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 drei 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. Einige OBS sind auch bis 8000 m Wassertiefe einsetzbar.

Moderne, stromsparende Datenlogger, aus Eigenentwicklung, bzw. Modelle der Fa. "Umwelt- und Meerestechnik GmbH, KUM" (www.kum-kiel.de) stehen für aktive Seismikvermessungen oder passive Langzeitbeobachtungen zur Verfügung.

Das Ozeanbodenhydrophon (OBH)

Für das OBH-System sind alle Komponenten um eine Mittelstange zentriert, an deren Spitze ein Bergegriff angebracht ist. 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 Blitzers und eines Peilsenders benutzt.

Unterhalb des Schwimmkörpers sind der akustische Auslöser (iXblue oder KUMQUAT) und der 0,8 m lange Druckzylinder mit dem Datenrecorder (Eigenbau oder KUM 6D6) und den Batterien (bis zu 72 R20 oder Lithium Zellen) montiert. Das seismische Hydrophon (HTI) 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 Forschungsschiffes 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 Design 2002

Im Jahre 2002 wurde ein völlig überarbeiteter Entwurf für den vier Komponenten 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 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. Unter diesem Teil des Rahmens können verschiedene Seismometertypen direkt auf dem Anker gespannt werden. Seismometer kleiner Baugröße (4.5 Hz) können wahlweise auch an einem Ausleger per Brenndraht direkt am Meeresboden abgelegt werden.

Als Standard werden 4.5 Hz Seismometer eingesetzt, es sind aber auch Trillium Breitbandsensoren verfügbar. Beide Komponenten werden von Fa. "Umwelt- und Meerestechnik GmbH, KUM" (www.kum-kiel.de) gefertigt. Als vierte Komponente ist immer ein Hydrophon (Typ HTI) angebracht.

Das Ankergewicht, befestigt mit einem akustischen Auslöser (KumQuat, www.kum-kiel.de) unter dem Systemträger, hält den Auftriebskörper mit Druckzylinder und Sensoren 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. In der vertikalen Position werden Suchhilfen wie Flagge, Blitzer und Peilsender aus dem Wasser gehoben.

Außer dem Auftriebskörper sind alle Komponenten mit den OBH-Instrumenten kompatibel und können ausgewechselt werden. Alle OBS sind für 6000 m Einsatztiefe ausgelegt, einige wenige Geräte können bis 8000 m Wassertiefe eingesetzt werden.

Kontakt

Prof. Dr. Heidrun Kopp

Tel.: 0431 600-2324

e-mail: hkopp(at)geomar.de 

 

Dr. Jörg Bialas

Tel.: 0431 600-2329

e-mail: jbialas(at)geomar.de