Modellierung des Einflusses von Lithologie und strukturgeologischen Merkmalen auf Deformationen der Erdkruste
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Deformationen der Erdkruste, wie sie beispielsweise durch Gezeiten oder Massenumlagerungen verursacht werden, werden mit verschiedenen geophysikalischen und geodätischen Instrumenten erfasst. Je nach Instrument werden Längenänderungen, Neigungen oder Verschiebungen beobachtet. Den geodynamischen Anteilen wie Erdgezeiten oder tektonisch bedingte aperiodische Änderungen sind Signalanteile überlagert, die durch Luftdruck-, Temperatur- und Porendruckvariationen in Kombination mit Gegebenheiten in der Umgebung der Messinstrumente wie Hohlräume, Topographie und Geologie entstehen. Zur Verbesserung der Signal-Stör-Verhältnisse müssen diese Anteile vor der A- nalyse möglichst gut reduziert werden. Dies betrifft auch Seismometer- und Gravimeterregistrierungen, die ebenfalls Deformations-bedingte Störsignale enthalten. Da Luftdruckschwankungen zu einem wesentlichen Teil Störeffekte verursachen konzentrieren sich die Untersuchungen im Projekt auf ihre Einwirkung. Die Untersuchungen werden mit der Finite-Element-Modellierung vorgenommen. Da nur elastische Prozesse eine Rolle spielen, können die resultierenden Deformationen entsprechend realer Belastungen skaliert werden. Die Untersuchung der Effekte wird getrennt nach lokaler und regionaler Skala vorgenommen. Ziel der Untersuchungen ist, die Größenordnung einzelner Einflußfaktoren zu quantifizieren, die Übertragungsmechanismen zu verstehen und eine Grundlage für Reduktionen sowie Auswahlkriterien für zukünftige Instrumentenstandorte bereitzustellen. Die Untersuchungen auf lokaler Skala (Größenordnung 1 km um Observatorium) teilen sich auf in Untersuchungen an Kastenmodellen mit vereinfachter Geometrie zur Ableitung prinzipieller Mechanismen und in exemplarische Untersuchungen an den mitteleuropäischen Breitbandobservatorien Schiltach, Moxa, Sopron und Wettzell. Die Observatorien unterscheiden sich bzgl. Stollengeometrie, Topographie und Geologie bei, für die hier vorgenommenen Untersuchungen relevanter, vergleichbarer Instrumentierung. Als wesentliche Ergebnisse der Untersuchungen auf lokaler Skala sind zu nennen: • Die Deformationskomponenten, die senkrecht zu den untersuchten Einflußfaktoren orientiert sind, zeigen die größten Signale. • Durch die Topographie erzeugte Signale liegen bei maximal 2 nstrain für Längenänderungen und 2 nrad für Neigungen bei einer Luftdruckänderung von 1 hPa für Instrumente, die auf dem Stollenboden installiert sind. Die Hohlraumeffekte betragen etwa 50% des topographischen Einflusses. Die von der Geologie herrührenden Effekte (Lithologie, Störungen) sind ca. um den Faktor 3-5 größer. • Gegenüber einer Hangsituation zeigt eine Tal-Situation verstärkte Signale in der senkrecht zur Topographie orientierten Instrumentenkomponente. • Grenzen in einer Observatoriumsumgebung zwei lithologische Einheiten aneinander, ist der Kontrast in den Materialparametern der wesentliche Faktor in der Größenordnung der auftretenden Deformationen. • Der Hauptanteil der zusätzlichen Deformationen wird in einer Zone bis zu einer Entfernung von etwa 100 m vom Instrumentenstandort erzeugt. • Für zukünftige Observatorien können folgende Empfehlungen für Umgebungsbedingungen gegeben werden: Die Topographie sollte möglichst einfach und eben sein. Über dem Meßstollen sollte die Überdeckung mindestens 150 m betragen, wobei der Stollen vorzugsweise gerade verlaufen sollte. Die Messgeräte sollten so weit entfernt wie möglich von den Stollenwänden und symmetrisch zu diesen installiert werden. Die Untersuchungen auf regionaler Skala am Beispiel von Mitteleuropa ergeben: • Die Topographie sowie laterale Inhomogenitäten haben einen Einfluß von weniger als 2% auf die Deformationen. Dies bedeutet, die Deformationen werden primär durch das Belastungsfeld in seinen zeitlichen und räumlichen Änderungen geprägt. • Das herkömmliche Verfahren zur Berechnung von Deformationen mittels Greenscher Funktionen führt verglichen mit den Ergebnissen des Finite-Element-Modells zu Abweichungen unter 1% und ist somit als Reduktionsverfahren derzeit vollständig ausreichend. Für eine effektivere Eliminierung von Störeinflüssen in den Beobachtungsdaten entsprechend den Anforderungen heutiger geodynamischer Untersuchungen müssen die Belastungen in ihrer räumlichen und zeitlichen Variation besser bekannt sein, als es heutzutage im Allgemeinen der Fall ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2006: Untersuchung des Einflusses strukturgeologischer und lithologischer Merkmale auf Deformationen der Erdkruste. Arbeitskreis Geodäsie/Geophysik, 39. Herbsttagung in Bremen
Gebauer, A.
- 2007. Analysis and solution of mesh problems in an investigation of very small elastic deformations. 2nd Geoscientific Abaqus Workshop, Potsdam
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2007. Einfluss strukturgeologischer und lithologischer Merkmale auf Deformationen der oberen Kruste. 67. DGG-Tagung Aachen
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2007. Structural-geological and lithospheric factors affecting deformations of the upper crust. IUGG-Perugia 2.-13. July 2007
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, Th.
- 2007. Strukturgeologische und lithologische Einflüsse auf Deformationen der oberen Kruste. Arbeitskreis Geodäsie/Geophysik, 40. Herbsttagung, Freudenstadt
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2008. Finite-element modellings of local influences on strain- and tilt observations at broadband (multisensor) stations. SFB-Kolloqium, Bochum
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2008. Local influences on strain and tilt observations at multi-sensor stations. 3rd World Stress Map, Potsdam
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, Th.
- 2008. Structural-geologic and lithospheric factor affecting deformations of the upper crust. ETS2008, Jena
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2008. Structural-geological and lithospheric factors affecting deformations of the upper crust. Bull. d’Inf. Marées Terr., 144, 11593-11596
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2008. Strukturgeologische und lithologische Einflüsse auf Deformationen der oberen Erdkruste. Arbeitskreis Geodäsie/Geophysik, 41. Herbsttagung, Hirschegg
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2009. Einfluß topographischer und geologischer Gegebenheiten auf Deformation der oberen Kruste. 42. Herbsttagung Arbeitskreis Geodäsie/Geophysik, Brandenburg
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
- 2009. Study on the impact of topography and geological features on crustal deformations. European Geosciences Union, Wien
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, Th., Klügel, Th.
- 2009. The impact of topographic and geological features on deformation of the upper crust. Dissertation, Institut für Geowissenschaften, FSU Jena
Gebauer, A.
- 2009. The influence of topographic and lithologic features on horizontal deformations. Geophys. J. Int., 177(2), 586-602
Gebauer, A., Kroner, C., Jahr, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04072.x) - 2010. Finite Element modelling of atmosphere loading effects on strain, tilt, and displacement at multi-sensor stations. Geophys. J. Int.
Gebauer, A., Steffen, H., Kroner, C., Jahr, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04549.x)
