Post on 22-Jun-2019
BS Seismische Explorationsverfahren
Dr. B. Knapmeyer-Endrun 1
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Administratives
BS Seismische Explorationsverfahren
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MN-GEO-SM 4
• Angewandte Geophysik für Geowissenschaftler
• das Modul besteht aus:
• Vorlesung: Seismische Explorationsverfahren
– Dr. B. Knapmeyer-Endrun
• Vorlesung: Nichtseismische Explorationsverfahren
– Prof. B. Tezkan
• Praktikum zur Angewandten Geophysik für
Geowissenschaftler
– Knapmeyer-Endrun, Tezkan, Yogeshwar
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• beide Vorlesungen haben 2 SWS und
• 90 Stunden Vor- und Nachbereitung
• Praktikum 3 SWS
• 90 Stunden Vor- und Nachbereitung
• Vorlesung Seismische Verfahren als Blockkurs: 10-12 Uhr
und 13-15:30 Uhr
• Praktikum: Teilnahme nur bei Belegung beider
Vorlesungen
– bei Kapazitätsüberschreitung haben BSc Studierende im
Studiengang Geowissenschaften Priorität
– Nachholung eines verpassten Praktikumstermins nur bei Vorlage
eine Attestes
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• Praktikum:
– zwei Blöcke (Seismische und Nichtseismische Verfahren)
• Abzuliefern (bis 8. April als PDF per e-Mail):
schriftliche Ausarbeitung
– Deckblatt
– Gliederung (nummeriert)
– Beschreibung des Verfahrens (Theorie und Anwendung)
– Ablauf der Messung (Lageplan, Durchführung)
– Darstellung der Messdaten
– Auswertung
– Interpretation
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• Bewertung:
– die Modulnote ergibt sich aus der Abschlussklausur
– die Praktikumsauswertung muss akzeptiert sein
– 6.75% der Gesamtnote
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• Praktikum Seismische Verfahren:
– Termine: 18./19./20.03.2019
– Treffpunkt 9:30 Erdbebenstation Bensberg
• Praktikum Nichtseismische Verfahren:
– Beginn: Do. 21.03.2019 um 09:30 Uhr
– Treffpunkt: Hörsaal der Geologie
• Klausur
– vorraussichtlich 24.05.2019
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• Ebenfalls zu beachten für Praktikumsbericht:
− Seitenzahlen verwenden
− Formeln in eigene Zeilen, am Zeilenende nummerieren und
auf Nummern Bezug nehmen. Formeleditor verwenden!
− Abbildungen und Tabellen nummerieren, und
Abbildungsunterschrift (alles, was man zum Verständnis der
Abbildung braucht) bzw. Erklärung der in der Tabelle
gelisteten Größen einfügen.
− Jede Abbildung bzw. Tabelle auch im Text erwähnen.
− Auf eine sinnvolle Zahl von Nachkommastellen achten.
− Zitierte Referenzen auflisten. Seriöse Lehrbücher bzw.
Artikel in wissenschaftlichen Zeitschriften sind (dubiosen)
Internetquellen vorzuziehen. Verwenden Sie Internet-
Quellen nur, wenn es nicht anders geht. Dann mit URL und
letztem Zugriffsdatum angeben.
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Unterlagen
• Sie erhalten Zugang zu den PPT slides
• http://ftp.uni-koeln.de/institute/seismo/BS_Seismic/
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Einführung
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Bedeutung der Seismischen Exploration
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Bedeutung der Seismischen Exploration
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Bildgebende Verfahren
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Inhalt
• Datenerfassung
– Grundlagen, Profilmessungen, 3D Messungen, Datenreduktion
• Datenbearbeitung
– Fourier Analyse, Digitale Filter
• Seismologie– Seismische Wellen (P, S, Oberflächen), Elastische Moduli, Reflexion, Brechung,
Streuung, Snellius, Raytracing, Kopfwellen, Reflexions-Transmissionskoeffizienten
• Refraktionsseismik
– Prinzip, Auswerteverfahren, Beispiele, Datenerfassung
• Reflexionsseismik– Prinzip, Seismisches Processing, TWT, CMP, NMO, Stapeln, Migration,
Interpretation
• Bohrlochverfahren – Bohrtechniken, VSP, Crosshole, Tomographie
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Bücher
• Cambridge Univ. Press
• ISBN 0 521 78574 X
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Bücher
• Cambridge Univ. Press
• ISBN 0 521 33938 3
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Bücher
• Cambridge Univ. Press
• ISBN 0 521 46826 4
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Fernerkundung
• Empfindlich gegenüber
der Verteilung der phys.
Parameter:
• Dichte
• Magn. Suszeptibilität
• Seism. Wellengeschw.
• Widerstand
• Leitfähigkeit
• Geophysikalisches
Verfahren, phys.
Phänomen:
• Schwerefeld
• Magnetismus
• Elastische Wellen
• Elektrisches Feld
• Elektromagnetische
Wellen
Exploration des Erdinneren durch Mesungen an der
Erdoberfläche
Oh, und Geophysik ist relativ preiswert
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Aktive and Passive Methoden
• Messen eines natürlichen
Phänomens
– Schwerefeld
– Magnetfeld
– Erdbeben – Seismische
Signale
• Aussenden eines Signals in
den Untergrund und
schauen, was
zurückkommt:
– Explosionen – Seismische
Signale
– Elektrischer Strom
– Elektromagnetische Wellen
Aktiv Passiv
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Seismische Verfahren
• liefert Informationen über/für:
– physikalischen Eigenschaften der Erde
– Struktur des Erdinneren
– Verteilung und Herdprozesse von Erdbeben
– Beziehung zwischen Magnituden und Stärke der Bodenbewegung
– Bestimmung der seismischen Gefährdung (und Risiko)
– Erdbebenvorsorge / Erdbebeningenieurwesen
– Erdbebenvorhersage
Erdbebenseismologie
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Seismische Verfahren
Erdbebenseismologie
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Seismische Verfahren
• Tomographisches Bild der Verteilung der
Scherwellengeschwindigkeit in zwei Tiefenlagen
• Heiße (rote) Farben zeigen niedrige Geschwindigkeit,
heißes Material
• Kalte (blaue) Farben zeigen hohe Geschwindigkeiten,
kaltes Material
Erdbebenseismologie
Lebedev et al.
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Seismische Verfahren
• Refraktion und Reflexionsmethoden
– Großskalige Untersuchungen – Krustenstruktur,
Kohlenwasserstoffexploration
– Kleinskalige Untersuchungen – Umwelt- und Geotechnikprobleme
- Ortung des Grundwasserspiegels
- Kartierung von Hohlräumen
- Bestimmung der Tiefe des Festgesteins
- Erfassung von Verwerfungen und Rissen
- Baugrunduntersuchung
- Bodenverstärkung bei Erdbeben
Explorationsseismik
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Geschichte Seismischer Verfahren
• 1920er: erste seismische Refraktionsmessungen
• 1940er-50er: erste Reflexionsmessungen
• 1960er: erstes digitales Reflexionsprocessing
• 1990er: vermehrte 3D Messungen
• 1980er-heute: hochauflösende Verfahren
• 1990er: 4D Untersuchungen
Explosionsseismologie
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Geschichte Seismischer Verfahren
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Skalen
• Verfahren werden angewandt in:
– Umweltgeophysik
– Ingenieurgeophysik
– Explorationsgeophysik
Meter bis Kilometer
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Seismische Verfahren
Refraktion Reflexion
16
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Krustenseismik
• Drei vertikale Schnitte
durch ein Tomographie-
modell der Erdkruste
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Kleinskalige Anwendung
• ingenieurseismisches Tomogramm aus der
Archäoseismologie (Tiryns, Griechenland)
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Skalen der Seismologie
. .
104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
Periode (s)
..
10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 102 103 104 105
Frequenz (Hz)
Globale Tomographie aus Normalmoden
Mikroseismisches Rauschen
Teleseismische WellenKrustenrefraktionsseismik
Ingenieur u. Umweltseismik
Gesteinsphysik (Ultraschall)
Akustische Bohrlochverf.
Öl u. Gasexploration
Bauwerke
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Seismische Quellen
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Seismische Quellen
BS Seismische Explorationsverfahren
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Seismische Quellen
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Seismische Empfänger
splay.pl / ig.utexts.edu
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Seismische Empfänger
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Seismische Empfänger
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Feldausrüstung
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Was heißt 'angewandt'?
IngenieurUmwelt
Archaeo
Glacio
Hydro
Exploration
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Planung einer Messung
Messziele
Budget Logistik
MessspezifikationGeophysikal.
Spezifikationen
Welche Methode?
Datenerfassung
MesspunkteProfilorientierung
Messpunktabstand
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Planung einer Messung
Luft gefüllter Hohlraum
Wasser gefüllter Hohlraum
Wasserspiegel
Sch
ein
ba
rer
Wid
ers
tan
d
Luft hat gegenüber
gesättigtem
Gestein einen
hohen Widerstand
Wasser ist gegenüber
trockenem Gestein
sehr leitfähig
Kein Kontrast
zwischen Wasser
gefülltem Hohlraum
und gesättigtem
Gestein
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Techniken und Erkundungsziele
s
s
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Multiple Verfahren
um die Eindeutigkeit von Aussagen zu verbessern
gesättigter Ton
gesättigter Sand
geklüftetes Festgestein
signifikanter
Widerstandskontrast
minimaler
Widerstandkontrast
minimaler
Geschwindigkeits-
kontrast
signifikanter
Geschwindigkeits-
kontrast
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Durchführung von Messungen
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Durchführung von Messungen
• Die meisten geophysikalischen Messungen erfolgen von der
Erdoberfläche aus
• Erster Schritt nach Planung: survey
• Data acquisition
• Ein Satz von Messwerten wird mit geophysikalischen
Instrumenten erfasst
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Durchführung von Messungen
• Oft werden die Daten entlang von Linien erfasst (traverse)
• Meist erfolgt die Messung in räumlichen Intervallen
• Oft regelmäßigen Intervallen
• Jede Stelle, an der gemessen wird, ist ein Messpunkt
station
• Die dargestellten Messungen – oft nach Berechnungen –
bilden ein Profil
http://students.seg.org/Elf
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Durchführung von Messungen
Messpunkte
Linien
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Durchführung von Messungen
Profil
Überdeckung
AnomalieMesswert
Ziel
Sektion
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Durchführung von Messungen
• Bei länglichen Zielköpern (Mineralgang) liegt das Profil
senkrecht zum Streichen
• Oft sind mehrere parallele Profile erforderlich
• Bei vielen parallelen Profilen bilden die Messpunkte ein 2D
Gitter
• Messwerte werden konturiert
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Durchführung von Messungen
Gitter mit Messpunkten und Konturlinien
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Durchführung von Messungen
Maurer et al., Geophysics, 2010
BS Seismische Explorationsverfahren
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Datenreduktion
• Oft sind Rohdaten aus den Instrumenten wenig
aussagekräftig
– Höhenunterschiede in der Gravimetrie
– Änderungen des Magnetfeldes während der Messung
– Statik in den seismischen Messungen durch Verwitterungsschicht
http://obsfur.geophysik.uni-muenchen.de/
Magnetischer Sturm 06.11.2001
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 52
Datenreduktion
• Oft sind Rohdaten aus den Instrumenten wenig aussagekräftig– Höhenunterschiede in der Gravimetrie
– Ändereungen des Magnetfeldes während der Messung
– Statik in den seismischen Messungen durch Verwitterungsschicht
http://obsfur.geophysik.uni-muenchen.de/
Magnetischer Sturm 06.11.2001
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Datenreduktion
• Konversion der Rohdaten in brauchbare Form wird als
Datenreduktion bezeichnet
• Ein Zielkörper drückt sich oft durch Anomalien aus
– Das ist der Teil des Profils oder der Konturkarte, der über oder unter
dem Umgebungswert liegt
– Nicht alle Zielkörper bilden Anomalien (Refraktionsseismik)!
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 54
Datenreduktion
Sektion
Ziel
Oberfläche
Profil
Vor der Datenreduktion
ProfilAnomalie
Oberfläche
Ziel
Sektion
Nach der Datenreduktion
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Signal und Noise
• Noise, das sind ungewünschte Variationen der Messdaten,
die nicht vom Zielkörper stammen
• Signal, das sind die gewünschten Anteile
• Wie Hintergrundgeräusche bei einer Party, die es schwer
machen, das Gegenüber zu verstehen
• Was Signal und was Noise ist, hängt von der Fragestellung
ab
• Das Signal-zu-Noise Verhältnis ist ein wichtiger
Qualitätsparameter der Messung -
– wie kann es verbessert werden?
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 56
Signal und Noise
• Gängigste Methode ist die Wiederholung von Messungen
• Grundgedanke bei zufälligen Noiseanteilen:
– Das Signal summiert sich auf, der Noise hebt sich auf
– Das bezeichnet man als Stapeln (stacking)
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Signal und Noise
t x
Beispiel seismische Daten Beispiel magnetische Daten
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Signal und Noise
Beispiel: Noisereduktion durch Stapeln
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Modellierung
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 60
Modellierung
• Zwei Schritte trennen eine geophysikalische Anomalie von
der geologischen Beschreibung
– (1) Messung von der Erdoberfläche aus
– (2) es handelt sich um eine physikalischen und keine geologische
Größe
1. Schritt: physikalisches Modell, das die Daten erklärt
2. Schritt: Übersetzung des physikalischen Modells in
geologische Verhältnisse im Untergrund
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 61
Was ist ein Modell?
• Ein Modell ist oft die verkleinerte Darstellung der Realität
• In der Geophysik ist es ein Körper oder eine Struktur -
beschrieben durch physikalische Größen Tiefe, Größe,
Dichte etc. - die die Daten erklären können
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 62
Was ist ein Modell?
• Ein Modell ist meist einfacher als die Realität
• die Ermittlung der Eigenschaften des Anomalie-erzeugenden
Körpers aus der gemessenen Anomalie wird als das Inverse
Problem bezeichnet
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 63
Was ist ein Modell?
• Ein Modell ist meist einfacher als die Realität
• das ist in Praxis oft schwierig, manchmal unmöglich
• das Problem kann nicht-linear sein, und das Problem kann
mehrdeutig sein: mehr als ein Körper erzeugt die gleiche Anomalie
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 65
Was ist ein Modell?
beob. Werte
berechnete Werte
Schw
ere
anom
alie
(mG
al)
0
-12
6
Tie
fe
(km
)
Entfernung (km)
Grundgebirge 2.7 Mg/m3
Granit 2.6 Mg/m3
Tonschiefer 2.5 Mg/m3
Sandstein 2.4 Mg/m30
4
0 60
einfaches Dichtemodell zur Erklärung der Variation der Erdanziehung
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 66
Was ist ein Modell?
• Ein Modell ist meist einfacher als die Realität
• Noise (Rauschen) und Messfehler einer Messung
erschweren die genaue Ermittlung von Stärke und
Ausdehnung einer Anomalie
• Messpunkte können zu große Abstände voneinander haben
-> die Auflösung reicht nicht aus
• Es gibt viele theoretische und praktische Grenzen der
Auflösung einer geophysikalischen Messung
• z.B. kann eine Schicht zu dünn sein, um von der Seismik
'gesehen' zu werden
• Wichtige Entscheidungspunkte bei der Planung einer
Messung
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 67
Auflösung
Messungenabgeleitetes Profil
Sektion mit modelliertem Zielkörper
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 68
Auflösung
erhöhte Auflösung
aktuelles Profil
abgeleitetes Profil
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 69
Auflösung
erhöhte Auflösung
aktuelles Profil
abgeleitetes Profil
Aktuelles Modell
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 70
Was ist ein Modell?
ein Modell hat:
• einfache Form
• scharfe Grenzen
• einheitliche Verteilung der
physikalischen Größen
der Körper in der Natur hat:
• unregelmäßige Form
• graduelle Grenzen
• physikalische Eigenschaften des
Körpers selbst und der
Umgebung können räumlich
variieren
Vereinfachung muss kein Nachteil sein
Auslassung von Details kann den Blick auf's Wesentliche schärfen
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 71
Geologische Interpretation
BS Seismische Explorationsverfahren
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 72
Geologische Interpretation (der 2. Schritt)
• Das physikalische Modell muss in geologische
Gegebenheiten übersetzt werden
• Eine große zylindrische Masse mit geringerer Dichte als die
Umgebung kann als Granitpluton interpretiert werden
• Diese Interpretation muss alle Informationen
berücksichtigen:
– genereller geologischer Kontext
– Information aus Aufschlüssen
– Bohrlöcher
– andere geophysikalische Untersuchungen
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 73
Geologische Interpretation (der 2. Schritt)
http://www.geo.au.dk
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 74
Geologische Interpretation (der 2. Schritt)
http://www.geo.au.dkhttp://www.geo.au.dk
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 75
Darstellung der Ergebnisse
• Am Ende einer Messung steht die Darstellung der
Ergebnisse
• Das ermöglicht es bestimmte Dinge zu betonen, andere in
ihrer subjektiven Wirkung zu mindern
– Konturierung
– Projektionen
– künstliche Beleuchtung
– gestapelte Profile
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Darstellung der Ergebnisse
www.earth.cardiff.ac.uk
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Darstellung der Ergebnisse
magnetischer Gradient / bunt: Suzeptibilität
/hertsgeosurvey.wordpress.com/2013/07/21/magnetic-susceptibility/
BS Seismische Explorationsverfahren
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Umweltprobleme (Landseismik Linien)
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 79
Umweltprobleme (Landseismik Linien)
sierraclub.org
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 80
Umweltprobleme (Seeseismik)
offshoreenergytoday.com
BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 81
Zusammenfassung
• Wichtige Begriffe:
– aktive Verfahren active methods
– passive Verfahren passive methods
– Messung survey
– Messpunkt station
– Profil profile
– Datenreduktion data reduction
– Zielkörper target
– Anomalie anomaly
– Signal signal
– Störsignal, Rauschen noise
– signal to noise ratio
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BKE - Seismische Explorationsverfahren Teil 1 - Slide 82
Zusammenfassung
• Wichtige Begriffe:
– Stapelung stacking
– Auflösung resolution
– Modell model
– Inversion inverse problem
– Vorwärtsmodellieren forward modelling