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Strainmeter im Geodynamischen Observatorium Moxa  

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Bisherige Arbeitsweise und vorhandene Daten

Die ursprüngliche Aufgabe der Strain-Seismometer im Observatorium Moxa war die Aufzeichnung langperiodischer seismischer Wellen als Ergänzung zu den Pendelseismometern, deren Übertragungsbereich in den sechziger und siebziger Jahren noch nicht ausreichte, um den gesamten Frequenzbereich der seismischen Bodenbewegungen zu erfassen (Teupser, 1966). Für diesen Zweck wurden zwei Komponenten benötigt und orthogonal in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung aufgestellt. Zunächst wurden die Signale der Strainmeter mit Hilfe eines Magnet-Spulen-Systems elektrodynamisch gewandelt und optisch auf Fotopapier registriert. Bis zur kürzlich erfolgten Generalüberholung des Arrays waren diese Spulen noch montiert, hatten aber keine Funktion mehr (Abbildung 4.1).

Abbildung 4.1:Die freien Enden der Quarz-Strainmeter vor Beginn der Restauration. Zu erkennen sind die beiden teilweise zerlegten Schwingspulsysteme (Magnetdurchmesser 15 cm, links EW-, rechts NS-Komponente) und jeweils dazwischen die alten induktiven Wegaufnehmer. Die schwarze Kreisfläche bildet den Abschluss des tief im Boden verankerten Ankoppelpfeilers.

 

 

Die beiden Systeme unterschieden sich in den Ohmschen Widerständen und in den Eigenperioden von ca. 20 bzw. ca. 1,5 Sekunden der nachgeschalteten Galvanometer (Teupser, 1966).

 

Bereits 1968 wurden die langperiodischen Galvanometer durch neuere Typen mit einer Eigenperiode von 90 s ersetzt (Teupser und Unterreitmeier, 1974). Die kurzperiodischen Systeme wurden abgeschaltet ... und stattdessen die frei gewordenen Spulen hintereinandergeschaltet einem Galvanometer ... zugeführt. Mit dieser additiven Kopplung der NS- und der EW-Komponente werden transversale Scheinwellen nicht aufgezeichnet (Benioff, 1935; Stiller, 1970). (zitiert aus Teupser und Unterreitmeier, 1974) Ein Beispiel für die Registrierung eines Erdbebens vom Juli 1969 mit den Galvanometersystemen zeigt Abbildung 4.2. Das Signal ist zwar relativ schwach, kann aber dennoch zur Auswertung herangezogen werden (Rehm, persönliche Mitteilung, 1999).

Abbildung 4.2: Aufzeichnung eines Erdbebens vom 19.07.1969 mit den langperiodischen Magnetspulsystemen. Oben: NS-, unten: EW-Komponente. Die Zahlenangaben bezeichnen die als kleine Lücken sichtbaren Minutenmarken.

 

 

Ebenfalls Ende der sechziger Jahre wurden die induktiven Wegaufnehmer IWT mit dem Verstärkersystem UM 111 aus dem VEB Gerätebau Dresden in Betrieb genommen, welche die nutzbare Grenzperiode der Strainmeter ins Unendliche verschieben. Folgerichtig wird nun neben der Registrierung von Erdbeben erstmals die Beobachtung von Erdgezeiten als Aufgabe der Station Moxa genannt (Teupser und Unterreitmeier, 1974).

 

Dabei erwies sich eine andere Maßnahme aus der Anfangszeit des Observatoriums zunehmend als Problem: die Klimaanlage. Für etwa zwei Stunden täglich war sie in Betrieb und sollte für eine gemäßigte Luftfeuchtigkeit im Stollen sorgen (Teupser und Unterreitmeier, 1974). In Abbildung 4.3 sind die Zu- und Abluftrohre beiderseits der Stollenwand gut zu erkennen.

Abbildung 4.3: Blick in den Ost-West-Stollen. In diesem verpackten Zustand befanden sich die Strainmeter fast drei Jahrzehnte. Oben beiderseits der Stollenachse befinden sich die Rohre der Klimaanlage.

 

 

Unterreitmeier zeigte, dass die durch die Klimatisierung hervorgerufenen Temperatur- und damit Längen-Schwankungen der Strainmeter beträchtlich sind (Teupser und Unterreitmeier, 1974). Neben einer verbesserten Ankopplung der Wegaufnehmer an den gemeinsamen Endpfeiler wurde zusätzlich die gesamte Strainmeter-Konstruktion in einer Styroporhülle isoliert.

 

Von diesem Zeitpunkt an bis zum Frühjahr 1998 wurden beide Komponenten mit Hilfe der induktiven Meßbrücken auf Rollenpapier aufgezeichnet. Die ursprüngliche Aufgabe der Geräte, die Registrierung seismischer Ereignisse, spielte angesichts der zunehmenden Breitbandigkeit der neueren hochwertigen Seismometer z. B. vom Typ TSJ nur noch eine untergeordnete Rolle. Die Registrierung des Bebens südlich der Mariannen-Inseln vom 08. August 1997 (Magnitude mb = 7,2) stellt zwar ein deutliches Signal dar (Abbildung 4.4), jedoch ist sie wegen der schlechten Auflösung und des hohen Rauschpegels der Leistungsfähigkeit moderner Seismometer um Größenordnungen unterlegen (Abbildung 4.5).

Abbildung 4.4: Aufzeichnung eines Bebens vom 08. 08.1997 mit den alten induktiven Wegaufnehmern. Oben: Nord-Süd-, unten: Ost-West-Komponente. Zur zeitlichen Zuordnung siehe Text.

 

 

Abbildung 4.5: Aufzeichnung des Bebens aus Abb. 4.4 mit einem modernen Breitbandseismometer vom Typ STS 2. (Das Original dieses Bildes ist leider verschollen, daher die schlechte Qualität...)

 

 

Das Vorhandensein einer 25 Jahre umfassenden Messreihe legt den Versuch nahe, die Straindaten in Hinsicht auf lang- und aperiodische Deformationen zu untersuchen. Dazu müssten die vorhandenen Analogaufnahmen digitalisiert werden, was mit geeigneten Hilfsmitteln trotz der großen Datenmenge möglich wäre. Um einen ersten Eindruck von der Qualität der Daten zu bekommen wurde das Moxaer Archiv stichprobenartig inspiziert.

 

Das Ergebnis dieser Voruntersuchungen dämpft jedoch die Erwartungen deutlich. Häufig kam es zu Datenausfällen in Folge von Nullpunktverschiebungen der angeschlossenen Verstärker. Zwei wesentliche Nachteile der verwendeten Bauart UM 111 waren die hohe Empfindlichkeit auf Schwankungen der Raumtemperatur und mangelnde Langzeitstabilität (Brunner, persönliche Mitteilung, 1997). Um diese Eigenheiten zu korrigieren musste etwa im Zwei-Tages-Rhythmus ein Abgleich durchgeführt werden, was zu den erwähnten Nullpunktwanderungen führte. Entsprechend der ursprünglichen Verwendung als Seismometer-Ergänzung war das kein großer Nachteil; im Hinblick auf Langzeitbeobachtungen erscheint dies jedoch problematisch. Auch die Stetigkeit des registrierten Strains kann nicht überzeugen. Es finden sich kaum wirklich zusammenhängende Aufzeichnungen von mehr als einer Woche Dauer. Abbildung 4.6 zeigt einen im Stundentakt digitalisierten Ausschnitt aus einer im Normalfall etwa 4 Wochen langen Messreihe.

Abbildung 4.6: Analogaufzeichnung NS-Strainmeter vom Februar 1995. Digitalisiert, Abtastrate 1 h.

 

 

Der Plot umfasst einen 14tägigen Registrierzeitraum (Beginn: 17.05.95, 9.00 Uhr). Auffällig sind die starke, nichtlineare Drift und diverse Störungen (z. B. bei ca. 4,5 Tagen). Einige Sprünge wurden hier bereits von Hand korrigiert. Es bleibt jedoch offen, ob es sich nur um einen Verstärkerabgleich handelt oder ob auch eine zeitliche Lücke vorhanden ist. Am Anfang einer Papierrolle und in unregelmäßigen Abständen von einigen Tagen wurden zeitliche Markierungen gesetzt, die jedoch nur zur groben Orientierung genutzt werden können. Als Zeitmarken kommen so allenfalls seismische Ereignisse in Frage. So findet sich beispielsweise bei dem in Abbildung 4.4 dargestellten Beben eine erhebliche Differenz von einigen Stunden zwischen tatsächlicher Registrierzeit und den im Bild nicht mehr sichtbaren Zeitmarken. Selbst die Marken der beiden Komponenten weichen deutlich voneinander ab.

 

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das vor drei Jahrzehnten installierte Strainmeter-System einerseits entsprechend dem damals technisch Realisierbaren funktioniert, andererseits aber umfangreicher Überholung bedarf um den heutigen Aufgaben gerecht werden zu können.

Baulicher Zustand vor Beginn der Überholung

Um den mechanischen Zustand der Strainmeter zu prüfen wurde im Februar 1998 mit Hilfe eines digitalen Oszilloskops eine Aufnahme mit der alten Konstellation aus Induktivgeber und Verstärker UM 111 gemacht (Abbildung 4.7).

Abbildung 4.7: Digitale Aufnahme des ursprünglich montierten induktiven Wegaufnehmers einschließlich des alten Verstärkers UM 111. NS-Komponente, Auflösung 16 Bit, Abtastrate 0,2 s.

 

 

Die halbtägige Gezeitendeformation tritt deutlich hervor, wenngleich leider keine Skalierung möglich ist. Daneben sind jedoch auch zusätzliche Signale zu erkennen. Neben der nichtlinearen Drift (besonders deutlich im Bereich von 18 bis 20 Stunden) fallen vor allem das niederfrequente Rauschen und die plötzliche, nicht harmonische Bewegungsumkehr bei 28 und bei 34 Stunden auf. Letztere ließ, würde sie auch bei den anderen Maximalwerten in dieser Form autreten, auf eine erhöhte Reibung oder einen Bruch des Strainmeters schließen. Nur die ohnehin nötige genaue Untersuchung der Strainmeter konnte zu weiteren Erkenntnissen führen. Im Zuge der Umgestaltung der Seismologischen Station Moxa hin zum Geodynamischen Breitband-Observatorium wurde neben vielen anderen Moder-

nisierungs-Maßnahmen auch die Klimaanlage komplett demontiert. Die dadurch zu erwartenden stabilen Umweltbedingungen im Stollen ermöglichen es trotz der zukünftig gegen 100 % strebenden Luftfeuchtigkeit auf die thermische Isolierung der Strainmeter zu verzichten. Die vorhandenen Styroporhauben wurden im Herbst 1998 vollständig entfernt. Dabei kamen einige Überraschungen zum Vorschein.

 

Die Abdeckung der Strainrohre bestand aus einzelnen, etwa 60 Zentimeter breiten, U-förmigen Segmenten, die durch eine bitumenähnliche Masse untereinander und mit dem Boden verbunden waren. Offensichtlich ließ sich das Einfüllen des Bitumens in die Zwischenräume nur bedingt kontrollieren. An einigen Stellen kam es zum mechanischen und damit auch thermischen Kontakt zwischen Styropor, Bitumen und Quarzrohrsegment (Abbildung 4.8).

Abbildung 4.8: Insgesamt drei Quarzsegmente waren durch Rissbildung (Pfeil) zerstört und saßen zum Teil auf den Abstützungen auf.

 

 

Der mechanische Widerstand der Bitumenverbindungen gegen die Strainbewegung war sicher vernachlässigbar; Temperaturschwankungen und die Übertragung von Erschütterungen könnten dagegen zu Störungen geführt haben.

 

Schwerer wiegen indes drei Brüche, die nach dem Offenlegen der Strainmeter zum Vorschein kamen. Zwei Segmente der NS-Komponente wiesen jeweils am Rohrende in unmittelbarer Flanschnähe einen um das gesamte Rohr laufenden Riss auf (Abbildung 4.9); ein Segment des EW-Strains zeigt eine fortgeschrittene Rissbildung.

Abbildung 4.9: Insgesamt drei Quarzsegmente waren durch Rissbildung (Pfeil) zerstört und saßen zum Teil auf den Abstützungen auf.

 

 

Diese Brüche wirkten sich sicher deutlich auf die Qualität der Messungen aus. Möglicherweise sind sie die Ursache für den in Abbildung 4.7. sichtbaren nicht harmonischen Verlauf der Zeitreihe.

 

Die Ursache des unvollständigen Bruches am EW-Strainmeter ist unklar. Möglicherweise handelt es sich um zu hohe Spannungen zwischen dem Quarzrohr und dem mittels Epoxydharz verklebten Flansch oder um chemische bzw. korrosive Prozesse in diesem Bereich. Bemerkenswert an den Totalbrüchen der NS-Segmente sind die ebenfalls an diesen Stellen gerissenen Drahtaufhängungen. Die zerbrochenen Rohre saßen auf den unmittelbar unter allen Flanschverbindungen aufgestellten Sicherheitshalterungen auf. Es kann dabei nicht restlos geklärt werden, was Ursache und was Folge ist, respektive welcher Riss dem jeweils anderen vorausging.

 

Der Vergleich der chemischen Analyse des gebrochenen Wolframdrahtes mit einem bei normalen Raumbedingungen nur mäßig gealterten Exemplar der gleichen Charge zeigt einen deutlich gestiegenen Sauerstoffgehalt im Metall (Abbildung 4.10). Die dargestellten Röntgenspektren wurden an der Fachhochschule Jena erstellt. Sie geben Aufschluss über die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Proben. Die bei der energiereichen Röntgenbestrahlung aus dem Atom herausgelösten Elektronen werden durch aus anderen Elektronenschalen aufrückende Teilchen ersetzt. Die dabei freigesetzte Energie äußert sich in den abgebildeten Spektrallinien. Besonders deutlich ist dabei der Sprung auf die K-Schale bei für Wolfram typische 1,8 keV sichtbar. Die Linien um 8 bis 10 keV entsprechen anderen, höheren Elektronenschalen. Zur Eichung des Versuchs dient die nicht bezeichnete Nullinie (Friedrich, persönliche Mitteilung, 1999).

 

Der aufälligste Unterschied zwischen den Proben ist die Zunahme des Gehaltes an Sauerstoff (Bezeichnung "O", bei 0,5 keV) und einigen anderen Elementen (N, Na, K, Cl). Diese Korrosion macht eine Ermüdung der Wolframdrähte zur wahrscheinlichsten Bruchursache. Nicht völlig ausgeschlossen werden kann auch, dass diese Brüche bzw. Risse durch die Abrissarbeiten an den Styroporhauben impliziert wurden. Jedoch lässt der Zustand der Bruchflächen des Drahtes ein bereits länger zurückliegendes Rissdatum vermuten (Brunner, persönliche Mitteilung, 1999).

Abbildung 4.10: Röntgenspektroskopische Analyse des zur Rohraufhängung verwendeten Wolframdrahtes (links: bei Normalbedingungen gelagert). Das im Stollen gealterte und dort gebrochene Exemplar (rechts) weist einen deutlich höheren, auf starke Korrosion hinweisenden Sauerstoffgehalt auf (Spektrallinie "O").

 

 

Signalwandlung durch Wegaufnehmer

Eine besondere Bedeutung kommt den Wegaufnehmern als Wandler zwischen mechanischem und elektrischem Teil der Strainmeter zu. Ihre prinzipielle Arbeitsweise soll hier vorgestellt werden.

 

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Pendel- und Strainseismometer besteht in der Art der Signalwandlung, jedenfalls sofern bei den letzteren Instrumenten Wegaufnehmer und nicht die früher üblichen Magnet-Spulen-Systeme zum Einsatz kommen. Pendelseismometer beruhen auf einem dynamischen Prinzip, eine Messwertgewinnung setzt eine Bewegung voraus (Schneider, 1975). Ein ruhendes Pendel erzeugt kein Signal, das gilt auch für Feedback-Systeme, bei denen ja die Pendelbewegung lediglich unterdrückt wird (Schneider, 1975). Das führt zu einer endlichen Grenzperiode dieses Seismometertyps, da eine sehr tieffrequente Schwingung eine zu schwache Spannung in den Spulen induziert.

 

Wegaufnehmer arbeiten dagegen statisch. Auch beim in Ruhe verharrenden Strainseismometer kann die momentane Lage eindeutig bestimmt werden, da es sich um eine kontinuierliche Messung handelt, die erst durch Differenzbildung zweier Werte die Bedeutung eines Weges erlangt. Die Empfindlichkeitsgrenze wird hier nicht durch die Frequenz, sondern durch den absolut zurückgelegten Weg der Bewegung bestimmt. Da dieser kleinste auflösbare Wert nur vom Verstärker bzw. dessen Signal-Rauschabstand abhängt, sind heute Wegänderungen im Nanometer-Bereich registrierbar. Jede verbesserte Verstärkergeneration verschiebt diese Grenze nach unten (Kreuzer, 1990).

 

Nach der Art der Signalwandlung werden kapazitive und induktive Wegaufnehmer unterschieden. Beide Typen sind im Strainmeterbau verbreitet. Während in Moxa und am BFO in Schiltach (Emter, Wenzel und Zürn, 1998) mit dem induktiven Prinzip gearbeitet wird, wurden und werden im ungarischen Sopron mit kapazitiven Wandlern gute Erfahrungen gemacht (Mentes, 1991). Trotz der in der Literatur beschriebenen jeweiligen Vor- und Nachteile (Walcher, 1985) sind offenbar beide Typen für geophysikalische Aufgaben geeignet, sofern sie einer hohen Güteklasse entsprechen.

 

Beim kapazitiven Geber handelt es sich um einen Kondensator, dessen Kapazität vom veränderlichen Elektrodenabstand abhängt. Um Feldinhomogenitäten an den Elektrodenrändern zu vermeiden, werden häufig Differentialkondensatoren verwendet (Abbildung 4.11). Je nach Stellung der inneren Kondensatorfläche ändert sich die Kapazität in den jeweiligen Teilstücken der äußeren, unterbrochenen Mantelfläche (Walcher, 1985).

Abbildung 4.10: Die Kapazitäten C1 und C2 werden durch die Lage der inneren Kondensatorfläche und damit durch die Position x bestimmt (aus Walcher, 1985).

 

 

"Der Vorteil von kapazitiven Gebern ist ... die geringe Temperaturabhängigkeit und die hohe erreichbare Genauigkeit.`" (Walcher, 1985). Demgegenüber steht eine erhöhte Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit (Tränkler, 1992). In jüngeren Veröffentlichungen wird die hohe Temperatur-Unempfindlichkeit allerdings auch den induktiven Gebern bescheinigt (Kreuzer, 1998).

 

Das Prinzip des induktiven Aufnehmers zeigt Abbildung 4.12. Die Lage des ferromagnetischen Kerns ändert die Induktivitäten der beiden Spulen S1 und S2. Die Induktivität beeinflusst ihrerseits den Ohmschen Widerstand der Spule, der über eine Messbrücke ermittelt wird.

Abbildung 4.12: Die durch den Kern beeinflusste Induktivität der Spulen, deren Verhältnis zueinander mit der Messbrücke als Spannung UD abgegriffen wird, hängt von der Lage x des Tauchankers ab (aus Walcher, 1985).

 

 

Bei einigen neueren Wegaufnehmern bestehen die Spulen nur noch aus einer einzigen Windung (Kreuzer, 1998). Das beschreibt den auch bei der Einführung der Feedbacksysteme im Seismometer- und Gravimeterbau eingeschlagenen Weg, empfindliche mechanische Anordnungen zu vereinfachen und durch kompliziertere, aber besser kontrollierbare elektronische Systeme zu ersetzen.

Konzeption und Arbeitsweise der neuen Systeme

In diesem Abschnitt wird auf die bis zum Sommer 1999 durchgeführten Änderungen an den orthogonalen Quarz-Strainmetern eingegangen. Dabei werden auch erste Messungen mit den neu installierten Systemen vorgestellt. Dabei wird ausschließlich von der Nord-Süd-Komponente des Strainmeter-Arrays gesprochen, da das andere System noch inmitten der Aufarbeitung steckt.

 

Die komplette Demontage der Styropor-Abdeckungen wurde bereits im Abschnitt 4.2 angesprochen. Zwar sind durch die nunmehr bessere Zugänglichkeit der Strainrohre etwaige Risse oder andere Störungen besser erkennbar, jedoch sollte in naher Zunkunft eine andere Abdeckung der Segmente als Schutz vor möglicherweise herabfallenden Partikeln oder Kondenströpfchen installiert werden. Eine derartige Konstruktion ist bereits in Planung.

 

Um weitestgehend von den in der Vergangenheit in Moxa gemachten Erfahrungen im Strainmeter-Bau profitieren zu können, wurde der nicht zur eigentlichen Messwertaufnahme dienende Teil des Extensometers im wörtlichen Sinne instandgesetzt, d. h. es wurden keine Veränderungen an der ursprünglichen Konstruktion vorgenommen. Zwar lag angesichts der gerissenen Wolfram-Aufhängungen der Versuch nahe, ein geeigneteres Material für diesen Zweck zu finden. Indes sollte die bewährte Charakteristik des mechanischen Teiles der Strainmeter unangetastet bleiben. So ist es möglich, sich bei einer etwaigen Fehlersuche auf den messtechnischen Teil der Systeme zu beschränken. Sollte sich das neue Wegaufnehmer-Konzept bewähren, so kann mittelfristig über weitere Verbesserungen der übrigen Mechanik nachgedacht werden.

 

Die zwei gebrochenen Segmente wurden gegen neue, d. h. gegen gleich alte, aber bisher nicht eingesetzte Elemente ausgetauscht. Bei der Herstellung der Quarzrohre waren einige Exemplare als Reserve hergestellt worden. Von diesem unter normalen Raumbedingungen gelagerten Vorrat kann nun Gebrauch gemacht werden. Die Drähte der Rohraufhängungen wurden komplett ausgetauscht, wobei die in Abschnitt 4.2 erwähnten, ebenfalls unter Normalbedingungen gealterten Wolframdrähte eingesetzt wurden. Das Ergebnis dieser umfangreichen Restaurierung zeigt Abbildung 4.13. Gut zu erkennen sind dort die wie ein Schatten wirkenden, dunklen Rückstände des Bitumens der Styroporabdeckungen (leicht versetzt unter den Quarzrohren). Der Spalt zwischen Strainmeter-Fundament und dem Stollengang soll das Übertreten von Trittschall auf die Strainmeter verhindern. Er wurde bereits zur Bauzeit der Stollen angelegt.

Abbildung 4.13: Gesamtansicht des restaurierten Nord-Süd-Strains, vom Stollenende aus betrachtet.

 

 

Die induktiven Wegaufnehmer - einige grundlegende Bemerkungen zu diesen Instrumenten finden sich in Abschnitt 4.3 - wurden dagegen komplett durch neue Systeme ersetzt. Es handelt sich um speziell für Moxa modifizierte Halbbrücken vom Typ MGC mit Verstärker MC50 von Hottinger Baldwin Meßtechnik, Darmstadt. Um die Aufnehmer auch in feuchter und kalter Umgebung dauerhaft betreiben zu können, wurden sie bereits vom Hersteller luft- und wasserdicht durch Schrumpfschläuche versiegelt (HBM, 1997); gut zu erkennen sind diese in Abbildung 4.14. Die übrigen technischen Parameter der Aufnehmer entsprechen den handelsüblichen Versionen: Die Speisespannung beträgt 2,5V, die Trägerfrequenz von 4,8 kHz liegt in einem durch andere technische Geräte wenig bis gar nicht gestörten Bereich (Kreuzer, 1990). Zunächst wurde das System im Normalbetrieb mit 20 Bit Auflösung bei einem Meßbereich von 2 mm betrieben.

Abbildung 4.14: Die neuen induktiven Wegaufnehmer mussten wegen der feuchtkalten Bedingungen im Stollen mit Schrumpfschläuchen luft- und wasserdicht verschlossen werden.

 

 

Der Weg zwischen den Aufnehmern am Strainmeter (Abbildung 4.12) und dem wegen seiner ehemaligen Funktion "Uhrenraum" getauften Datenerfassungsraum (Abbildung 3.1), in dem sich unter anderem der Strainmeterverstärker befindet, beträgt etwa 50 Meter. Auf die Qualität der Messwerte hat diese große Entfernung trotz der analogen Übertragung nur einen vernachlässigbaren Einfluss, da die verwendete Sechsleiter-Technik in Verbindung mit dem Trägerfrequenz-Prinzip äußere Störungen nahezu perfekt abschirmt (Kreuzer, 1990).

 

Im Gegensatz dazu wäre ein Kurzhalten der analogen Signalstrecke durch Aufstellen der Verstärker in Aufnehmernähe mit einigen Problemen verbunden. So würde es zu einer permanenten Wärmezufuhr im Stollen kommen, die der Forderung nach möglichst natürlichen Umweltbedingungen widerspräche. Außerdem wäre ein Modulwechsel oder eine andere Wartungsarbeit am Verstärker mit einer erheblichen Störung der Stollenruhe verbunden, die auch für die anderen dort aufgestellten Mess-Systeme wie Laser-Strainmeter und Breitbandseismometer sehr wichtig ist.

 

Die Aufnehmersignale werden im Verstärker digitalisiert und können direkt über eine RS232-Schnittstelle an einen Rechner zur Weiterverarbeitung geleitet werden. Sowohl der Erfassungsrechner als auch der Verstärker verfügen über unterbrechungsfreie Stromversorgungen, letzterer wird zur Abschirmung von Netzschwankungen an einem ständig gespeisten Akkumulator betrieben. Zur Messwertaufzeichnung dient ein BASIC-Programm (Abbildung 4.15), das sich die Rechner-Resourcen mit einem zwar deutlich aufwendigeren, aber die Leistung moderner Computer lange nicht erschöpfenden Erfassungsprogramm für Wetterdaten auf einer Windows(TM)-NT-Plattform teilt.

 

Neben der obligatorischen Schnittstellenwahl kann die Filtercharakteristik des Verstärkers eingestellt werden. Die drei Aufnehmer-Kanäle können in verschiedene Dateien tagesweise gespeichert werden. Wahlweise lassen sich entweder die letzten 30 Stunden oder die vergangene halbe Stunde für Kontrollzwecke darstellen. Die übrige Datenverarbeitung erfolgt auf einer anderen Maschine, dadurch kann die Systemstabilität erhöht werden.

Abbildung 4.15: Das Erfassungsprogramm SS 2000 für die Strainmeter-Daten. Die graphische Anzeige des Strains dient nur Kontrollzwecken. Sie weist Ungenauigkeiten auf, da nur wenige Messwerte dargestellt werden.

 

 

Die Samplingrate beträgt 10 Sekunden, das macht einen Vergleich mit anderen in Moxa gemessenen und ebenfalls mit dieser Abtastrate erfassten Größen wie Wetter und Schwere leichter. Leider zeigt sich hier ein Nachteil der Verwendung handelsüblicher und nicht speziell auf geophysikalische Zwecke ausgerichteter Messgeräte. Die kleinstmögliche Eckfrequenz des Besselfilters des Strainverstärkers beträgt 0,05 Hz. Das ist ein Wert, der in allen anderen in der Messtechnik üblichen Fällen um Größenordnungen überschritten wird, nicht jedoch bei den in der Geophysik behandelten langsamen Bewegungen. Die gewünschte Abtastrate von 0,1 Hz entspricht genau der Nyquist-Frequenz, also der selbst bei einem sehr steilflankigen Filter nach dem Shannon-Theorem nicht mehr alias-frei darstellbaren Frequenz (Randall, 1987).

 

Ein Aliasing-Spektrum entspricht gewissermaßen einem Spiegelbild des Ursprungsspektrums an der halben Abtastfrequenz. Frequenzen von etwas weniger als 0,1 Hz führen also bei der hier vorliegenden Abtastrate zu Scheinfrequenzen von etwas mehr als 0,1 Hz (Randall, 1987). Ein Ausweg ist die schnellere Abtastung mit beispielsweise 1 Hz und eine anschliessende numerische Filterung.

 

Allerdings handelt es sich bei der eingestellten Grenzfrequenz um einen vom Verstärker gerechneten Wert. Die tatsächliche Filter-Eckfrequenz des Aufnehmer-Verstärker-Systems liegt in der Größenordnung von einigen wenigen Kilo-hertz (Gommola, persönliche Mitteilung, 1999). Dies spielt sich schon auf der digitalisierten Seite des Signalflusses ab, kann also in erster Näherung als unkritisch betrachtet werden.

 

Dennoch kann dieser Zustand nicht befriedigen. Eine überarbeitete, aufwendigere Version des Registrierprogramms ist in Vorbereitung und wird eine kontinuierliche Datenauslese vom Verstärker ermöglichen. Dann kann die Abtastrate ohne Rücksicht auf die Antwortzeit des Verstärkers gewählt werden.

 

Die Wiederinbetriebnahme des Nord-Süd-Strainmeters erfolgte am 4. Dezember 1998. Nachdem sich die ersten mechanischen Spannungen gelegt hatten und sich das System weitgehend ausgehängt hatte, konnten ein Vierteljahr später die ersten nutzbaren Daten gespeichert werden. Alle im Folgenden vorgestellten Aufnahmen wurden durch Abzug eines linearen Trends mit dem Ziel der besseren Darstellbarkeit modifiziert. Abbildung 4.16 zeigt einen Beispielplot über einen Zeitraum von 2,5 Tagen.

 

Neben dem prinzipiell harmonischen Verlauf und dem Beben vom 5. April 1999 fallen noch einige Unstetigkeiten wie die vom 6. April um 2 Uhr auf, die wahrscheinlich auf Setzungserscheinungen des noch jungen Systems zurückzuführen sind. Der Vergleich mit den mit Hilfe des Programmpaketes ETERNA (Wenzel, 1996) theoretisch berechneten Straingezeiten in Abbildung 4.17 zeigt, dass die Größenordnung des gemessenen Strains in der Amplitude etwa den erwarteten Werten entspricht; ein Umstand, der durch die bei Strain-Registrierungen immer auftretenden Cavityeffekte nicht selbstverständlich ist. Diese lokalen hohlraumbedingten Störungen können die gleichen Größenordnung wie die Deformation selbst annehmen (Harrison, 1976; King und Bilham, 1973 in Emter, Wenzel und Zürn, 1998).

 

Die resultieren Residuen, also die nicht vorhergesagten Deformationen, sind in Abbildung 4.18 dargestellt.

Abbildung 4.16: Eine Registrierung über die Osterfeiertage 1999. Neben erfreulichen Störungen wie dem Beben vom 05.04. treten noch heftige Setzungserscheinungen auf (06.04., 2 Uhr).

 

 

Abbildung 4.17: Der gemessene Strain (Abbildung 4.16) stimmt gut mit dem theoretisch vorhergesagten überein.

 

 

Abbildung 4.18: Die Residuen der beiden Zeitreihen aus Abbildung 4.17 lassen sich bei solch kurzen Aufzeichnungen kaum interpretieren (siehe Text).

 

 

Auffällig ist die nicht sehr harmonisch verlaufende Periode von etwa einem Tag, deren Interpretation allerdings mit dieser Registrierung nicht möglich ist. Das System befindet sich noch in der Testphase und die vorliegenden Zeitreihen müssen bislang als Fragmente bezeichnet werden, da insbesondere durch die Versuche mit einem Laser-Strainmeter die Ruhe im Stollen praktisch wöchentlich gestört wurde. Um die Aufzeichnungen wirklich interpretieren zu können müsste eine Analyse über einen Zeitraum von wenigstens einem Monat gerechnet werden (Weise, persönliche Mitteilung, 1999). Die Abbildungen 4.16 und 4.17 sollen nur das prinzipielle Verhalten des rekonstruierten Strainmeters illustrieren. Im Abschnitt 4.5 wird eine etwas längere Zeitreihe vorgestellt.

 

Um die Messreihen auf ihren Frequenzgehalt hin zu untersuchen, kann auch eine schnelle Fourieranalyse (FFT) durchgeführt werden (Randall, 1987). In Abbildung 4.19 sind die halb- und ganztägigen Deformationen gut zu erkennen. Der Messzeitraum für diese Analyse beträgt 3,8 Tage (2^15 *10 s), mit dem in Abbildung 4.16 dargestellten Zeitraum als Teilmenge. Wie der Stützstellen-Abstand insbesondere ab 10 Stunden Periodendauer zeigt, kann aber auch hier das Spektrum in diesem Bereich nur ungenügend dargestellt werden.

Abbildung 4.19: Die FFT einer knapp viertägigen Zeitreihe zeigt nur die spektralen Hauptanteile von 12 und 24 Stunden.

 

 

Ein weiteres Problem zeigt sich bei der genaueren Betrachtung des auch in Abbildung 4.15 erkennbaren Neu-Guinea-Bebens vom 05. 04. 1999 (Magnitude mb = 5,5). Der Strain-Verstärker kommt hier bereits an seine Auflösungsgrenze, was sich in einem deutlichen Quantisierungsrauschen äußert (Abbildung 4.20).

Abbildung 4.20: Das Beben vom 05. 04. 1999 hebt sich nur unzureichend vom Digitalisierungsrauschen des werkseitig eingestellten Verstärkers ab.

 

 

Die Amplitude von 15 nS entspricht einer wahren Bodendeformation von 400 nm. Selbst bei den stärksten Gezeiten wird ein Wert von 1000 nm nicht erreicht. Damit wird der Messbereich von 2 mm, den der Verstärker erfassen kann, um Größenordnungen überschritten, was freilich auf Kosten der Auflösung geht. Um die Signalqualität zu verbessern, wurde dieser Bereich auf ein Zehntel verkleinert und die Empfindlichkeit der Halbbrücken entsprechend erhöht. Damit wird das Aufnehmer-Verstärker-System nun an der Leistungsgrenze betrieben. Es darf nicht unerwähnt bleiben, dass die Aufnehmer nicht auf diesen Empfindlichkeitsbereich eingemessen wurden. Sollte sich diese Betriebsart dauerhaft als stabil erweisen, kann das System vom Hersteller nachträglich angepasst werden.

 

Das Ergebnis dieser Änderungen vermittelt Abbildung 4.21. Das obere Bild zeigt eine 36-stündige Registrierung von Anfang Mai 1999. Nun geht das unvermeidbare Rauschen des analog arbeitenden Teils des Systems nicht mehr in der Quantisierung unter (Ausschnitt unten).

Abbildung 4.21: Mit den geänderten Einstellungen lässt sich das Gezeitensignal (oben) detailiert auflösen (unten).

 

 

In der seitdem vergangenen Zeit von etwa zwei Monaten musste der Nullpunkt des Verstärkers bereits zweimal verschoben werden. Zwar liegt die Amplitude der Gezeitendeformation weit innerhalb des Messbereiches. Die starke, praktisch lineare Drift des Ausgangssignals sprengte diesen Bereich jedoch überraschend schnell. Wie die Parallelregistrierung mit einem Laser-Strainmeter über den gleichen Weg zeigte (Kapitel 7), handelt es sich offenbar um ein Verstärkerphänomen und nicht um eine tatsächliche Deformation. Es bleibt abzuwarten, ob diese Drift nachlässt, wenn im Stollen und im Verstärkerraum wieder stabile Verhältnisse herrschen. Für die Zukunft ergibt das drei mögliche Konsequenzen:

 

  • Entweder muss ein regelmässiger Nullpunkt-Reset in Kauf genommen werden. Dieser kann protokolliert und somit nachträglich verrechnet werden. Da es sich nur um einen Verstärkereingriff und nicht um eine tasächliche Verrückung des Wegaufnehmers handelt, stehen die neuen Einstellung ohne Messwert-Ausfall zur sofortigen Verfügung. Es muss dann geprüft werden, ob der Verstärker in den verschiedenen Intervallen die gleiche Linearität aufweist.

  • Oder es muss zugunsten sehr langer, wirklich ungestörter Messreihen auf die erhöhte Auflösung verzichtet werden. Damit wären Untersuchungen halb- oder ganzjähriger Deformationen möglich, allerdings mit dem Preis des Verzichts auf die detailierte Registrierung von Erdeigenschwingungen. Diese Option kommt deshalb und auch wegen des Vorhandenseins anderer Messgeräte im Stollen, die regelmässig gewartet werden müssen, nur sehr bedingt in Frage.

  • Es ergeben sich noch Möglichkeiten, den Strainverstärker zu modifizieren oder unter stabileren Bedingungen zu betreiben. So ist beispielsweise die Aufstellung des Gerätes in einem temperaturstabilisierten Gehäuse denkbar. Außerdem können entsprechend dem technischen Fortschritt verbesserte Verstärkermodule eingesetzt werden. Bis über solche Fragen entschieden werden kann, muss jedoch erst die völlige Beruhigung der noch jungen Strainmeter abgewartet werden.

Auswertung einer 12tägigen Zeitreihe

Wie bereits im Abschnitt 4.4 erwähnt wurde, kann keine genügend lange Zeitreihe zur Verfügung gestellt werden, die eine umfangreiche Analyse ermöglichen würde. Statt dessen sollen die Möglichkeiten, die sich aus der zukünftigen Auswertung ergeben werden, an Hand einer 13tägigen Aufnahme von Mitte Mai 1999 skizziert werden. Es handelt sich um Daten der Nord-Süd-Komponente des 25-Meter-Arrays. Abbildung 4.22 zeigt die Rohdaten, also die mit dem Erfassungs-Programm SS 2000 aufgezeichneten Werte.

Abbildung 4.22: Unkorrigierte Werte der in diesem Abschnitt behandelten Zeitreihe.

 

 

Das Signal wird von einer starken Drift beherrscht. Nach Abzug eines empirisch ermittelten linearen Gliedes lässt sich ein fast ungestörter Verlauf erkennen (Abbildung 4.23). Der Vergleich mit den theoretisch erwarteten Werten (Abbildung 4.24) zeigt, dass daneben offenbar auch nichtlineare Überlagerungen vorhanden sind. Die Gegenüberstellung der Spektren zeigt ausserdem zu schwach ausgeprägte Amplituden der 12- und 24-stündigen Perioden (Abbildungen 4.25 und 4.26). Die scheinbare Aufspaltung des ganztägigen Signals ist Resultat der für analytische Zwecke zu kurzen Zeitreihe, was sich auch im großen Stützstellenabstand äußert. Die Residuen, also die Differenz beider Zeitreihen, sind in Abbildung 4.27 dargestellt.

Abbildung 4.23: Eine lineare Korrektur der Messreihe aus Abbildung 4.21 offenbart kleine Störungen wie die vom 08.05.1999.

 

 

Abbildung 4.24: Theoretisch erwarteter Verlauf im gleichen Zeitraum.

 

 

Abbildung 4.25: Fourierspektrum des gemessenen und in Abbildung 4.22 dargestellten Strains.

 

 

Abbildung 4.26: Das Spektrum der theoretischen Zeitreihe weist höhere Amplituden der halb- und ganztägigen Gezeiten auf.

 

 

Abbildung 4.27: Residuen des gemessenen und des theoretischen Strains. Zur Interpretation siehe Text.

 

 

Auffällig sind die auch hier vorhandenen halb- und ganztägigen Anteile, gut zu erkennen in der Zeit um den 11.05. bzw. ab dem 14.05.1999. Sie sind Folge eines Phasenfehlers, dessen Korrektur wesentlich längere Zeitreihen erfordert, als sie im Augenblick verfügbar sind. Auch in die Berechnung der theoretischen Gezeiten für den Standort Moxa gehen Parameter wie Amplituden- und Phasenfaktoren ein, deren Kenntnis längere Messungen am Standort oder in der näheren Umgebung erfordert (Wenzel, 1996). Zunächst wurden hier nur allgemeine Standardwerte angenommen. Die Residuen enthalten dadurch noch sehr große Gezeitenanteile.

 

Daneben finden sich über den gesamten Beobachtungszeitraum zahlreiche Störungen, deren Natur nicht ohne Weiteres zu ermitteln ist. Insbesondere die scharfe Änderung der Deformationsrichtung (09.05, 18 Uhr) scheint instrumentelle Ursachen zu haben. Eine genauere Untersuchung benötigt jedoch eine Gezeitenanalyse oder ein besseres regionales Wellengruppenmodell zur besseren Abgrenzung des Gezeitenanteils (Weise, persönliche Mitteilung, 1999).

 

Auch mit den vorhandenen Daten lassen sich jedoch vorläufige Anpassungen vornehmen. Ein geeignetes Mittel dafür sind Kreuzspektren, bei denen zwei Zeitreihen gleicher physikalischer Natur einander gegenüber gestellt werden (Jentzsch, persönliche Mitteilung, 1999). Die Residuen äußern sich dabei in der Entartung der Geraden mit der Steigung 1. In Abbildung 4.28 ist der gemessene Strain gegen den theoretischen aufgetragen. Alle Messwertpaare, gleich welchen Zeitpunktes, sind aufgetragen. Eine völlige Übereinstimmung der Reihen würde zur als Orientierung eingetragenen Geraden mit der Steigung 1 führen, die entsprechend der Zahl der Messwerte immer wieder durchlaufen wird.

 

Die Abweichungen der beiden Zeitreihen äußern sich in der Verbreiterung der Geraden; die Schlaufenstruktur wird sichtbar. Ein Offset zwischen beiden Reihen führt zu einer Verschiebung in Richtung einer Achse. Eine Abweichung der Amplituden zeigt sich in einem anderen ,,Geraden``-Anstieg. Er ist in Abbildung 4.28 kleiner als 1 und Ausdruck der auch durch den Spektralvergleich (Abbildungen 4.25 und 4.26) festgestellten Amplitudenabweichungen. Die Korrektur mit dem empirisch gefundenen Faktor a=1,15 führt zu dem in Abbildung 4.28 dargestellten Verlauf. Der Anstieg der Figur entspricht dem der Idealgeraden.

Abbildung 4.28: Die Gegenüberstellung von Messwerten und theoretischem Strain (hier als Kreuzspektrum) zeigt beträchtliche Abweichungen. Ideale Übereinstimmung würde zu der als Diagonale sichtbaren Geraden führen.

 

 

Abbildung 4.29: Ein empirisch ermittelter Amplitudenfaktor von 1,15 korrigiert den Figurenanstieg zu nahezu 1.

 

 

Die Breite der Figuren in den Kreuzspektren ist Ausdruck von Phasenabweichungen einzelner Spektralanteile. Ein künstlich herbeigeführter Zeitversatz des gemessenen Strains von zwei Stunden, also eine Phasenverschiebung von 30 Grad bezogen auf die halbtägige Gezeitendeformation, würde zu der in Abbildung 4.30 dargestellten Figur führen. Hier ist die Entartung besonders ausgeprägt.

Abbildung 4.30: Eine (künstlich herbeigeführte) Phasenverschiebung äußert sich in einer Verbreiterung der Figur. Völlige Phasenübereinstimmung würde zu einer Geraden führen, deren Anstieg das Amplitudenverhältnis beschreiben würde.

 

 

Der allgemeine Amplitudenfaktor von 1,15 ändert jedoch, da er sich im gesamten Spektrum niederschlägt, nichts Wesentliches am Verlauf der Residuen (Abbildung 4.31). Dabei haben halb- und ganztägige Perioden in Bezug auf die Amplituden einen vergleichbaren hohen Anteil, wie das Fourierspektrum der Residuen zeigt (Abbildung 4.32).

Abbildung 4.31: Die Residuen aus den mit dem empirisch gefundenen Amplitudenfaktor a=1,15 korrigierten Messwerten und dem theoretischen Verlauf.

 

 

Abbildung 4.32: Im Fourierspektrum der Residuen wird der überproportionale ganztägige Anteil deutlich.

 

 

Wesentlichen Einfluß auf die Qualität einer Deformations- oder Schweremessung hat die Reduktion meteorolgischer Effekte (Kroner, 1997). Die Umgebungstemperatur bestimmt die wahre Länge des Stangenstrainmeters und hat damit Einfluss auf das Instrument selbst. Neben der Verwendung von Materialien mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten wie Quarz oder Invar spielt deshalb eine genaue Temperaturmessung eine entscheidende Rolle für die erreichbare Genauigkeit.

 

Abbildung 4.33 zeigt den Temperaturverlauf im Stollen im betroffenen Zeitraum. Es lässt sich ein schwacher Rückgang festellen, der jedoch fast völlig im Rauschen untergeht. Eine Längenkorrektur des Strainmeters ist unter diesen stabilen Bedingungen und mit der Auflösung von 0,01 K nicht erforderlich.

Abbildung 4.33: Die Stollentemperatur kann wegen den geringen Variationen kaum zur Korrelation der Straindaten herangezogen werden.

 

 

Dem gegenüber können Luftdruckvariationen Schwereänderungen hervorufen (Kroner, 1997) und damit einen tatsächlichen Strain verursachen. In Abbildung 4.34 ist der Stollen-Luftdruck dargestellt. Neben halb- und ganztägigen Anteilen dominiert die langperiodische Drift das Spektrum (Abbildung 4.35). Da in absehbarer Zukunft längere Messreihen vorliegen werden, kann die barometrische Reduktion der Straindaten zu einem späteren Zeitpunkt thematisiert werden.

Abbildung 4.34: Der Stollenluftdruck unterliegt erheblichen Schwankungen. Eine genauere Untersuchung des Einflusses auf den Gebirgsstrain erfordert wesentlich längere Zeitreihen.

 

 

Abbildung 4.35: Auch im Luftdruckspektrum finden sich neben langperiodischen Effekten halb- und ganztägige Anteile.

 

 

Die künftige Kalibrierung der Strainmeter ist noch nicht abschliessend konzeptioniert. Neben der Eichung der Wegaufnehmer, die vom Hersteller durchgeführt werden kann, muss das ganze System mit einer Eichvorichtung ausgerüstet werden. Geplant ist der Einbau eines zweiten Wegaufnehmers pro Komponente am festen Ende. Dann kann das Strainmeter dort abgekoppelt und um einen festen Betrag in Richtung des freien Endes verschoben werden. Die Differenz der am Wegaufnehmer abgegriffenen Verrückungen kann dann als Kalibriersignal verwendet werden.

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