Dynamik des Ozeanbodens

Ozeanbodenhydrophone (OBH) und -seismometer (OBS)

Seit 1991 hat die "MARINE GEODYNAMIK" Ozeanboden-Hydrophone (OBH) und Ozeanboden-Seismometer (OBS) entwickelt und auf See eingesetzt.

Seitdem wurden 3 verschiedene Instrumententräger entwickelt. Daten-Logger und Modularität der Systemkomponenten wurden modifiziert, so dass nun unterschiedliche Sensoren sowohl für aktive und passive seismische Experimente als auch für die frühzeitige Entdeckung von Tsunamis genutzt werden können.

Der mechanische Bau der OBH/S ist von der Firma "Umwelt- und Meerestechnik GmbH, KUM" (www.kum-kiel.de) erhältlich. Heute werden alle Metallteile des tragenden Systems genauso wie die Druckzylinder des akustischen Auslösers und des Data Loggers aus Titanium hergestellt. Alle Schwimmkörper bestehen aus synthetischem Schaumstoff, welches sich als zuverlässig selbst unter harten Bedingungen bewiesen hat. Alle Systemkomponenten sind für Operationen in bis zu 6000 m Wassertiefe entwickelt.

Das Ozeanbodenhydrophon

Für das OBH-System sind alle Komponenten um einen Hauptring zentriert, an dem sich an der Spitze ein Griff befindet, um das Gerät bergen zu können. An diesem Griff ist eine 2 m lange Flaggenstange montiert. Der Schwimmkörper besteht aus 2 Halbkugeln mit einem Durchmesser von 550 mm. Zwischen den beiden Halbkugeln können weitere Scheiben eingesetzt werden, welche jede zusätzlich 3,5 Kg Auftrieb  liefert. Die fest angebrachte obere Halbkugel wird zum Befestigen eines Blinkers und eines Radiosenders benutzt.

Unterhalb des Schwimmkörpers sind der akustische Auslöser (iXSea oder KUMQUAT) und der 0,8 m lange Druckzylinder mit dem Datenrecorder (Firma SEND: www.send.de) und den Batterien (bis zu 60 R20 oder Lithium Zellen) montiert.

Das seismische Hydrophon ist zwischen dem akustischen Auslöser und dem Druckzylinder montiert. Der akustische Auslöser hat seine eigene Stromversorgung und einen zusätzlichen programmierbaren Zeitauslöser für Sicherheitszwecke. Am unteren Ende des akustischen Auslösers befindet sich ein Auslösehaken, an dem über einen 2 m langen Draht ein Anker (ein 40-50 Kg schweres Stück Eisenbahnschiene) befestigt ist, der das ganze System fest am Meeresboden verankert. Der Draht soll verhindern, dass das System den Meeresboden berührt. Über einen Sender, der an einem Kabel unterhalb des Schiffsrumpfes hängt, wird ein akustisches Signal von der Deckseinheit zum Auslöser gesendet, um den Anker zu lösen.

Das gesamte Gewicht des Systems beträgt ohne Anker ungefähr 125 Kg. Die Abwärts- und Aufwärtsgeschwindigkeiten betragen ungefähr 1 bis 1,2 m/s.

OBS-Dreibein

Die Konstruktion des Ozeanboden-Seismometers basiert auf den Erfahrungen mit dem GEOMAR OBH.

Für die Systemkompatibilität sind der akustische Auslöser, die Druckzylinder und die Hydrophone identisch mit denen, die für das OBH benutzt werden.

Syntaktischer Schaumstoff wurde wieder als Auftrieb benutzt, aber mit größerem Durchmesser, um die erhöhte Last zu tragen. Anders als bei den OBH haben die OBS drei Beine um ihre zentrierte Stange, an der ein spezielles Ankergewicht angebracht ist. Während das OBH einen Meter über dem Meeresboden schwebt, steht das OBS auf dem Meeresboden.

Das sensible Seismometer wird mit Hilfe einer Auslegevorrichtung ca. 1 m seitlich des Systems aufgestellt, um eine Kollision des Seismometerkabels mit dem Anker zu verhindern.

Ein  Brenndraht löst den Sensor ungefähr zwei Stunden nach dem Kontakt mit Meerwasser aus und lässt ihn aus einem Meter Höhe auf den Meeresboden fallen. Dies soll die Ankopplung des Seismometers auf dem Meeresboden sicherstellen. Zu dieser Zeit ist die einzige Verbindung vom Seismometer zum Instrument ein Kabel und ein befestigter Draht, welcher die ziehende Last übernehmen wird, wenn das Gerät später zur Wasseroberfläche aufsteigt. Vibrationen durch eine Bewegung oder Strömung am Instrument werden folglich mechanisch nicht zum Seismometer übertragen. 

Alle drei Kanäle werden vom Standard-Datenrecorder, wie in den OBH Einheiten benutzt, aufgenommen. Parallel zu diesen drei Kanälen wird das Standard Hydrophon auf dem vierten Kanal aufgenommen.

OBS design 2002

Im Jahre 2002 wurde ein völlig überarbeiteter Entwurf für den OBS-Systemträger entwickelt. Das Ziel der Weiterentwicklung war es, die Ausmaße des Instruments im Wasser zu verringern, die Inbetriebnahme von Standard- und Breitbandseismometer ohne komplizierte Auslegevorrichtung zu ermöglichen und um die Anzahl der Instrumente, die in einem Container gelagert werden können, zu erhöhen.

Der Auftrieb wird nun von Zylindern bereitgestellt, welche wiederum aus syntaktischem Schaumstoff hergestellt werden. Der Druckzylinder mit dem Datenrekorder befindet sich auf dem überstehenden Rahmengestell neben dem Auftriebskörper. Dieser Teil des Rahmens ist am Hauptrahmen mit vier Schrauben befestigt und kann ausgewechselt werden je nach dem geforderten Seismometertyp.

Eine große Auswahl an Standard- (4,5 Hz, 15 Hz) und Breitbandsensoren sind erhältlich. Als Sensor ist zusätzlich immer ein Hydrophon oder differenzieller Druckmesser (DPG, engl. Differential Pressure Gauge) angebracht.

Das Ankergewicht, befestigt mit einem akustischen Auslöser unter dem Systemträger, hält den Auftriebskörper, Druckzylinder und Seismometer während des Sinkens und auf dem Meeresboden in horizontaler Lage.

Das Seismometer ist zwischen dem Rahmengestell und dem Anker angebracht. Diese Position vermeidet das Risiko, dass das Seismometer den Boden in einem zu geneigten Winkel berührt und spart außerdem teure Tragbügel-Mechanismen, sichert aber eine gute Ankopplung an den Boden. Testmessungen bestätigten, dass Frequenzen von 100 Hz und höher noch aufgenommen werden konnten.

Bei der  Bergung steigen die Instrumente mit dem Auftrieb zuerst zur Oberfläche, während der schwere Druckzylinder und das Seismometer vertikal darunter orientiert sind. Das garantiert, dass der akustische Auslöser, der im Zentrum befestigt ist, zu jeder Zeit unter Wasser gehalten wird. Daher ist die akustische Distanzmessung zu dem Gerät auch möglich, wenn das System auf der Oberfläche schwimmt. 

Außer dem Auftriebskörper sind alle Komponenten mit den anderen OBH- und OBS-Instrumenten kompatibel und können ausgewechselt werden. 

Kontakt

Prof. Dr. Ernst R. Flüh

Tel.: 0431 600-2328

Fax: 0431 600-2922

e-mail: eflueh(at)geomar.de

 

Dr. Jörg Bialas

Tel.: 0431 600-2329

Fax: 0431 600-2922

e-mail: jbialas(at)geomar.de