Bodenstruktur

FINOSEIS – Technologie für Überwachung des Baugrunds von Offshore-Bauwerken

mit seismischen Grenzflächen-Wellen zur Quantifizierung des Gefahrenpotentials infolge von Strukturveränderungen im Boden
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Prof. Dr. Wolfgang Rabbel

Unter dynamischer Beanspruchung, verursacht durch Strömung, Wellenschlag und Winddruck, kann es in der unmittelbaren Umgebung von Offshore-Bauwerken zu Veränderungen der Sedimentstruktur kommen. Solche Veränderungen können ein beträchtliches Gefährdungspotential für das Bauwerk darstellen.

Ziel des FINOSEIS-Teilprojektes ist, die zeitliche Entwicklung und räumliche Ausdehnung solcher Effekte mit verschiedenen seismischen Methoden zu quantifizieren. Hierzu gehören Verfahren mit seismischen Grenzflächenwellen, welche zum Einen an der Plattform erzeugt und am Monopile auf und ab laufen und zum Anderen aktiv und passiv in der Umgebung der Plattform angeregt werden und an der Meeresbodengrenzfläche propagieren. Zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften werden reflexionsseismische Messungen durchgeführt.

Der Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben 0327533A für den Projektzeitraum 01.07.2009–30.06.2012 steht hier zum Download bereit. | Link zum PDF

Numerische Studie zur seismischen Analyse von Kompaktierungszonen am FINO3-Monopile

D.Wilken, S.Wölz, C.Müller, W.Rabbel
Institut für Geowissenschaften, Abt. Geophysik, Christian-Albrechts-Universität Kiel

Das Projekt FINOSEIS befasst sich mit der Vor- und Nacherkundung des Baugrundes von Offshore-Bauwerken mit reflexionsseismischen und tomographischen Methoden zur Quantifizierung des Gefahrenpotentials infolge von Strukturver änderungen im Boden. Zur Auflösung solcher Veränderungen wie Kompaktierungszonen durch Umweltmechanische Belastungen am Gründungspfahl der Bauwerke, sollen verschiedene seismische Methoden an der Forschungsplattform FINO3 zum Einsatz kommen. Es werden Phasenlaufzeittomographien des nahen Pfahlumfeldes, eine Untersuchung der am Bauwerk laufenden Wellen, sowie hochauflösende reflexionsseismische Methoden durchgeführt. Hierzu werden in definiertem Abstand um den Pfahl Ozean-Boden-Seismometer (OBS) ausgebracht und am Pfahl mehrere Stahlhalbrohre mit eingelassenen Hydrophonketten angebracht.
Als Voruntersuchung und Studie zu diesen Methoden wurde ein numerisches Experiment in Form von 2-D Finite Differenzen Modellierungen durchgeführt. Physikalische Modellparameter wurden den Ergebnissen einer in situ Voruntersuchung im Mai 2006 entnommen. Es wurden unterschiedlich vereinfachte Geometrien von Kompaktierungsbereichen in die Modelle eingefügt und mit variierten Parametern bezüglich Ausdehnung und Grad der Kompaktierung untersucht.
Die Auswertung der Phasenlaufzeiten von Oberflächen-/Scholtewellen und Kompressionswellen ergibt hilfreiche Abschätzungen für die Grenzen der Sichtbarkeit solcher Kompaktierungszonen bezüglich der Methoden des FINOSEISKonzeptes.

Inversion von Scherwellengeschwindigkeitsprofilen an verschiedenen Lokationen in Nord- und Ostsee unter Benutzung einer Schwarmintelligenzoptimierung

D.Wilken, C.Müller, W.Rabbel
Institut für Geowissenschaften, Abt. Geophysik, Christian-Albrechts-Universität Kiel

In den Jahren 2006 und 2008 wurden an Lokationen in Nord- und Ostsee Airgunprofile zur Anregung von Scholtewellen gefahren (siehe Abb. 3). Die Signale sind jeweils von einem an der CAU-Kiel entwickelten Ozean-Boden-Seismometer aufgezeichnet worden. Aus den erhaltenen CRG-Sektionen wurden Scherwellengeschwindigkeitsverteilungen durch Anpassung von vorwärts modellierten Dispersionskurven der Scholtewellen invertiert.

Insbesondere konnte durch die Inversion von lokalen Wellenfeldern an unterschiedlichen Offset-Positionen jeweils ein pseudo-2D Geschwindigkeitsmodell erstellt werden (analog Bohlen et al. 2004, Kugler et al. 2005). Zur Inversion wurde eine Kombination aus stochastischer Schwarmintelligenzoptimierung und lokalem Downhill-Simplex für alle Lokationen genutzt. Die 1D Modelle der einzelnen Offsetpunkte sind hierbei unabhängig von Informationen über Nachbarmodelle und in einem breiten initialen Scherwellengeschwindigkeitsbereich invertiert worden.

Entwicklung und Einsatz eines low-budget Hochfrequenz-Ozean-Boden-Seismometers

D. Schulte-Kortnack, D. Wilken, C. Müller und W. Rabbel
Institut für Geowissenschaften, Abt. Geophysik, Christian-Albrechts-Universität Kiel

Im Rahmen des FINOSEIS Projektes zur seismischen in-situ Erkundung der Gründungsbedingungen und Quantifizierung von Risiken an Offshorebauwerken wurde an der CAU Kiel ein kostengünstiges Flachwasser Hochfrequenz-OBS entwickelt.
Motiviert ist die Entwicklung durch die Anforderungen von Überwachungsmessungen zur Ermittlung struktureller Veränderungen des Untergrundes infolge des Baus und der weiteren mechanischen Einwirkung der Gründung der Forschungsplattform FINO3. DieMessungen erfordern eine auf wenige Meter genaue Relokalisierung der Seismometer zur örtlichen Korrelation der Messungen.
Das genutzte Konzept der Lokalisierung basiert auf der Verwendung einer hochfrequenten Boomerquelle, deren Signale von dem mit bis zu 11kHz auflösenden OBS aufgezeichnet werden. Die Laufzeiten der Signale im Wasser können dann zur Relokalisierung des Gerätes am Meeresboden verwendet werden.
Das System beinhaltet einen Embedded PC, gekoppelt mit einem Zweikanal 24Bit A/D-Wandler und rauscharmen Vorverstärkern zur Akquisition von Signalen eines 4.5Hz Vertikal-Geophons und eines omnidirektionalen Breitband-Hydrophons.
Das vorgestellte OBS-Konzept wurde bereits im Rahmen von mehreren Messfahrten an verschiedenen Lokationen in Nord- und Ostsee zu refraktionsseismischen Messungen und Oberflächenwellenmessungen erfolgreich eingesetzt. Diese Arbeit präsentiert den technischen Aufbau des System sowie Datenbeispiele der Messkampagnen.

Accurate visual detection and positioning of towed marine seismic devices

Jan-Hendrik Palic, Christof Müller, Wolfgang Rabbel
Institute of Geoscience, Department of Geophysics,
Christian-Albrechts-University of Kiel

Visual object detection as well as tracking is one of the major topics in computer vision. The implementation in marine geophysical exploration leads to an alternative positioning method for the used marine devices. Common used systems for positioning are GPS receivers or transducer systems. Costs for these systems increase rapidly with needed accuracy and objects to be tracked. In this work a visual detection system for positioning of a towed marine hydrophone array is presented. It consists of either a single camera or a stereo camera rig, tracking the movement of receiver related optical reflection bodies behind a research vessel.
The positions of these objects in the acquired pictures are related to DGPS information, adding inertia sensor data of the ship. Different positioning computations using one camera or a stereo camera rig are compared to each other and reviewed using field data and a synthetic experiment. The synthetic experiments, concerning only the detection and positioning results, show that the accuracy of the developed system is sufficient for positioning of equipment in the marine seismic domain. Using sufficiently accurate GPS and inertia devices the developed system is a low cost alternative for positioning towed marine devices.

Im Mai 2006 wurde von der Christian-Albrechts-Universität in einem Gebiet von 2 x 2 km² um den Standort eine Boomer-Seismik mit 50 m Abstand zwischen den Tracks gefahren. Zusätzlich wurden zwei OBS und Scholte-Wellen eingesetzt.

Die Seismik weist für den ersten Horizont ein Plateau etwa 2 m unter Meersboden auf der Süd-Ost-Seite des Messgebietes aus. Auch bei der Auswertung des zweiten Horizontes zeigt sich erneut ein höher gelegenes Areal im Südosten.