Universal-Strainmeter USG 1 (Kurzstrain)

Die bisher behandelten 25 Meter langen Strainmeter sind natürlich an ihren Standort in Moxa gefesselt. Eine Aufstellung an einem anderen Ort oder auch nur eine Änderung der Orientierung ist nahezu ausgeschlossen. Es liegt die Frage nahe, ob es Möglichkeiten gibt, ein solches Instrument in kompakter, vielleicht sogar transportabler Bauweise einzusetzen. Bereits seit Anfang der siebziger Jahre reifte der Gedanke an ein solches Universalgerät am damaligen Zentralinstitut für Physik der Erde in Potsdam (Harwardt, 1974). Für eine Messkampagne im Kalibetrieb ,,Werra`` wurde 1984 eine drei Exemplare umfassende Versuchsserie mit der Bezeichnung ,,Universalstrainmeter USG1`` angefertigt (Harwardt, 1984).

Glücklicherweise blieben diese Geräte bis zum Entstehen des GeoForschungsZentrums Potsdam erhalten und wurden mit freundlicher Unterstützung von H. Harwardt für das Moxa-Array zur Verfügung gestellt. Es sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit erkundet werden, ob von einer Eignung als Messgerät im langperiodischen Signalbereich gesprochen werden kann. Dem zu erwartenden schlechten Signal-Rausch-Abstand durch die sehr kurze Messbasis von 1 Meter steht dabei der Vorteil des Verzichtes auf die Segmentbauweise gegenüber.

Abbildung 5.1 zeigt den Aufbau eines der Geräte zu Beginn der Aufbereitungsarbeiten. Zu erkennen ist das ausgeklügelte Innenleben des Messkopfes. Der induktive Wegaufnehmer IWB 202 des VEB Messelektronik Dresden konnte mit der aufwendigen Mechanik nachgeregelt werden (Harwardt, 1984).

Leider liegen keine alten Messreihen der Geräte vor, die Ergebnisse des oben erwähnten Einsatzes liegen vermutlich an Ort und Stelle unter Tage und sind nach der Aufgabe der betroffenen Strecken nicht mehr erreichbar (Harwardt, persönliche Mitteilung, 1999).

Zwei der gebauten Geräte bleiben vorerst erhalten, sollen aber in dieser Form nicht mehr eingesetzt werden, da die ursprünglich verwendete Verstärkerelektronik nicht mehr vorhanden ist. Statt dessen wurde zunächst das dritte, in Form von Einzelteilen vorliegende Exemplar modifiziert, um es den neuen Aufstellbedingungen und Aufgaben anzupassen.

Neben dem Austausch des eigentlichen Quarzglas-Rohres, welches sich in einer schützenden, mechanisch entkoppelten Stahlstange befindet (in Abbildung 5.1 am linken Bildrand), wurde das Innenleben des Messkopfes völlig umgestaltet. Als Wegaufnehmer kommt einmal mehr die induktive Halbbrücke von HBM (Abschnitt 4.3) zum Einsatz. Durch den ausreichend großen Messbereich kann auf die ursprüngliche aufwendige Nachführung verzichtet werden (Abbildung 5.2).

Im sogennanten Stollenknie, das ist der Übergangsbereich des Ost-West- in den Nord-Süd-Stollen (Abbildung 3.1), wurden drei Aufstellmöglichkeiten für das Kurzstrainmeter geschaffen, je eine parallel zu den bestehenden 25-Meter-Systemen und eine diagonal, also parallel zum zukünftigen Laserstrainmeter. Die Einrichtung dieser Fundamente, die aus kleinen, ca. zehn Zentimeter tief reichenden Stempeln bestehen, dauerte jeweils ca. eine Stunde. Daher kann durchaus von einem transportablen Strainmeter gesprochen werden.

Die angesprochene Aufstellung des Kurzstrainmeters im Stollen soll genauer erläutert werden. Ein wesentliches Kriterium für die Wahl eines geeigneten Standortes eines Strainmeters ist die mögliche Ankopplung an den Untergrund. Um sinnvolle Messungen erzielen zu können, ist eine genügend große, d. h. bis zum anstehenden Gestein reichende Eindringtiefe der Ankoppelpfeiler ebenso wichtig wie deren ausreichende Dimensionierung. Beides ist noch nicht in befriedigender Weise umgesetzt worden.

Vielmehr stellt die gewählte Aufstellungsart eine Übergangslösung dar. Die Eindringtiefe von etwa zehn Zentimetern reicht noch nicht einmal aus die Betonschale zu durchdringen, die über einem Kiesbett und dem eigentlichen Festgestein liegt. Vor der teuren Installierung adäquater Pfeiler sollte zunächst die prinzipielle Funktion der Strainmeter unter stabilen klimatischen Bedingungen überprüft werden. Insbesondere sollte ein mögliches Eigenleben durch Setzungserscheinungen aufgespürt werden. Unter diesen Vorausetzungen etwas überraschend konnten dennoch die erste Gezeiten mit dem Typ USG 1 registriert werden (Abbildung 5.4).

Die in Abschnitt 4.3 vorgestellten Verstärkermodifikationen kommen auch hier zum Einsatz. Die Auflösung von 20 Bit steht über einen Messbereich von 0,2 mm zur Verfügung. Bei einer Messbasis von 1 Meter beträgt die theoretisch auflösbare wahre Wegänderung etwa 0,2 nm. Der in Abbildung 5.4 dargestellte Gezeitenstrain (etwa 50 nS) entspricht also einer wahren Bodendeformation von nur 50 nm.

Die weitere Interpretation der Aufnahme aus Abbildung 5.4 ist schwierig. Einerseits sieht man ganz klar den Verlauf der Gezeitendeformation, wie der Vergleich mit der ebenfalls in dieser Abbildung dargestellten Zeitreihe des 25-Meter-Strainmeters zeigt. Andererseits ist der harmonische Verlauf gestört. So besteht die Reihe entweder aus einem Anstieg der Messwerte oder einem Verharren auf einem Niveau. Es kann zur Zeit noch nicht festgestellt werden, worin die Ursache für dieses Verhalten besteht. Zwei unterschiedliche Ansätze bieten sich an:

Es kommt zu einer erhöhten Reibung im Gerät selbst. Es könnte sich um eine Berührung zwischen dem Wegaufnehmer und dem an der eigentlichen Quarzglasstange befestigten Tauchanker handeln. Da das Strainmeter die viel zu starke Deformationskraft des Untergrundes nicht kompensieren kann, muss es zu einer Verbiegung der Stange oder eines anderen Teiles kommen. Wird ein gewisser Schwellwert überschritten, äußert sich der Spannungsabbau in einem plötzlichen scheinbaren Strain.

Oder aber der Untergrund selbst ist für das eigentümliche Signal verantwortlich. Die Deformation des Festgesteins wird in diesem Fall nur unzureichend über das Kiesbett auf die Betonschale des Stollenbodens übertragen. Die Amplitude des aufgezeichneten Strains ist etwa 20 % höher als die vom langen Strainmeter registrierte bzw. als die theoretisch vorhergesagte. Möglicherweise kann hier eine bessere Ausführung der Ankoppelpfeiler Abhilfe schaffen.

Es lässt sich feststellen, dass das Kurzstrainmeter die Erwartungen erfüllt. Als Anwendungen für das USG 1 kommen sowohl Einsätze unter räumlich schwierigen Bedingungen als auch zu künftigen Vorerkundungen zur Standortwahl anderer Strainmeteranordnungen in Frage (Harward, 1974). Denkbar sind Deformationsuntersuchungen an tektonisch aktiven Zonen wie Vulkanen oder über bis zur Erdoberfläche reichenden Verwerfungen, wobei bei derartigen Aufstellungen allerdings erhebliche Probleme durch Temperaturschwankungen zu erwarten sind.