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Strainmeter im Geodynamischen Observatorium Moxa  

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Um den Flächenstrain z. B. bei Erdeigenschwingungen beobachten und auswerten zu können, ist eine zustätzliche dritte Komponente zu den vorhandenen orthogonalen Systemen erforderlich (Maaz, 1964). In der horizontalen Diagonalbohrung zwischen den beiden Tunnelarmen der Station Moxa (Abbildung 3.1) soll ein Laserstrainmeter zum Einsatz kommen. Erste Versuche mit einem herkömmlichen, industriellen Laser im Jahre 1998 brachten keine befriedigenden Ergebnisse.

 

Es soll daher in Kooperation mit der SIOS Messtechnik GmbH, Illmenau, ein auf die speziellen Anforderungen der Geophysik (sehr langperiodische Signale, Dauerbetrieb) angepasstes System entwickelt werden. Im Frühjahr 1999 wurden einige Tests mit einem leicht modifizierten Standardlaser parallel zum vorhandenen Nord-Süd-Strainmeter durchgeführt. Der Laserstrahl verlief dabei im Quarzrohr des 25-Meter-Strains. Abbildung 6.1 zeigt die eigentliche Laserquelle.

Abbildung 6.1: Der stabilisierte He-Ne-Laser arbeitet mit einer Wellenlänge von 633 nm (Sios, 1998). Durch das Lichtleitkabel (links im Bild) wird das Laserlicht bis zum Verstärker geleitet (Abbildung 6.2).

 

 

Zwei Aufstellungskonzepte stehen zur Disposition: Entweder wird die Quelle weit entfernt vom eigentlichen Strainmeter in einem der Laborräume aufgestellt. Damit wird die Einbringung einer thermischen Quelle in den Stollen vermieden und bei einem Laserwechsel - die Lebensdauer ist auf einige wenige Jahre begrenzt - braucht die Stollenruhe nicht gestört zu werden. Oder der Laser wird im Stollen in der Nähe des Strahlaustrittes aufgebaut. Dafür spricht der kurze erreichbare Signalweg. Die Versuche zu diesem Thema sind noch nicht endgültig abgeschlossen.

 

In Abbildung 6.2 ist der Verstärker an seinem vorübergehenden Aufstellungsort zu sehen. Der eigentliche Strahlaustritt erfolgt im Ankoppelpfeiler des Nord-Süd-Quarzstrainmeters (Abbildung 6.3). Im Quarzrohr wird der Strahl über die Messstrecke geleitet, am anderen Ende reflektiert, dann im Pfeiler empfangen und wieder dem Verstärker zur Auswertung zugeführt.

Abbildung 6.2: Der Laserverstärker während der Versuche parallel zum Quarzstrainmeter. In der dargestellten Version ist die Laserquelle (Abbildung 6.1) im Gehäuse unterbracht (siehe Text).

 

 

Abbildung 6.3: Blick in den Ankoppelpfeiler des Nord-Süd-Strainmeters. Der Laserstrahl wird hier auf seinen Weg durch das Quarzrohr geschickt und nach der Reflektion am anderen Ende wieder empfangen.

 

 

Die Bedingungen waren dabei für Lasermessungen überaus ungünstig, da der Strahl zwar im Quarzrohr verlief, aber nicht gegen Feuchtigkeits- und damit Brechzahlschwankungen der Luft und gegen Turbulenzen der im Inneren des Rohres aufgrund von Kamineffekten leicht strömenden Luft abgeschirmt war. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigt Abbildung 6.4.

 

Die Gezeiten sind sehr gut zu erkennen, werden aber von diversen Störungen begleitet. Die Rohdaten wurden zur Eliminierung von Temperatur- und Luftdruckeffekten bearbeitet und liefern so ein überraschend gutes Ergebnis der Testmessungen. Leider liegen für den angegebenen Zeitraum keine störungsfreien Parallelregistrierungen des Quarzstrainmeters vor.

 

Für die nahe Zukunft sind umfangreiche Anpassungen der Lasertechnik an die hiesigen Bedingungen geplant. Zur endgültigen Installation als dritte Komponente des Moxaer Strainmeter-Arrays weden stabile und tief genug (2 Meter) reichende Ankoppelpfeiler in den Stollenboden eingebracht.

Abbildung 6.4: Die Ergebnisse des ersten Versuches mit dem SIOS-Laser-Strainmeter (Start 12.04.1999, 10:05 Uhr). Es handelt sich um eine vorübergehende Installation ohne Abschirmung des Lasers gegen Umwelteinflüsse wie Luftfeuchteschwankungen.

 

 

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