Hydrological information in gravity [Elektronische Ressource] : observation and modelling / von Marco Naujoks

Marco Naujoks

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• Publié par: friedrich-schiller-universitat_jena
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
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Extrait

Hydrological information in gravity:
observation and modelling
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakult t der
Friedrich-Schiller-Universit t Jena
von Diplom-Geophysiker Marco Naujoks
geboren am 03. Juli 1978 in EisenachGutachter:
1. PD Dr. Corinna Kroner, FSU Jena, GFZ Potsdam
2. Prof. Dr. Gerhard Jentzsch, FSU Jena
3. Prof. Dr. Hans-J rgen G tze, CAU Kiel
Tag der ffentlichen Verteidigung: 26. November 2008Zusammenfassung i
Hydrologische Variationen und die sie verursachenden Ph nomene stellen signi kante, breit-
bandige Informationen in geodynamischen Beobachtungen dar, insbesondere in hochaufge-
l sten gravimetrischen Registrierungen. In diesem Zusammenhang entwickelte sich in den
letzten Jahren eine neue Anwendung zeitlicher Schwerebeobachtungen: die Untersuchung
nat rlicher hydrologischer Massenverlagerungen und die ihnen zugrunde liegenden hydro-
logischen Prozesse.
Weltweit werden hydrologische Ein sse in gravimetrischen Registrierungen beobachtet.
Effekte aufgrund von Grundwasserspiegel- und Bodenfeuchtevariationen, Niederschlag und
2 2Schnee in einer Gr enordnung von wenigen nm=s bis zu mehreren 10 nm=s wurden
nachgewiesen. Diese m ssen insbesondere aus den Zeitreihen hochgenauer supraleitender
Gravimeter eliminiert werden, um kleinste geodynamische Signale (z. B. Schwingungen des
Erdkerns oder coseismische Variationen) aufzul sen. In Gebieten mit h geliger Topographie
und/oder inhomogenem Untergrund ist eine einfache, auf hydrologischen Punktbeobachtun-
gen basierende Reduktion oftmals nicht ausreichend, vor allem im Nahbereich von wenigen
100 m um das Gravimeter. F r die Entwicklung genauer Reduktionsmethoden unter diesen
Gegebenheiten ist das Verst ndnis der den hydrologischen Variationen zugrunde liegenden
komplexen Prozesse von zentraler Bedeutung. Sie m ssen in ihrer r umlichen und zeitlichen
Dynamik ber cksichtigt werden.
Umgekehrt wird eine neue Methode zur Evaluierung hydrologischer Modellierungen getes-
tet: die Verwendung zeitabh ngiger Schwerebeobachtungen in Verbindung mit einer gravi-
metrischen 3D-Modellierung. Da zeitabh ngige Schweredaten generell die integrale Infor-
mation ber hydrologische Massen nderungen enthalten, bieten sie eine wertvolle Erg n-
zung traditioneller hydrologischer Punktbeobachtungen. Von besonderem Interesse ist, in
welchem Ma die Informationen dazu beitragen, das Verst ndnis der hydrologischen Pro-
zessdynamik zu verbessern und bis zu welchem Grade sie der Evaluierung hydrologischer
Modelle dienen k nnen.
Schweredaten, abgeleitet aus GRACE-Satellitenbeobachtungen beinhalten Signale durch re-
gionale und globale hydrologische Variationen. Kontinuierliche Registrierungen mit supra-
leitenden Gravimetern enthalten zus tzlich Informationen ber lokale ˜nderungen. Erg n-
zend zu diesen Daten tragen Wiederholungsmessungen mit portablen Relativgravimetern in
einem Netz zur Gewinnung zus tzlicher lokaler Informationen ber chenhafte hydrolo-
gische Variationen bei und erm glichen eine Trennung des lokalen hydrologischen Effekts
von regionalen oder globalen ˜nderungen. Dabei auftretende Fragen, z. B. ob die Ergebnis-
se dieser Wiederholungsmessungen von ausreichender Genauigkeit und wie eindeutig die
erhaltenen Informationen sind, m ssen als Grundlage weiterer Interpretationen beantwortet
sein.
Bez glich dieser Themen wurden im Umfeld des Geodynamischen Observatoriums Moxa
in Th ringen, Deutschland, interdisziplin re geophysikalische, geologische und hydrologi-
sche Untersuchungen durchgef hrt. Das Observatorium Moxa ist f r diese Studien beson-ii Zusammenfassung
ders geeignet, da die Station weltweit eine der rausch rmsten ist, der Untergrund geologisch
gut untersucht ist und zahlreiche meteorologische und hydrologische Parameter beobachtet
werden. Zus tzlich nehmen Hydrologen dort seit einigen Jahren ebenfalls Untersuchungen
vor und ein lokales hydrologisches Modell der Observatoriumsumgebung wurde erstellt. Im
Ergebnis der Arbeit sollen u. a. die hydrologischen Ein ussfaktoren auf die Schwerebeob-
achtungen in Moxa gekl rt sein und eine auf andere Observatorien bertragbare Methode
zur Evaluierung lokaler hydrologischer Modellierungen vorliegen.
In Moxa werden hydrologisch bedingte Schwere nderungen von maximal mehreren
210 nm=s mit dem station ren supraleitenden Gravimeter signi kant beobachtet. Um den
hydrologischen Ein uss zu untersuchen, wurden verschiedene Experimente durchgef hrt,
in denen eine bestimmte Wassermasse auf de nierte Gebiete in der Gravimeterumgebung
2aufgebracht wurde. Der resultierende Schwereeffekt von wenigen nm=s bis zu mehr als
210 nm=s konnte durch erste Modellierungen des unterirdischen Ab ussweges sowohl im
Boden als auch durch Kl fte im aufgelockerten Festgestein erkl rt werden.
Zus tzliche Information konnte durch chenhafte Wiederholungs-Schweremessungen mit
transportablen Gravimetern gewonnen werden. Im h geligen Gebiet um das Observatori-
um wurde ein lokales Festpunktnetz mit maximalen Punktabst nden von 65 m angelegt
und eine Messanordnung entwickelt, mit der f r diese Gegebenheiten Genauigkeiten von
2ca. 10 nm=s erreichbar sind. Auf dieser Grundlage wurden Wiederholungsmessungen im
saisonalen Rhythmus sowie zu speziellen hydrologischen Ereignissen wie Schneeschmelzen
oder l ngeren Trockenzeiten in 19 Kampagnen zwischen November 2004 und September
2007 durchgef hrt. F r die Messungen wurden drei bis f nf ausgesuchte, exzellente und
gut kalibrierte LaCoste & Romberg D- und G-Gravimeter verwendet. Hydrologisch beding-
te Schwerevariationen konnten so im lokalen Ma stab erstmalig chenhaft und signi kant
nachgewiesen und wirksame hydrologische Prozesse identi ziert werden.
Die durch Netzausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate berechneten Stan-
2 2dardabweichungen variieren von 9 nm=s bis 14 nm=s f r eine Schweredifferenz in
einer Kampagne. F r ˜nderungen einer Schweredifferenz zwischen zwei Kampagnen lie-
2 2gen sie zwischen 13 nm=s und 20 nm=s . Zwischen den Punkten des Netzes wurden
2 2signi kante relative Schwere nderungen von bis zu 170 nm=s (140 nm=s zwischen zwei
aufeinander folgenden Kampagnen) chenhaft nachgewiesen. Sie korrelieren mit ˜nderun-
gen der lokalen hydrologischen Situation.
In der Observatoriumsumgebung werden diverse hydrologische und meteorologische Para-
meter chenhaft beobachtet. Sie bilden die Datengrundlage f r ein lokales konzeptionelles
2hydrologisches Modell f r das ca. 1.51.5 km gro e Einzugsgebiet des Baches Silberleite,
der durch das Observatoriumstal ie t. Das Modell wurde f r den Zeitraum zwischen Ok-
tober 2003 und Juli 2007 angewandt. Der Vergleich zwischen simuliertem und gemessenem
Ab uss der Silberleite am Wehr beim Observatorium dient der Validierung des Modells. Sie
zeigt, dass die hydrologische Dynamik im Einzugsgebiet der Silberleite durch das Modell im
Allgemeinen gut wiedergegeben wurde. Dies wurde auch durch den G teparameter , eine
Nash-Sutcliffe-Ef zienz von R = 0:8 best tigt.e f fZusammenfassung iii
Aus den Ergebnissen der Modellierung wurden chenhaft zeitabh ngige hydrologische
Massenvariationen abgeleitet, die r umlich als Dichte nderungen von K rpern in ein kom-
plexes gravimetrisches 3D-Modell der Observatoriumsumgebung ein ie en. Daraus wur-
den die resultierenden Schwere nderungen f r die gravimetrischen Beobachtungspunkte als
Zeitreihe berechnet.
Die Datengrundlage f r die gravimetrische 3D-Modellierung bilden Karten der Bouguer-
und der Freiluft-Anomalie, die auf chenhaft durchgef hrten Schweremessungen an 460
Punkten beruhen. Die Bouguer-Anomalie umfasst einen Schwerebereich von ca. 0:7
5 210 m=s . Sie zeichnet sich in der Umgebung des Observatoriums Moxa durch kleinr u-
mige Anomalien aus, die die lokalen geologischen Strukturen widerspiegeln.
Voraussetzung f r eine erfolgreiche gravimetrische Modellierung ist die Einbeziehung um-
fangreicher geologischer, tektonischer und geophysikalischer Randbedingungen, um die mit
der Potentialmethode einhergehenden Mehrdeutigkeiten ausreichend einzuschr nken. Sie
stehen im Bereich des Observatoriums in hohem Umfang aus mehreren Feldern zur Ver-
f gung und ie en direkt in das gravimetrische Modell ein. Das hochau sende gravime-
trische 3D-Modell, welches auf Grundlage der Freiluft-Anomalie mit Schwerpunkt auf der
realistischen und m glichst exakten Darstellung hydrogeologisch relevanter Strukturen so-
wie der Topographie entwickelt wurde, hat den Vorteil, dass die kleinr umige geologische
und hydrologische Situation im Bereich des Observatoriums sehr gut integriert werden kann.
Die aus diesem kombinierten hydrologischen und gravimetrischen Modell abgeleiteten zeit-
abh ngigen Schwere nderungen werden den signi kanten Ergebnissen der chenhaften
Wiederholungs-Schweremessungen und den Schwereresiduen des supraleitenden Gravime-
ters gegen bergestellt. Im Allgemeinen zeigen die modellierten Variationen und die beob-
achteten eine gute bereinstimmung. Dies f hrt zu der Schlussfolge-
rung, dass der neue Ansatz der Kombination eines lokalen hydrologischen mit einem gra-
vimetrischen Modell eine ad quate und erfolgreiche Methode f r zeitabh ngige Studien zur
lokalen Hydrologie ist.
Aus den Modellierungen wird abgeleitet, mit welcher Amplitude hydrologische ˜nderun-
gen, die in verschiedenen Entfernungen zum Gravimeter auf