstellungen wurden nur 2 extreme Graustufen verge­

ben, so daß Gestein mit Geschwindigkeiten oberhalb 5150 m/s respektive

5050 m/s weiß und unterhalb schwarz erscheint. Die Grenzen von 5050 bzw.

von 5150 wurden auf WUnsch der NAGRA gewählt. Mit dieser Art der Dar­

stellung wird der Gesteinsbereich schwarz markiert, der als kritisch

angesehen wird und derjenige weiß, der als ungestört, eingestuft werden

kann. Diese gewählten Grenzen können nicht als eine quantitative Klassi­

fizierung anhand von felsmechanischen oder hydrogeologischen Parame-


NAGRA NTB 88-06

tern angesehen werden:

schwarz - weiß

7) 5049 mls - 5050 mls

Trennung gestört-ungestört

8) 5149 mls - 5150 mls

Trennung gestört-ungestört

4 . 3 . Ampl i tudenda ten

- 44 -

Feld 1 Feld 2 Feld 3 Feld 4

Abb.45 Abb.53 Abb.62

Abb.46 Abb.54 Abb.63

Eine weitere charakteristische Größe, die aus den seismischen Daten

abgeleitet werden kann, ist die Amplitudendämpfung längs des Laufweges.

Es wird davon ausgegangen, daß die Ankopplung der Quellen und Aufnehmer

über alle Stationen konstant ist oder durch Korrektur ortsunabhängig

wird, daß die Abstrahlcharakteristik der Quellen und Aufnehmer

bekannt ist und korrigiert wurde, und daß die Amplitude nur noch von

Materialeigenschaften des Gesteins entlang des Strahlweges beeinflußt

wird. Interferenzen, Fokussierung, Änderungen der Polarisation, Verluste

durch Reflexionen und Modenkonversion oder ähnliche wellenseismische

Einflüsse können bei der SIRT Inversion mit Geradstrahlrechnung nicht

berücksichtigt werden.

Amplitudendämpfungswerte werden in der Geophysik (z.B. NOLET 1987)

und selbst in der Literatur über medizinische Ultraschalluntersuchungen

als sehr schwierig angesehen. Die Tomogramme der Amplitudendaten zeigen

dort eine geringere Auflösung als diejenigen der Laufzeitdaten (z.B.

HARDER 1986). Das gleiche gilt auch für die Ergebnisse unserer Amplitudendaten.

Nachdem die Ersteinsätze festgelegt wurden, können die Amplitudendaten

automatisch durch ein Rechnerprogramm abgelesen werden. Verschiedenartige

Methoden werden weiter unten erläutert. Die geometrische Ausbreitung

der seismischen Welle auf einer Kugelfläche (sphärische Divergenz)

und die damit verbundene Reduktion der signalamplitude muß durch

eine Korrektur vor der Inversionsrechnung rückgängig gemacht werden.

Hierzu haben wir ein homogenes Modell angenommen. Diese Annahme vernachlässigt

erneut die Deformation der Wellenfronten durch Inhomogenitäten

im Gestein. Die Differenz gegenüber der homogenen An-


NAGRA NTB 88-06 - 45 -

nahme bleibt also in den Daten erhalten und sollte daher zur Ortung von

Inhomogenitäten verwendet werden können.

Wir haben auf unterschiedliche Weise die Amplitudenwerte aus den Seis­

mogrammen ermittelt.

1. Beginnend beim Ersteinsatz wurde die maximale Amplitude innerhalb

eines zeitfensters von 5 ms (ca. 6 Schwingungen) bestimmt. Das Zeit­

fenster von 5 ms schließt gerade den Wellenzug der direkten P-Welle

ein.

2. Innerhalb des gleichen Zeitfensters wurde die mittlere absolute Am­

plitude ermittelt.

3. Es wurden die Spektren der Seismogramme im gleichen Zeitfenster nach

Anbringen einer Hanning-Funktion gebildet und aus 3 Frequenzfenstern

die mittleren Amplituden errechnet.

4. Es wurde das SignaljRausch-Verhältnis in je einem Fenster von 5 ms

vor und nach dem Ersteinsatz berechnet und damit eine Koppelkorrektur

für die Aufnehmersonden und Quellen ermittelt.

5. Aus den Amplituden der Referenzaufnehmer an Geophonposition 238 im

Laborstollen wurden Quellkorrekturen beim 10-maligen Wiederholen ei­

ner Schußposition ermittelt.

Nach längeren Versuchen mit verschiedenen Ansätzen konnten keine wesentlichen

Verbesserungen durch Korrigieren systematischer Effekte erzielt

werden.

Wir stellen daher vertragsgemäß und in Absprache mit der NAGRA nur die

Kurven der Amplituden gegen die Aufnehmerpunkte dar, und zwar nach Kor­

rekturen hinsichtlich der sphärischen Divergenz, der SondensteIlung

innerhalb jeder Kettenposition (wegen des Staudrucks durch Wasserzufluß

in der Bohrung BOUS 85.003), des Quelltyps und extremer Einzelpunkte

für alle 3 Felder (Abb. 79-81).

In den Rechnungen wird immer der Reziprokwert des Logarithmus der oben

angegebenen Amplitude verwendet.

Deutlich sichtbar sind noch immer "zickzack-förmige" Kurvenverläufe, die

auf systematische Einflüsse in Abhängigkeit von den Kettenpositionen

hinweisen.


NAGRA NTB 88-06 - 46 -

Die Abbildungen 82, 83 und 84 enthalten die Inversionsergebnisse der

Amplitudendaten. Gewisse Ähnlichkeiten mit den Laufzeitdaten sind er­

kennbar. Die Ergebnisse können aber noch nicht als befriedigend angese­

hen werden.


NAGRA NTB 88-06 - 48 -

errechnet wurden. Dieser Effekt wurde schon damals als ein möglicher Ein­

fluß von Gesteinsanisotropie gedeutet. Nachdem die Daten, wie im Datenbe­

arbeitungsteil beschrieben, im Datenzentrum des WEK-Institutes für Geo­

physik editiert, sortiert, rotiert und in großem Maßstab als vollständige

Serie eines Schusses abgespielt wurden und die Daten erneut abgelesen

und vorläufig abschließend kontrolliert worden waren, wurde eine Aniso­

tropie-Korrektur angebracht, die allein aus der Darstellung Strahlwinkel

gegen Strahlgeschwindigkeit des Feldes 1 ermittelt wurde (Abb. 29,34,35).

Das Tomogramm der Daten mit Anisotropie-Korrektur vom März 1986 ist

in der Abb. 38 gezeigt. Die Anisotropie-Korrektur bewirkt einen starken

Ausgleich der Geschwindigkeitsverteilung. Die hellen Bereiche mit be­

sonders hohen Geschwindigkeiten auf der linken Seite sind verschwunden.

Die schwächezone Sla am Bohrlochmund der BaUS 85.002 ist nur noch

schwach zu erkennen, die Schwäche zone Slb endet noch vor der Bohrung

BaUS 85.001. In der rechten unteren Ecke werden die geringsten Ge­

schwindigkeiten beobachtet.

Es wurden in der Zeit von März bis August mit erheblichem Personalauf­

wand Feinkorrekturen an den Laufzeitdaten vorgenommen, um die Aussage­

fähigkeit des Verfahrens nicht durch eventuell noch behebbare systema­

tische Fehler einzuschränken. Dies geschah durch wiederholtes, interak­

tives Durchlaufen der Kontrollen, Rückkontrolle in den Rohdaten und

eventuelles Anbringen von Feinkorrekturen in der Größenordnung von 0,1

ms bis 0,2 ms.

Das Endergebnis für das Feld 1 ist in Abb. 39 dargestellt (Feld 2:

Abb.47, Feld 3: Abb. 55 und Feld 4: Abb. 63). Diese Tomogramme und alle

folgenden wurden nach Anbringen der für alle Felder gemeinsamen Aniso­

tropie-Korrektur und unter verwendung der letzten Bohrlochlagevermessung

durch SOLEXPERTS vom November 1986 ermittelt. Die Auswirkungen der oben

erwähnten Feinkorrekturen auf das Endergebnis sind gering, dagegen sind

veränderungen im Abbild auf die Anisotropiekorrektur und auf die neue

Bohrlochlagevermessung zurückzuführen.

Die Tomogramme der Felder 1 und 2 lassen keine durchgehenden Störelemente

mit konstanten Geschwindigkeiten wie streifenförmigen Schwäche zonen er­

kennen. Das läßt darauf schließen, daß die Annahme, die schwächezonen

verlaufen mit etwa gleichbleibender Mächtigkeit, nicht gerechtfertigt

ist; vielmehr verändern sich die Geschwindigkeiten in den Störbereichen


NAGRA NTB 88-06 - 49 -

kleinräumig.

Wir wollen darauf verzichten, Details der Tomogramme zu diskutieren,

weil wir glauben, daß diese Darstellungen für sich klar genug und auch

vertrauenswürdig sind. Eine Interpretation sollte nur zusammen mit den

schon existierenden geologischen Erkenntnissen erfolgen.

Einige pauschale Bemerkungen zur Verläßlichkeit sollen hier gemacht

werden.

a) Die Ecken an den Übergängen vom Laborstollen zu den beiden Bohrungen

neigen aufgrund der begrenzten Zeitauflösung der Seismogramme von

minimal 0,125 ms und den relativ kurzen Strahllängen von minimal

2,5 m zu höheren Fehlern in der Geschwindigkeit.

b) Die in den einzelnen Tomogrammen augenfälligen trichterförmigen Be­

reiche zwischen den jeweiligen Bohrlochenden zeigen wegen der dort

stark eingeschränkten Strahldichte und Strahl richtungen verringerte

Auflösungen in Längsrichtung der Strahlen und neigen außerdem dazu,

"Abfalleimer" der Restfelder zu sein (Die trichterförmigen Bereiche

sind in der beiliegenden Folie besonders gekennzeichnet). Die Ge­

schwindigkeitswerte in diesen Trichtern sind mit höheren Fehlern

behaftet, relative Änderungen sind dennoch auch dort erkennbar. Im

Restbild darf man davon ausgehen, daß die erkennbaren Anomalien geo­

logische Ursachen haben.

c) Die Übereinstimmung der absoluten Geschwindigkeiten an der Kontakt­

linie der unabhängig voneinander invertierten Felder 1 und 2 entlang

der Bohrung BOUS 85.002 (Abb. 65 oder 68) sowie dem Feld 3 und 4

entlang des Laborstollens sind ausgezeichnet (Abb. 69 und 70).

Die schwächezone Sla ist klar durch die Felder 1 und 2 zu verfolgen. Sie

wird durch eine bisher nicht bekannte Schwächezone, die ebenfalls wieder

durch beide Felder zu verfolgen ist, gequert und versetzt. Vier einzelne

Lamprophyrsreifen am Laborstollen sind ebenfalls gut erkennbar. Die

Schwäche zone Slb ist im Bereich des Feldes 1 ebenfalls deutlich sicht­

bar. Es ist bemerkenswert, daß im Tomogramm diese Zone nicht bis zur

Bohrung BOUS 85.001 verfolgt werden kann. Aus den geologischen Informa­

tionen war unseres Wissens nach eine Korrellation zwischen den Bohrungen

nicht möglich, was nun durch das Tomogramm bestätigt wird.


NAGRA NTB 88-06 - 50 -

Die neu erkannte Schwächezone quert die Schwächezone Slb innerhalb

des Feldes 1 aber sehr nahe an der Bohrung BOUS 85.002. Eventuell sind

hier Änderungen im Charakter der Slb zu erwarten, die im Tomogramm

eine Aufspaltung erkennen läßt. Im Feld 2 sind nur noch schwache Andeu­

tungen der Slb zu erkennen. Aus Gründen der Meßgeometrie kann man kein

deutliches Abbild der Slb innerhalb des auf der Klarsichtfolie einge­

zeichneten Dreiecks zwischen den Bohrlochenden der Bohrungen BOUS 85.002

und 003 erwarten. Dennoch sind auch in diesem Dreiecksbereich, in dem

die Geschwindigkeitsverteilung eindeutig asymmetrisch erscheint, links

(südwestlich) noch Andeutungen der Slb zu erkennen, so daß man davon aus­

gehen kann, daß die Schwäche zone die schon aus der Geologie vorherge­

sagte Fortsetzung findet.

Es sind in der südöstlichen Ecke des Feldes 2 noch weitere schmale Strei­

fen mit der S1 Richtung zu erkennen. Weitere Streifen mit der Richtung

der neu erkannten, querenden Schwäche zone sind zwischen der südöstlichen

und nordwestlichen Ecke des Feldes 2 sichtbar.

Anhand der vorliegenden Tomogramme kann die Frage nach dem eventuellen

Verlust an Auflösung der Störstrukturen bei Vergrößerung des Bohrloch­

abstandes und des Stationsabstandes angesprochen werden.

Zu diesem Zweck können z.B. die Farbdarstellungen der Felder 1 und 2

(Abb. 68) und des Feldes 3 (Abb. 69) miteinander verglichen werden. In

Abb. 68 sind die unabhängig gemessenen Felder 1 und 2 nebeneinander dar­

gestellt. Diese Felder wurden mit einem Stationsabstand von 2,5 m ver­

messen und ebenfalls mit 2,5 m großen Gitterelementen invertiert. Das

Feld 3 dagegen, das die Größe von Feld 1 plus Feld 2 hat, wurde mit dem

doppelten Stationsabstand vermessen und mit 5 m großen Gitterelementen

invertiert.

Sehr deutlich macht sich der Informationsverlust in Abb. 69 durch das

Fehlen von Stationen entlang der Bohrung BOUS 85.002 bemerkbar. Die

Anomalien sind glatter und mit deutlich verringerter. Auflösung zu er­

kennen. Es sind keine Anzeichen der schwäche zone Slb mehr sichtbar. Der

dreieckige Bereich mit verringerter Auflösung zwischen den Bohrlochenden


NAGRA NTB 88-06 - 51 -

ist wegen des großen Bohrlochabstandes größer geworden. Durch das Ver­

doppeln des Punktabstandes geht die Feinauflösung an den Feldrändern

entlang der beiden Bohrungen und des Laborstollens verloren. Das Ver­

größern der Gitterelemente geht ebenfalls zu Lasten der Feinauflösung.

Weiterhin erkennbar bleibt aber die störung S1a mit einer parallelen

störung im Bereich der BK-Strecke (vergI. Abb. 1) und die nordwest­

südost streichende und die S1a querende Schwächezone mit einigen Parallelstörungen.

Wird nun die Strahldichte dadurch verringert, daß nur noch ein Teil der

beobachteten Strahlen in die Inversionsrechnung eingegeben werden, so

verschlechtert sich die Auflösung weiterhin an den Feldrändern. Ver­

tragsgemäß wurde die Strahldichte auf 50 % (Abb. 71) und 25 % (Abb. 72)

verringert. Die Reduktion auf etwa 50 % wird dadurch erreicht, daß nur

noch die Strahlen zu jeder zweiten Station entlang der Bohrungen verwen­

det werden. Die Strahlen zu den Stationen entlang des Laborstollens wur­

den nicht ausgedünnt. Bei der Reduktion auf 25 % wurden nun auch die

Strahlen zu jeder zweiten Station am Laborstollen herausgenommen. Mit

verringerter Strahldichte mußte die Inversionsrechnung schon nach einer

geringeren Anzahl von Iterationen (10) abgebrochen werden, weil die Ten­

denz zur sprunghaften Variation der Geschwindigkeiten von Element zu

Element (Schachbrettmuster) bereits früher einsetzte. Dieser Tendenz

könnte man durch Bildbearbeitungsprozesse, wie Filterung, begegnen.

Vergleicht man das Graustufenbild des Feldes 3 unter Verwendung der

vollen Strahldichte (Abb. 56) mit dem Tomogramm nach Strahlreduktion auf

50 % (Abb. 71), so fällt zunächst das Schachbrettmuster entlang der Bohrungen

auf. Dies entsteht durch stark wechselnde Strahldichte in den

einzelnen Gitterelementen. Einige Elemente werden nicht mehr durch Strah­

len gequert. Dieser Variation könnten wir durch Vergrößern der Gitterele­

mente oder durch Glättung begegnen. Was allerdings eine Verringerung der

Auflösung auch im Inneren der Fläche bewirkt. Der Kontrast zwischen den

Geschwindigkeiten in der Schwäche zone Sla und dem Nachbargestein wird

größer, weil jetzt die relative Anzahl der die Störung querenden Strah­

len im Vergleich zu den störungsparallelen Strahlen verringert wird und

damit die Eingrenzung der Schwächezone besser gelingt. Es sind in heiden

Abbildungen die gleichen Anomalien erkennbar. Wird die Strahldichte wei­

ter auf 25 % verringert (Abb.72), so werden zwar die Bildkontraste wie­

der geringer, aber der Informationsverlust gegenüber der Abbildung mit


NAGRA NTB 88-06 - 53 -

Daten in Intervallen von 5 m integriert, so daß eine der Tomographie

eher vergleichbare Auflösung entsteht.

Ein Vergleich der Tomogrammdaten mit den SONIC-Daten geht über den hier

zugrundeliegenden Auftrag durch die NAGRA hinaus. Es wurden dennoch Pro­

gramme geschrieben, die ein "Geschwindigkeitsprofil" entlang gewünschter

Linien aus den Tomogrammen erzeugen. Hierzu werden entweder die Geschwindigkeitswerte

der durch die vorgegebene Linie gequerten einzelnen Gitter­

elemente oder gleitende Mittel über die direkten Nachbarelemente ermit­

telt und dargestellt. Die Mittelung mit den direkten Nachbarelementen

ist notwendig, wenn die Geschwindigkeitsprofile entlang der Feldränder

angeordnet werden. An den Feldrändern sind die Gitterelementwerte auf­

grund der stark variierenden Strahlanzahl und nur noch gering vari­

ierenden Strahlrichtung größeren Schwankungen unterworfen. Die optimalen

Parameter, mit denen die Geschwindigkeitsprofile aus den Tomogrammen und

den SONIC-LOGS für einen direkten Vergleich ermittelt werden sollten,

müssen in weiteren Versuchen noch ermittelt werden. Solche Versuche las­

sen sich innerhalb dieses Auftrages nicht mehr unterbringen.

Die Geschwindigkeitsprofile der integrierten SONIC-LOGS (dünne Kurve) und

der Tomogramme (fett: mit Anisotropiekorrektur; gestrichelt: ohne Aniso­

tropiekorrektur) sind in den Abbildungen 73 bis 78 dargestellt. Die Kur­

ven wurden aus einer gleitenden Matrix von 3x3 Elementen ermittelt.

Im Fall der Bohrung BOUS 85.001 beträgt der Mittelwert des gesamten

SONIC-Profils 5360 m/s und im Fall der anisotropiekorrigierten Tomogramme

aus Feld 1 und Feld 3 5325 mise Die Differenz von 35 m/s beträgt weniger

als 1 % des Mittelwertes. Die Übereinstimmung dieser absoluten Geschwin­

digkeiten ist also ausgezeichnet und zunächst nicht zu erwarten, da es

sich um sehr unterschiedliche Meßsysteme handelt. Eine ähnlich gute

Übereinstimmung wird auch für die beiden anderen Bohrungen beobachtet.

Vergleicht man zunächst die Geschwindigkeitsprofile aus den Tomogrammen

nach der Anisotropiekorrektur, die für die verschiedenen Felder am gleichen

Bohrloch entstanden, so fällt auf, daß die Kurven übereinanderge­

legt nahezu identisch sind.

BOUS 85.001 aus Feld 1 und Feld 3 (überlappende Tomogramme) Abb. 73,74

BOUS 85.002 aus Feld 1 und Feld 2 (angrenzende Tomog.ramme) Abb. 75, 76

BOUS 85.001 aus Feld 1 und Feld 3 (überlappende Tomogramme) Abb. 77,78


NAGRA NTB 88-06 - 55 -

Schwächezone Slb. Im Tomogramm erscheinen diese Minima näher beieinander

als im SONIC-LOG. Die beiden Schwäche zonen (s. z.B. Abb. 48 oder Abb. 68)

queren einander in unmittelbarer Nähe der Bohrung BOUS 85.002. In der

Kurve des Feldes 2 sind das zweite und das dritte Minimum deutlicher voneinander

getrennt (82 und 104 m) als in der Kurve des Feldes 1 in der

nur noch ein breites Minimum erscheint, das ein Zwischenminimum bei 95 m

und das Hauptminimum bei 110 m erkennen läßt. Das deutliche Geschwindigkeitsminimum,

das im SONIC-LOG bei 67 m zu erkennen ist, erscheint weder

in der Kurve des Feldes 1 noch der des Feldes 2. Im Farbtomogramm (Abb.

68) sind bei 60-65 m nur schwache Andeutungen einer Geschwindigkeitsverringerung

zu erkennen.

Die Geschwindigkeitsprofile der Bohrung BOUS 85.003 zeigen eine ausgezeichnete

Übereinstimmung. Dies gilt insbesondere für das Profil des

Feldes 2, das, wie schon oben gesagt, feiner auflöst als das des Feldes

3. Es finden sich alle Geschwindigkeitsvariationen des Tomogramms auch

im SONIC-LOG wieder. Die Geschwindigkeitsreduktion bei ca. 110 m wird

durch die Schwäche zone Sla erzeugt, diejenige bei etwa 57 m und ca. 25 m

durch jeweils eine dazu parallele störung. Die Anomalie am Bohrlochmund

wird durch eine störung mit südost-nordwestlicher Richtung (Diagonale im

Tomogramm) erzeugt.

Die Hauptmerkmale der Kurven stimmen also bis auf wenige Prozent gut

überein. Die gute Übereinstimmung der besprochenen Daten rechtfertigt

das Vertrauen in die Qualität und Aussagefähigkeit der Tomogramme. Die

Abweichungen bei 65 m in BOUS 85.002 sollte man noch genauer untersuchen.

Sie können unter Umständen einem sehr begrenzten bohrlochnahen

Effekt zugeordnet werden.


NAGRA NTB 88-06 - 56 -

5.4. Gegenüberstellung der endgültigen Tomogramme

Der vergleich der endgültigen Tomogramme der Felder 1 und 2 (Abb.68) mit

dem des Feldes 3 (Abb. 69) ermöglicht eine Aussage über das Auflösungs­

vermögen der Tomographie bei unterschiedlichen Feldgrößen und Strahl­

überdeckungen. Eine solche Aussage ist bei den iterativen Verfahren im

Gegensatz zur direkten Matrixinversion nicht direkt zu errechnen.

Wie in Kapitel 5.2 gezeigt wurde, ist der Stationsabstand und die

Strahlendichte in dem hier variierten Bereich von geringem Einfluß auf

die Auflösung, vielmehr ist die Einschränkung der Feldumstellung und

dadurch bedingte Verringerung der Strahlrichtungsverteilung von größerer

Bedeutung. In den Bereichen mit relativ eingeschränkter Strahlrichtung

sind die tatsächlichen Parameterverteilungen nicht eindeutig lösbar.

Es tritt eine Verschmierung in Strahlrichtung auf.

Bereiche geringer Strahlwinkelvariation und Strahldichte bilden sich bei

3-seitiger (U-förmiger) Feldumstellung besonders zwischen den offenen

Enden des U's aus. In der beiliegenden Transparentfolie ist neben den

Feldbegrenzungen durch Bohrungen und Tunnel auch der jeweils winkelmäßig

schlecht überdeckte Bereich näherungsweise als Dreieck angegeben. Dieser

Bereich ist in den Tomogrammen (Abb.68 und 69) ganz augenfällig. Genau­

ere Aussagen über die Größe und Lage des Bereiches sowie seine Auswir­

kung auf die zu lösende Slownessverteilung ergibt sich durch die Be­

rechnung des Produkts der Laufzeitresiduen mit den Diagonalelementen der

Lösungsmatrix bei Verwendung der direkten Matrix-Inversionsmethode. Eine

ähnliche Bestimmung des Auflösungsvermögens ist bei einer iterativen

Lösung nicht möglich.

Interpretationen von Tomogrammen aus diesen Dreiecksbereichen sind sehr

schwierig und nicht eindeutig. Aus Modellrechnungen wissen wir, daß lo­

kale Anomalien in der vorherrschenden Strahl richtung verschmiert wer­

den, wenn sie von Strahlen nicht mehr allseitig begrenzt werden. Aus

geometrischen Gründen wächst der Dreiecksbereich mit geringerer Strahl­

winkelvariation, in dem etwa tunnelparallele Strahlrichtungen vor­

herrschen, von Feld 1 mit 70 m Basislänge über Feld 2 mit 150 m Basis­

länge zu Feld 3 mit 220 m Basislänge.


NAGHA Nm 88-06 - 57 -

In Abbildungen 68 und 69 sind die farbigen Tomogramme der Felder 1-3

dargestellt. Wie oben und in der Legende der Bilder erwähnt, gibt der

Farbcode die seismischen Geschwindigkeiten wieder.

Der direkte Vergleich der beiden Abbildungen zeigt in den großen

Strukturen Übereinstimmungen aber Abweichungen in Details. So wird in

beiden Abbildungen die position des Lamprophyrs in der Mitte des Feldes

deutlich wiedergegeben. Insbesondere seine verschneidung mit der Sl­

Scherzone in der Nähe des Laborstollens ist deutlich zu erkennen. Die

Scherzone Sl schneidet den Laborstollen etwa bei Tunnelmeter 70 und

verläuft in WSW-Richtung. Die Schnittlinie der Zone mit der Bohrung BOUS

85.003, die im Farbtomogramm in roter und gelber Farbe dargestellt

ist, ist identisch mit einem Bereich, in dem eine erhöhte Zahl von

Scherbrüchen in den Bohrkernen beobachtet wurde (Dr.Sattel, pers. Mit­

teilung) .

Details, die in den Tomogrammen der Felder 1 und 2 zu erkennen sind,

findet man nicht oder nur andeutungsweise im Tomogramm des Feldes 3.

Dies ist auf das Fehlen der Strahlen zur Bohrung BOUS 85.002 zurückzu­

führen, wodurch zum einen ein großes winkelmäßig schlecht überdecktes

Teildreieck entsteht, in dem die lokalen Anomalien in tunnelparalleler

Richtung verschmiert werden, und zum anderen erheblich weniger Strahlen

verwendet werden. Stehen doch den ca. 18.000 Strahlen aus Feld 1 und 2

nur ca. 3.600 Strahlen aus Feld 3 gegenüber.


NAGRA NTB 88-06 - 58 -

6 • SCHLUSSFOLGERUNGEN UND EMPFEHLUNGEN

Im Rahmen des seismischen Tomographie-Projekts wurden ca. 120.000 Seismogramme

registriert. In dieser Zahl sind neben den eigentlichen Datenspuren

sowohl Triggersignale, Referenzaufnehmersignale, Zweikomponentenregistrierungen

als auch Testmessungen enthalten. Die Inversion des

größten Datensatzes erfolgte mit den Ergebnissen von ca. 10.000 Strahlen

unter Verwendung von 3.900 Gitterelementen. Seismische Durchschallungsmessungen

in dieser Größenordnung und Meßdichte sind weltweit bisher

noch nicht veröffentlicht worden.

Es wurden wesentliche Erkenntnisse in der Feldtechnik, der Datenverwaltung,

Datenverdichtung, Datenkontrolle und Darstellung gewonnen, so daß

bei eventuellen späteren Messungen mit einer wesentlichen Verringerung

der Meß- und Auswertezeit gerechnet werden kann.

Die Ergebnisse zeigten, daß Gebiete in der Größe bis zu 500 * 250 m mit

Hilfe der seismischen Tomographie erfolgreich untersucht und Störungen

lokalisiert werden können.

Wie durch theoretische Studien und Modellrechnungen belegt wurde, ist

die 3-seitige Umstrahlung eines Feldes nicht die optimale, aber oft die

beste praktikable Lösung. Hierbei tendieren die Inversionsalgorithmen

dazu, Teilgebiete mit geringer Strahlanzahl und winkelmäßiger Strahlüberdeckung

nur schlecht aufzulösen, bzw. Fehler aus anderen Teilgebieten

in das schlecht überdeckte Gebiet zu transferieren. Als eine Faustregel

für die Feldgeometrie mag gelten, daß bei einem rechteckigen

untersuchungsfeld die dritte Seite (z.B. Stollen) nicht größer als die

anderen Seiten (z.B. 2 parallele Bohrungen) sein sollte. Tomogramme der

Felder 1 und 2, die dieser Bedingung entsprechen, zeigen weit bessere

Auflösung und damit befriedigendere Ergebnisse als diejenigen aus

Feld 3.

Eine Optimierung der seismischen Tomographie für den routinemäßigen

Feldbetrieb bedeutet im wesentlichen Verringerung der Meß- und Auswertezeiten.

Dies läßt sich nur erreichen durch eine Verbesserung der

Feldtechnik und eine weitere Automatisierung der Datenverarbeitung.


NAGRA NTB 88-06 - 59 -

während der Feldmessungen erzielt man wesentliche Zeiteinsparungen durch

die Entwicklung und den Einsatz von Quellen, die mit einer oder nur we­

nigen Anregung(en) Seismogramme mit gutem Signal/Rausch-verhältnis an

den Beobachtungsaufnehmern erzeugen.

An der Aufnehmerseite sollte an allen Meßpunkten gleichzeitig

registriert werden, um optimale Kohärenz der Signale zu erreichen und

den Sortier- und Quellkorrekturaufwand bei der Datenbearbeitung zu

verringern. Eine starke hochfrequente und triggerpräzise Quelle zusammen

mit einer möglichst vollständigen Umstellung der Meßfläche durch eine

Aufnehmerauslage könnte die Meßzeiten soweit verringern, daß eine tomo­

graphische Messung, wie die oben beschriebene, in etwa 3 Wochen durch­

geführt werden könnte. Sprengungen sind hierfür besonders geeignet, sie

regen allerdings Scherwellen nicht in dem Maß an wie Schlagquellen und

hinterlassen Spuren in den Bohrungen.

In der Datenbearbeitungsphase verkürzen die automatischen bzw. halb­

automatischen Ablesungen von Einsatzzeiten den Arbeitsaufwand erheblich.

Um einen qualitativ guten Eingabedatensatz für die Inversion zu gewin­

nen, ist bisher ein hoher personeller Aufwand getrieben worden. Die

Bestimmung der Einsatzzeiten aus den beobachteten Seismogrammen sollte

ohne Präzisionsverlust automatisiert werden. In Fällen, wo dies auf

Grund der Datenqualität nicht möglich ist, sollten interaktive rechner­

gestützte Methoden eingesetzt werden. Hierdurch ist eine große Zeiter­

sparnis bei der Auswertung zu erreichene Das WBK-Institut für Geophysik

hat als einen ersten Schritt in dieser Richtung die Übernahme der Erst­

einsätze über ein Digitalisier-Tableau direkt in das Datenfile reali­

siert. Allein durch diese Maßnahme wird die Ablese- und Eintragezeit auf

etwa ein zehntel reduziert und die Fehlermöglichkeiten deutlich verringert.

Die Auswertearbeiten innerhalb diese Auftrages waren auf die Erstein­

satzzeiten der P-Welle beschränkt. Die gewonnenen Daten zeigen, daß wei­

tere Datenauswertungen möglich sind, die wichtige Zusatzinformationen

liefern könnten:

Scherwellentomographie zur Bestimmung der dynamisphen elastischen

Parameter,


NAGRA NTB 88-06 - 60 -

- Auswertung von reflektierten Wellen, die im Bohrloch geführt werden

(Tube-Waves) zur Unterscheidung der wasserführenden von trockenen

Klüften,

Interpretation der P-Wellen-Reflexionen zur genaueren geometrischen

Festlegung der Diskontinuitäten,

Interpretation der Frequenzänderungen der P-Wellen Signale zur Cha­

rakterisierung von Störungen.


NAGRA NTB 88-06 - 61 -

7 • ÜBERSlaITEN

7.1. Literaturverzeichnis

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Oct 11-15,1987, New Orleans.


NAGRA NTB 88-06 - 65 -

7.3. Liste der verwendeten Einheiten

Länge:

Masse:

zeit:

Druck:

Geschwindigkeit:

Frequenz:

Energie:

Datenbearbeitung:

Verhältnisse:

m, cm, mm

g •

Std, min, s, ms

bar = 105 kg/m*s2

m/s

Hz, kHz 322

kJ = 10 kg*m /s

bit = kleinste digitale Dateneinheit

byte = 8 bit, Mbyte = 10 6 byte, Gbyte 10 9 byte

Record = Aufzeichnung aller Spuren eines Schusses

dB = 20 19 (W1IW2)

W 1 = Eingangswert

W 2 = Ausgangswert


y Quellen

Aufnehmer

• •

Abb. 2: Prüfling (Vi) mit Anomalie (V 2 ) in einer Durchstrahlungsein­

richtung und die Laufzeitkurve zur dargestellten Strahlprojektion.

x

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Handhammer

Handhammer

Abb. 18: Strahlschemata im Feld 3. Nur die Strahlen zu jeder

zweiten Station wurden dargestellt.

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cu

Cl

c:

:::J

Cl

c:

CU

J.e.

U)

J.-

CU

E

J:

CU

c:

-::::J

«


Abb. 63: Tomogramm vom Feld 3, Geschwindigkeiten unterhalb 5150 m/s sind schwarz und oberhalb weiß dargestellt.

Unter der Annahme, daß die Geschwindigkeit 5150 m/s die Grenze zwischen gestörten und

ungestörten Gesteinspartien darstellt erscheinen die gestörten Gesteinsbereiche schwarz und die

ungestörten weiß.


Abb. 68: Tomogramm vom Feld 1 und Feld 2 ineinander montiert in farbiger

Isoliniendarstellung. 13 Geschwindigkeitsintervalle sind durch

Isolinien getrennt und mit Farbstufen dargestellt. Gestörte

Gesteinsbereiche sind rot bis gelb gekennzeichnet. Ungestörte

Gesteinsbereiche sind blau bis grün gekennzeichnet.


m

\

L

Abb. 69: Tomogramm vom Feld 3 in farbiger Isoliniendarstellung.

(sonst wie Abb. 68)


Abb. 70: Tomogramm vom Feld 4 in farbiger Isoliniendarstellung.

(sonst wie Abb. 68)


Abb. 79: Darstellung der korrigierten Amplituden als Funktion der Auf­

nehmerpositionsnummern in BOUS 85.001 und BOUS 85.002 für alle

Quellpunkte des Feldes 1.


Abb. 80: Darstellung der korrigierten Amplituden ·als Funktion der Auf­

nehmerpositionsnummern in BOUS 85.002 und BOUS 85.003 für alle

Quellpunkte des Feldes 2.

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