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HYDROLOGISCHE EFFEKTE IN
DER TERRESTRISCHEN
GRAVIMETRIE
Matthias Weigelt
18.11.2011
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oder …
2
oder …
3
Gravimeter
oder …
4
Gravimeter
Seismologische
Station Membach
Belgien
oder …
5
Gravimeter
Seismologische
Station Membach
Belgien
Staufen
im Breisgau
oder …
6
Gravimeter
Seismologische
Station Membach
Belgien
Staufen
im Breisgau
Pyramiden von Gizeh
Inhalt
• Gravimetrie
• Hydrologische Einflüsse
• Anwendungsbeispiele
7
GRAVIMETRIE
Methoden der Schweremessung
9
SLR Schwerefeld-
missionen
Satelliten-
altimetrie
Gravimetrie
Relativ
Supercon-
ducting
Absolut
Feder Pendel Freifall
satellitengestützt
terrestrisch
Dynamisch
Airborne Shipborne Terrestrisch
Statisch
Terrestrisch
Absolute Gravimetrie - Freifallmethode
• Distanzmessung per
Laserinterferometrie
• Zeitmessung mit Atomuhr
• Genauigkeit:
Grundgleichung:
10 © micro-g
Relative Gravimetrie - Federmethode
Prinzip einer generalisierten
Hebel-Feder-Waage:
• Bestimmung von
Schweredifferenzen
• Messung von
Positionsänderungen
• Drift:
• Genauigkeit: 11
© Scintrex
© Scintrex
Relative Gravimetrie - Federmethode
Prinzip einer generalisierten
Hebel-Feder-Waage:
• Bestimmung von
Schweredifferenzen
• Messung von
Positionsänderungen
• Drift:
• Genauigkeit: 12
© Scintrex
© Scintrex
Supraleitende Gravimetrie
13
• Gruppe der relativen
Gravimeter
• Messung der magnetischen
Rückstellkräfte, um eine
Testmasse in Schwebung zu
halten
• Aufbau häufig in Minen oder
unterirdischen Bunkern
• Drift:
• Genauigkeit:
Externe Masseneinflüsse
AG RG SG
Gezeiten (Drittkörperkräfte)
Deformationen durch Gezeiten
Ozeangezeiten 10 cm 50 cm 1 mm
Atmosphärischer Luftdruck 3
mbar
15
mbar
0.03
mbar
Hydrologie 2,5cm 12,1cm 0.2mm
in Böden Multiplikation mit der Porosität: 14
HYDROLOGISCHE EFFEKTE
Hydrologie
16
Grundwasser
Bodenfeuchte
Ungesättigte
Zone
Gesättigte
Zone
Oberflächen-
wasser
Eis
Atmosphärisches
Wasser
Vegetation
Wassertransporte – z.B. Atmosphäre
17
Niederschlag
Evaporation
Transpiration
Sublimation
Aufnahme
Schnee
Transport
Wassertransporte – z.B. Atmosphäre
18
Niederschlag
Evaporation
Transpiration
Sublimation
Aufnahme
Schnee
Transport
Wassertransporte – z.B. Atmosphäre
19
Niederschlag
Evaporation
Transpiration
Sublimation
Aufnahme
Schnee
Transport
Hydrologie – z.B. Bodenfeuchte
20
Evaporation Aufnahme
Transport
Infiltration
Versickerung
Schmelze
Hydrologie – z.B. Bodenfeuchte
21
Evaporation Aufnahme
Transport
Infiltration
Versickerung
Schmelze
Hydrologie – z.B. Bodenfeuchte
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Evaporation Aufnahme
Transport
Infiltration
Versickerung
Schmelze
Massentransporte
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Niederschlag Transpiration
Sublimation
Schnee
Evaporation Oberflächen-
abfluss
Versickerung
Infiltration Schmelze
Grundwasser-
aufnahme
Grundwasser-
abfluss
Abfluss
Aufnahme
nach Creutzfeldt 2010
Schwereeinfluss
24
Bodenfeuchte
Schwereeinfluss
25
Bodenfeuchte Δg
Schwereeinfluss
26
Bodenfeuchte
Schwereeinfluss
27
Bodenfeuchte
Δg ?
Newton + Deformation
28
Potentialfläche P
Oberfläche
g
Newton + Deformation
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Potentialfläche P
Oberfläche
g
Newton + Deformation
30
Potentialfläche
Oberfläche
P
g
Newton + Deformation
31
Potentialfläche
Oberfläche
P
g
Newton + Deformation
32
Potentialfläche
Oberfläche
P
g
mit
Räumliche Skalen für
Gebiet Skala Schwere
lokal < 10 km Direkter Effekt
regional < 600 km -
global > 600 km Indirekte Effekte + Auflasten
33
• nach einer Studie von Llubes et al. (2004)
• Unterteilung in drei Gebietsgrößen
• Richtlinie für Absolut- und (transportable) Relativgravimeter
Räumliche Skalen für
Gebiet Skala Schwere
lokal < 10 km Direkter Effekt
regional < 600 km Direkter Effekt + Indirekte
Effekte + Auflasten
global > 600 km Direkter Effekt + Indirekte
Effekte + Auflasten
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• nach einer Studie von Llubes et al. (2004)
• Unterteilung in drei Gebietsgrößen
• Richtlinie für Supraleitende Gravimeter
ANWENDUNGSBEISPIELE
Supraleitende Gravimetrie – Station Membach
• Studie von Van Camp et al. (2006)
• Untersuchung des Einflusses hydrologischer Effekte auf
Messungen eines supraleitenden Gravimeters
• Anwendung im Sinne einer Korrektion an die Messungen
• Residuen nach Abzug aller bekannten Störeffekte
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Lokale Modellierung
Zusätzliche Messungen:
• Wasserstände von
Wasserreservoirs
• Niederschlagsmengen
• Lokale Petrologie mittels
Tomography
• Bodenfeuchte
• Digitales Geländemodell
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Supraleitende Gravimetrie – Station Membach
38
Supraleitende Gravimetrie & Hydrologie
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• Studie von Creutzfeld (2010): Kalibration von
hydrologischen Modellen mittels supraleitender
Gravimetrie
• Vorteil: Kalibration mit integralem Signal
• Nachteil: Trennung von Quellen und Variationen
einzelner Komponenten nicht möglich
Supraleitende Gravimetrie & Hydrologie
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• Studie von Creutzfeld (2010): Kalibration von
hydrologischen Modellen mittels supraleitender
Gravimetrie
• Vorteil: Kalibration mit integralem Signal
• Nachteil: Trennung von Quellen und Variationen
einzelner Komponenten nicht möglich
Geothermieunfall Staufen
41
Gipskeuper
© WDR
Geothermieunfall Staufen
42
Gipskeuper
© WDR
Geothermieunfall Staufen
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Gipskeuper
© WDR
Geothermieunfall Staufen - Schäden
• Maximale Hebung: 30cm
• 247 Häuser schwer beschädigt
• Kosten 50+ Millionen Euro
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Messkampagne Staufen
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Ein hydrologischer Effekt der anderen Art …
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Ein hydrologischer Effekt der anderen Art …
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Theorie von Jean-Pierre Houdin (2002)
Ein hydrologischer Effekt der anderen Art …
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Theorie von Jean-Pierre Houdin (2002)
Messung in der unvollendeten Grabkammer
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Gizeh – heute und damals
50
Gizeh – heute und damals
51
Gizeh – heute und damals
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Messung
Zusammenfassung
• Gravimeter sind heutzutage in der Lage, hydrologisch
induzierte Massentransporte zu messen.
• Die hydrologischen Teilsysteme haben ein komplexe
Interaktionen, die noch nicht (vollständig) verstanden
sind.
• Someone‘s noise is another one‘s signal.
• Hydrologische Phänomene sollten/können nicht
unabhängig von ihrer Umgebung betrachtet werden.
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