Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7247
Main Title: High-resolution shear wave reflection seismics and borehole seismics as tools for the imaging and the characterization of near-surface subrosion structures
Translated Title: Hochauflösende Scherwellenreflexionsseismik und Bohrlochseismik als Werkzeuge zur Abbildung und Charakterisierung von oberflächennahen Subrosionsstrukturen
Author(s): Wadas, Sonja Halina
Advisor(s): Krawczyk, Charlotte M.
Referee(s): Krawczyk, Charlotte M.
Polom, Ulrich
Börner, Frank
Dahm, Torsten
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Subrosion and the resulting structures, such as sinkholes and depressions, pose a great hazard risk. They can cause damage to buildings and infrastructure, and lead to life-threatening situations. But compared to other natural hazards, like earthquakes and tsunamis, very little is known about the generation processes or the possibilities of forecasting. Germany suffers from a widespread sinkhole problem, because soluble deposits, such as gypsum and anhydrite, are close to the surface in many areas. One such area is the federal state of Thuringia, where the two investigation areas of this thesis, Bad Frankenhausen and Schmalkalden, are located. This thesis is concerned with high-resolution imaging and characterization of near-surface subrosion structures using shear wave reflection- and borehole seismics. The possibilities and limitations of the seismic methods are outlined, and an interdisciplinary geophysical approach for the investigation of subrosion areas is presented. Furthermore, I investigate the impact of faults on sinkhole occurrence, and I identify unstable zones using geotechnical parameters derived from seismic. I investigate the main structural characteristics of depressions and sinkholes, and the development of a multiple collapse event, using SH-wave reflection seismic imaging. A strongly heterogeneous, fractured strata with small-scale intraformational faults is identified as the subrosion horizon. The displaced reflectors at the fractured sinkhole margins dip towards the focal point of collapse structures. Consecutive collapse events are triggered more easily at the margins and they follow the direction of the local drainage system. I investigate the role of faults in sinkhole development using S-waves. I show that if an area is tectonically divided into fault blocks this enables groundwater flow and therefore leaching of soluble rocks. Steep-dipping faults can act as a barrier for horizontal groundwater flow, but can allow water to flow parallel to the fault strike. As a result, areas affected by tectonic deformation are prone to enhanced dissolution and sinkhole formation. Electrical resistivity tomography, transient electromagnetics and gravimetry were used to support the reflection seismic results. The former two methods help to correlate buried and near-surface subrosion structures, and faults and fractures that were observed in P-wave and S-wave reflection seismic sections with low resistivity zones, and therefore show the vertical and horizontal water flow. Especially at faults, water can migrate downward to dissolve soluble rocks, and artesian groundwater can migrate upward to form an inland salt marsh. The mass-movement generates local minima of the Bouguer anomaly that correlate with subrosion structures. An analysis of elastic parameters and seismic attributes derived from VSP and 2D SH-wave reflection seismic delivers information about subrosion-induced unstable zones that are important for engineering and construction. Low shear wave velocities and a reduced shear strength are identified for the subrosion horizon and the disturbed overlying deposits. Low shear strength values indicate unstable zones, which show in part high Poisson’s ratios. Shear modulus and Poisson’s ratio anomalies correlate with zones of low electrical resistivities, which indicates their high conductivity due to fluid flow. Conversion of S-to-P-wave within the subrosion horizon is probably caused by dipping layers and fractures. Seismic attribute analysis reveals strong attenuation of high frequencies and low similarity of adjacent seismic traces, which correlates with the degree of subrosion-induced disturbance of the underground. In summary, this work demonstrates the suitability of 2D SH-wave reflection seismic and VSP to investigate subrosion areas and to identify unstable zones.
Subrosionsbedingte Erdfälle und Senken, die zu lebensgefährlichen Situationen und zu Schäden an Infrastruktur und Gebäuden führen können, stellen ein großes Georisiko dar. Verglichen mit anderen Naturgefahren, z.B. Erdbeben und Tsunamis, sind die Entstehungsprozesse und die Vorhersagemöglichkeiten noch unzureichend erforscht. In weiten Teilen Deutschland stellen Erdfälle ein großes Problem dar, weil sich vielerorts lösliche Gesteine wie Gips, Anhydrit und Steinsalz nahe der Erdoberfläche befinden. Ein besonders stark betroffenes Gebiet ist das Bundesland Thüringen, in dem sich die zwei Untersuchungsgebiete dieser Dissertation, die Orte Bad Frankenhausen und Schmalkalden, befinden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der hochauflösenden Abbildung und Charakterisierung oberflächennaher Subrosionsstrukturen unter Verwendung von 2D-Scherwellenreflexionsseismik und Bohrlochseismik. Es werden die Möglichkeiten und Grenzen der seismischen Methoden dargelegt und ein interdisziplinärer geophysikalischer Ansatz zur Untersuchung von Subrosionsgebieten vorgestellt. Außerdem wird der Einfluss tektonischer Störungen auf die Erdfallentstehung untersucht und, mittels von der Seismik abgeleiteter geotechnischer Parameter, instabile Zonen im Untergrund identifiziert. Ich habe die wesentlichen Strukturmerkmale von Senken und Erdfällen und die Entwicklung eines mehrfachen Kollaps mit SH-Wellen Reflexionsseismik untersucht. Für den Subrosionshorizont habe ich stark heterogene und zerbrochene Schichten mit klein-skaligen, nicht-tektonischen Stöorungen identifiziert. Die Reflektoren zeigen einen Versatz an den gebrochenen Schichten der Erdfallränder und sie fallen in Richtung des Erdfallzentrums ein. Aufeinanderfolgende Kollapsereignisse treten bevorzugt an den gestörten Erdfallrändern auf und folgen dabei dem lokalen Grundwasser-Drainagesystem. Außerdem untersuche ich die Rolle von Störungen bei der Erdfallentstehung. Ich zeige, dass ein durch tektonische Beanspruchung in Störungsblöcke zerteiltes Gebiet Grundwasserfluss ermöglicht und dadurch die Auslaugung löslicher Gesteine begünstigt. Steil einfallende Störungen können als Barrieren für Grundwasserfluss senkrecht zur Störung fungieren, aber sie können einen Grundwasserfluss parallel zum Streichen der Störung erm¨oglichen. Daher sind tektonisch beanspruchte Gebiete anfällig für verstärkte Auslaugung und die Bildung von Erdfällen. Ich habe zur Unterstützung der seismischen Ergbenisse die Resultate von elektrischer Widerstandstomographie, transienter Elektromagnetik und Gravimetrie verwendet. Mit den elektrischen Verfahren habe ich einen Zusammenhang hergestellt zwischen Zonen geringen elektrischen Widerstands mit tiefen und oberflächennahen Subrosionsstrukturen, Störungen und Brüchen, welche ich in der P- und S-Wellen Reflexionsseismik identifiziert habe. Dadurch konnte ich den vertikalen und horizontalen Wasserfluss nachvollziehen. Insbesondere an Störungen kann das Wasser in die Tiefe migrieren und Gesteine auslaugen, und artesisches, salz-haltiges Grundwasser kann aufsteigen und eine Binnensalzstelle formen. Die einhergehenden Massenumlagerungen im Untergrund generieren eine mit Gravimetrie detektierbare Anomalie im lokalen Schwerefeld. Eine Analyse elastischer Parameter und seismischer Attribute basierend auf Scherwellenseismik und Bohrlochseismik liefert Informationen über subrosions-induzierte instabile Zonen, welche von Bedeutung sind für den Hoch- und Tiefbau. Ich habe geringe Scherwellengeschwindigkeiten und verringerte Scherwiderstände für den Subrosionshorizont und die gestörten auflagernden Schichten festgestellt. Geringe Scherwiderstände weisen auf instabile Zonen hin, welche zum Teil auch hohe Poissonzahlen aufweisen. Anomalien des Schermodul und der Poissonzahl korrelieren mit geringen elektrischen Widerständen, welche auf erhöhte Leitfähigkeiten durch Fluide hinweisen. Eine zu beobachtende Wellenkonversion von S-Welle zu P-Welle im Subrosionshorizont wird vermutlich durch geneigte Schichten und Brüche verursacht. Die seismische Attributanalyse zeigt eine starke Abschwächung hoher Frequenzen und eine geringe Kohärenz benachbarter seismischer Spuren und dies korrelliert mit dem Grad der subrosionsbedingten Störung des Untergrundes. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Eignung von 2D-Scherwellenreflexionsseismik und Bohrlochseismik für die Untersuchung von Subrosionsgebieten und die Identifizierung instablier Zonen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8086
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7247
Exam Date: 30-May-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 7-Aug-2018
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): shear wave reflection seismic
borehole seismic
sinkhole
subrosion
elastic parameter analysis
Scherwellenreflexionsseismik
Bohrlochseismik
Erdfall
Subrosion
Analyse elastischer Parameter
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Inst. Angewandte Geowissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Wadas_Sonja.pdf115.52 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons