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Neues Berechnungsverfahren für seismische Wellen

12.05.1999 - (idw) Ruhr-Universität Bochum

Ganz neue Perspektiven für Prognosen z.B. über die Belastung von Böden eröffnet die Diplomarbeit "Modellierung anelastischer Wellenfelder - Einfluß auf die Dispersion von Rayleighwellen bei Strukturen im Dekameterbereich" von Dipl.-Geophys. Robert Vörös, die am Institut für Geophysik der RUB unter der Leitung von Prof. Dr. Dr. h.c. Lothar Dresen (AG Seismik) entstand.

Bochum, 12.05.1999
Nr. 104

Nicht mehr mit falschen Voraussetzungen rechnen
Bochumer Geophysiker verbessert Prognosemodelle
Neuer Algorithmus zum Verhalten von Wellen in anelastischem Boden


Ganz neue Perspektiven für Prognosen z.B. über die Belastung von Böden eröffnet die Diplomarbeit "Modellierung anelastischer Wellenfelder - Einfluß auf die Dispersion von Rayleighwellen bei Strukturen im Dekameterbereich" von Dipl.-Geophys. Robert Vörös, die am Institut für Geophysik der RUB unter der Leitung von Prof. Dr. Dr. h.c. Lothar Dresen (AG Seismik) entstand. Bei der Beschreibung eines Untergrundes durch die Messung von seismischen Wellen gehen die Geophysiker üblicherweise von ideal elastischen, d. h. "festen" Bodenverhält-nissen aus. Vörös hat nun den Algorithmus so abgewandelt, daß es möglich wird, auch anelastischen Boden, z. B. lockere Erde, zutreffend zu berechnen. So wird man z. B. bei Mülldeponien und Altlasten genauere Angaben und Prognosen über die Kontermination des Bodens machen können.

Mit Hammer oder Dynamit

Um die Beschaffenheit eines Untergrunds genau zu bestimmen, schicken Geophysiker seismische Wellen in den Boden. Dazu benutzen sie Hammerschläge, Fallgewichte oder kleinste Sprengungen. Wenn das nicht möglich ist, wie etwa in bebauten Gebieten, generieren sie mit Vibratoren Wellen, die dann auf den Untergrund übertragen werden. Bei der beschriebenen Art der Wellenerzeugung können verschiedene Arten von Wellentypen entstehen. Raumwellen breiten sich sowohl an der Erdoberfläche als auch in der Tiefe aus.

Wie schnell sich Oberflächenwellen ...

Oberflächenwellen sind an die Erdoberfläche gebunden und dringen, je nach Frequenzgehalt, nur einige Meter bis Dekameter in den Untergrund ein. Eine Familie dieser Art von Wellen sind die sogenannten Rayleighwellen, die Vörös für seine Arbeit nutzte. Nach der Erzeugung von Oberflächenwellen messen die Wissenschaftler die Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten, mit denen sich die Wellen ausbreiten. Die gewonnenen Ergebnisse bearbeitet ein Computer, ausgehend von einem groben Startmodell, per Inversion solange, bis das Modell optimal den Untergrund beschreibt. So können die Geophysiker Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit ziehen.

... in welchen Böden ausbreiten

Bisher gab es aber eine Quelle der Ungenauigkeit in solchen Berechnungen: Bei der Erstellung der entsprechenden Modellkurven bzw. der Modelle ist der Geophysiker von ideal elastischen Verhältnissen ausgegangen, gleichgültig ob der untersuchte Boden diesen entsprach oder nicht. Bei lockeren Böden gibt es aber interne Reibungen, Verformungen des Materials und Streueffekte, die zu einem nicht unerheblichen Energieverlust der Welle führen und so die Meßergebnisse beeinflussen. Besonders in den oberen Bodenschichten ist anelastisches Verhalten zu erwarten, erst in tieferen Regionen wird der Untergrund härter. Lockere Böden, Sand oder Deponien konnten daher nicht exakt berechnet werden.

Vorteile des neuen Verfahrens

Robert Vörös hat den Algorithmus zur Bearbeitung der Messdaten so abgewandelt, daß auch anelastische Bodenverhältnisse berücksichtigt werden können. Besonders in ingenieur-geologischen Anwendungen, die sich auf die oberen Dekameter des Bodens beschränken, bringt diese Methode große Vorteile. Eine zu untersuchende Deponie, die aus lockerem Material besteht und sich dadurch vom festeren umgebenden Boden abgrenzt, konnten die Wissenschaftler mit der neuen Methode sehr genau charakterisieren und mögliche Maßnahmen zu ihrer Beseitigung bzw. Sanierung beisteuern. Auch Prognosen über die wahrscheinliche Verschmutzung der Umgebung sind besser zu treffen. Das neue Verfahren wenden die Forscher ebenso bei Messungen mit Raumwellen an. Es erlaubt auch eine Berechnung komplexer Untergrundstrukturen.

Weitere Informationen

Dipl.-Geophys. Robert Vörös, Ruhr-Universität Bochum,

Institut für Geophysik, AG Seismik, Universitätsstr. 150, 44780 Bochum,
Tel. 0234/700-3292, Fax. 0234/7094-181
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