Differenzinterferometer für die Geowissenschaft

Autoren: Dr. Dontsov, Dr. Pöschel (beide SIOS Meßtechnik GmbH), Dr. Jahr, Prof. Kukowski (beide FSU Jena, Institut für Geowissenschaften)

Erdbeben in Japan. Bekommen wir es mit?

13. November 2015. Japan , 21.51 Uhr MEZ : Im Süden von Japan ereignete sich in jener Nacht ein heftiges Erdbeben. Nach Angaben der Japanischen Meteorologiebehörde (JMA) erreichte es die Magnitude 6.7.  Das Epizentrum lag vor der Küste der südlichen Insel Kyushu.  Fast zur gleichen Zeit registrierten mehrere Geräte im geodynamischen Observatorium Moxa (Deutschland, Thüringen) große Signalabweichungen in den Messungen des üblicherweise sinusförmigen Gezeitenverlaufs. Einige dieser Geräte arbeiten mit Laserinterferometern der SIOS Meßtechnik GmbH.

Abbildung 1: Hochgenaue Differenzinterferometer der Fa. SIOS registrieren Erdkrustenbewegungen im Observatorium Moxa (Thüringen)

Hochempfindliche Geräte ermöglichen die Registrierung und Aufzeichnung der Deformationen und Erschütterungen der Erdkruste, bei heftigen Ereignissen, wie Erdbeben, auch in Regionen, die Tausende von Kilometern entfernt sind. Die Seismologie dient aber nicht nur der Erforschung rein geowissenschaftlicher Fragestellungen wie der Entstehung von Beben oder den Strukturen des Erdinneren, sondern hat darüber hinaus auch eine wichtige politische Dimension. Denn seismische Messstationen registrieren auch Erschütterungen durch vom Menschen verursachte Ereignisse, wie beispielsweise Kernwaffentests.

Das geodynamischen Observatorium Moxa gehört zu einem Netz von verschiedensten seismologischen Einrichtungen in Deutschland. Mit unterschiedlichen Verfahren werden die Erdbewegungen registriert und im Observatorium, das dem Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena angehört, untersucht und verglichen. Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der Erfassung  geodynamischer Prozesse  ist das 1m-Laserstrainmeter der SIOS Meßtechnik GmbH.

 

 

Laserbasierte Messaufbauten im Observatorium Moxa

In einem unterirdischen Stollen des Observatoriums  ist das 1 m-Laserstrainmeter installiert.

In dem in Abbildung 2 dargestellten Nord-Süd-Stollen befinden sich drei Strainmeter:

    • der Quarzrohrstrain (1964) mit dem induktiven Messaufnehmer aus dem Jahr 1995,
    • der 26-Meter-Laserstrain, einer von drei rechtwinklig und diagonal angeordneten Laserstrains, die von der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt und erweitert wurden (Diagonalstrain 1999, Nord-Süd- und Ost-West-Strain 2011),
    • das neue 1-Meter-Laserstrainmeter der SIOS Meßtechnik GmbH (2014).

Abbildung 2: Unterirdischer Stollen mit extrem hohem Luftfeuchteanteil (links) und Messaufbauten (rechts)

Die laserinterferometrischen Systeme der Firma SIOS weisen dabei im Vergleich zum induktiven Quarzrohrstrain eine Reihe technischer Vorteile auf.
Sie erlauben umweltkompensierte Messungen in einer hohen Frequenzbreite und mit einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich. Rauscharme moderne Elektronik und hohe Dynamik zeichnen beide Systeme aus.
Die Interferometer sind in der Lage, die kleinen Veränderungen der Erdoberfläche unter dem Einfluss der Gezeitenkräfte „aufzuspüren“, wie es aus Abbildung 3 ersichtlich ist.

 

 

Abbildung 3: Gezeitenkurven

Die größere Messstrecke gewährt dem 26-m-Strain-System ein besseres Signal-Rauschen-Verhältnis (blaue Kurve).
Wesentliche Vorteile des Meterstrain-Systems sind zweifellos seine kompakte Größe, Robustheit und einfache Handhabung. Somit ist es als transportables Universalmessinstrument zur Messung kleinster mechanischer Deformationen an Bauten oder zu Untersuchungszwecken in der Geodäsie prädestiniert. Hohe Temperaturstabilität und eine geräteinterne Umweltkorrektur ermöglichen die Messungen auch bei extremen Umweltbedingungen, wie zum Beispiel bei 100% Luftfeuchte im Bergwerksstollen.

Meterstrainaufbau

Strainmeter ermitteln Deformationen zwischen Fixpunkten durch die Messung der relativen Längenänderungen, d. h. die Längenänderung bezogen auf die Basislänge.
Das Herzstück des Geräts bildet das Differenzinterferometer der Serie SP-DI von SIOS. Mit seinem streng symmetrischen optischen Aufbau, der Verwendung hochwertiger thermisch stabiler Materialien und der damit verbundenen extrem hohen Langzeitstabilität der Längenmessung bietet es die besten Voraussetzungen für Messungen unter schwierigen klimatischen Bedingungen, wie sie unter Tage herrschen. Da die zu messenden Amplituden in winzigen Größenordnungen von wenigen 100 nm liegen, ist die Differenzmessung besonders wichtig.
Zwei parallele Strahlen erfassen die Relativbewegung zwischen einem Bezugspunkt und dem Messpunkt mit höchster Auflösung und Stabilität. Der werkseitig kalibrierte Strahlabstand ermöglicht eine hochpräzise Winkelmessung.

Abbildung 4 Schematischer Aufbau des Differenzinterferometers

Die Standard-Differenzinterferometer der Serie SP-DI haben einen Messbereich von 2 m bei einer Auflösung von 20 pm. Der Strahlabstand beträgt 21 mm. Die Winkelmessung ist in einem Bereich bis ±1,5 arcmin mit einer Auflösung von 0,0002 arcsec möglich. Der Referenz- und der Messstrahl werden aus dem in Edelstahl ausgeführten Interferometerkopf herausgeführt. Beide Strahlen durchlaufen identische Wege und werden von Umweltänderungen, wie Temperaturschwankungen, gleichermaßen beeinflusst. Dadurch wird eine Temperaturstabilität von < 20 nm/K erreicht.
Der Aufbau des Meterstrains ist in Abbildung 5 schematisch dargestellt.

Abbildung 5 Aufbau des Meterstrains

Der Referenzreflektor ist fest mit dem Sensorkopf am Fixpunkt A verbunden. Der Messreflektor ist an einem Quarzglasrohr angebracht und frei aufgehängt. Das andere Ende des 1 m langen Glasrohres ist am Fixpunkt B befestigt. Die Strahlführung wurde geschirmt und die Befestigungspunkte über Gelenke entkoppelt. Die Reflektoren sind als Kugelreflektoren ausgeführt.

Fazit

Auf der Grundlage der Differenzinterferometer der Serie SP-DI wurden laserinterferometrische Messsysteme entwickelt, die in der Lage sind, mechanische Deformationen im Nanometerbereich zu überwachen, welche sich über wenige Sekunden bis hin zu mehreren Monaten oder Jahren ereignen. Hohe Frequenzbandbreite und Auflösung sowie kompakte Abmessungen zeichnen diese Messsysteme aus. Ihre Robustheit in Bezug auf Umwelteinflüsse ermöglicht den Einsatz auch bei extremen klimatischen Bedingungen.
Mögliche Anwendungsszenarien sind dabei das Monitoring von erdfall- und hangrutschungsgefährdeten Bereichen, tektonischen Bewegungen entlang von Störzonen oder die Überwachung von vulkanisch aktiven Gebieten. Zusätzlich ergeben sich Anwendungsgebiete in Bereichen mit vom Menschen verursachten Deformationen, wie z. B. an Staudämmen, in Bergbaugebieten, in der Nähe von Geothermiekraftwerken sowie anderen Untergrundspeichern jeglicher Art und darüber hinaus zur Überwachung der Einhaltung des Kernwaffenteststopp-Abkommens.

Literatur:
[1] http://www.bgr.bund.de
[2] Sachbericht zum Projekt „Entwicklung eines hochauflösenden, mobilen Deformationsmessers (Meterstrain)
[3] Datenblatt zum Differenzinterferometer der Serie SP-DI

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