Der historische Ursprung des Gräfenberg-Array

Im Jahr 1959 wurde vom Verteidigungsministerium der USA ein Forschungsprogramm zur Entwicklung von Methoden und Techniken für die seismologische Fernortung von Explosionen, das sogenannte VELA UNIFORM Projekt - "The Nation's Quest for Better Detection of Underground Nuclear Explosions" - ins Leben gerufen. Obwohl das ursprüngliche Ziel des Projektes eine sehr spezielle Messaufgabe war, hat sich das Projekt zu einem der folgenreichsten Forschungsprogramme in der Geschichte der Seismologie und der Physik des Erdinnern entwickelt. Aus den zahlreichen Aspekten dieser Entwicklung seien drei für die Geschichte des Gräfenberg-Array besonders wichtige Punkte herausgegriffen:

- Der Aufbau eines weltweiten homogenen Netzes von 120 seismischen Stationen mit photographischer Registrierung in einem kurzperiodischen Band um 1 Hz und einem langperiodischen Band zwischen 10 und 100 s (World Wide Standard Seismograph Network WWSSN). Eine dieser WWSSN-Stationen wurde 1962 in der Erdbebenwarte des Landeserdbebendienstes Baden-Württemberg in Stuttgart installiert und bis zum Jahr 1990 betrieben.

- Der Einsatz der in der Radartechnik und Radioastronomie entwickelten Arraytechnik für die Detektion und Ortung schwacher seismischer Signale mit mobilen Klein-Arrays (Long Range Seismic Measurements LRSM) sowie mit stationären Gross-Arrays (Large Aperture Seismic Array LASA in den USA, Norwegian Seismic Array NORSAR in Norwegen).

- Die Anwendung digitaler Techniken für die seismische Datenerfassung und Seismogrammanalyse.

    Abb. 1
Als Teil des LRSM-Programms wurde im Juni 1963 von der US-Firma GEOTECH nördlich von Nürnberg in der Fränkischen Schweiz, nahe dem Städtchen Gräfenberg, eine seismische Station für die Detektion von Kernexplosionen auf dem Testgelände MTS (Nevada Test Site, USA) installiert. Die Station erhielt die internationale Codebezeichnung GRF. Der Kern der LRSM-Station GRF war ein kurzperiodisches Kleinarray aus sieben Vertikalseismometern (Typ Benioff) in einer kreuzförmigen Anordnung von zwei Stationslinien mit jeweils 3 km Auslagenlänge und einem Stationsabstand von 1 km, ausgerichtet auf den Schusspunkt NTS. Das Array wurde durch zwei horizontale Benioff-Seismometer im Arraykreuzungspunkt sowie durch eine langperiodische Station (einem vertikalen und zwei horizontalen Sprengnether Seismometer) ergänzt. Die Seismometer waren über Kabel mit einer Zentrale verbunden, in der die Daten kontinuierlich auf Film und FM-Magnetband aufgezeichnet wurden (Abb. 1) und nahezu in Echtzeit auf einem automatischen Filmentwicklungsgerät inklusive einer Summationsspur ausgewertet werden konnten. In dem GRF-Kleinarray waren also bereits die wichtigsten Merkmale eines seismischen Detektionsarrays in analoger Technik realisiert: flächenförmige Seismometeranordung in einer geometrisch ausgezeichneten Konfiguration, zentrale Registrierung und Erhöhung des Signal-Stör-Verhältnisses durch analoge Summation von Arrayspuren.

Vom LRSM-Detektionsarray zum Seismologischen Zentralobservatorium GRF

Gemessen am Standard der vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelten klassischen Registriertechniken der deutschen Erdbebenstationen war das LRSM-Array GRF damals ein Spitzenprodukt der seismischen Mess- und Registriertechnik, das neben seiner originären Detektionsaufgabe auch für seismologische Forschungsarbeiten eingesetzt werden konnte. Aus dieser Einschätzung entstand das Konzept, die LRSM-Station nach Ablauf des von der ARPA (Advanced Research Project Agency in Washington) verwalteten und auf zwei Jahre befristeten LRSM-Programms zu übernehmen und zu einem Zentralobservatorium für die seismologische Forschung in der Bundesrepublik Deutschland auszubauen.

Das Ende des LRSM-Programms der ARPA im Jahr 1965 traf nun mit einer zweiten Entwicklung zusammen, die für die geophysikalische Forschung in der Bundesrepublik und damit auch für die weitere Geschichte des GRF-Array von entscheidender Bedeutung war: die Gründung des Forschungskollegium Physik des Erdkörpers e.V. (FKPE).

In seiner Satzung hat das FKPE drei zentrale Vereinsaufgaben definiert:
- "Pflege der Wissenschaften von der Physik des Erdkörpers",
- "Durchführung von Forschungsvorhaben in Gemeinschaftsaufgaben" und
- "Fortbildung wissenschaftlicher Nachwuchskräfte".

Auf seiner ersten Sitzung am 13. März 1965 im Institut für Geodäsie der Technischen Hochschule Hannover wurde vom FKPE beschlossen, nach dem Abschluss der laufenden Verhandlungen über die Übergabe der LRSM-Station die wissenschaftliche Trägerschaft für das neue Observatorium mit dem Namen "Seismologisches Observatorium des FKPE" zu übernehmen. Am 11. Mai 1965 wurde das Observatorium von der Technischen Hochschule Karlsruhe ad interim für zwei Jahre übernommen. Die Kosten für das Observatorium in diesem Zeitraum wurden je zur Hälfte von der ARPA sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen einer Sachbeihilfe bestritten.

Mit dieser Regelung waren zwar die Anfangsbedingungen für den weiteren Aufbau des Zentralobservatoriums gesetzt und der kurzfristige Betrieb für zwei Jahre gesichert. Bis zur endgültigen Etatisierung im Jahr 1970 war aber noch ein weiter und schwieriger Weg zu absolvieren. Ein entscheidender Fortschritt konnte erzielt werden, nachdem es dem FKPE gelungen war, neben der DFG die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, BGR, als dritten Partner für den langfristigen Betrieb des Observatoriums zu gewinnen. Die konzertierten Aktionen von FKPE, DFG und BGR haben schliesslich zur Lösung des Etatisierungsproblems geführt: Am 2. Dez. 1970 wurde ein Vertrag zwischen dem Bundesministerium für Wirtschaft, vertreten durch den Präsidenten der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, und der Deutschen Forschungsgemeinschaft geschlossen, in dem das Observatorium als Hilfseinrichtung für die Forschung gemeinsam von der DFG und der BGR betrieben wird. Der Vertrag wurde am 1. Jan. 1980 in die seitdem gültigen Form modifiziert, in dem die DFG der BGR das Observatorium als Leihgabe zur Verfügung stellt. Der Vertrag regelt auch die Frage der Weiterentwicklung sowie des Arbeitsprogramms durch ein von Vertretern der DFG bzw. der BGR paritätisch besetztes Kuratorium, das vom FKPE über seine "Arbeitsgruppe Gräfenberg" technisch und wissenschaftlich beraten wird.

Der schwierige Weg zur finanziellen und personellen Konsolidierung des Observatoriums ist in der DFG-Denkschrift "Physik des Erdkörpers" (1967) sowie in dem DFG-Forschungsbericht "Erdbebenforschung: 10 Jahre seismologisches Zentralobservatorium" (1976) dargestellt.

Ein beredtes Zeugnis des langwierigen Entwicklungsweges des SZGRF enthalten die Protokolle der FKPE-Sitzungen über viele Jahre, in denen das Observatorium als 'Sorgenkind des FKPE' ein Schwerpunkt auf der Tagesordnung war. Die Protokolle zeigen aber auch, dass das FKPE durch die stetige Förderung der technischen Weiterentwicklung und das Aufzeigen neuer Perspektiven in der seismologischen Forschung seine Rolle als wissenschaftlicher Träger des SZGRF trotz der zahllosen finanziellen und administrativen Widrigkeiten nie aus den Augen verloren hat.

    Abb. 2         Abb. 3
Zur Umwandlung der Detektionsstation in ein seismologisches Observatorium mussten umfangreiche technische Renovierungsarbeiten und instrumentelle Erweiterungen vorgenommen werden. Die Konfiguration des Array wurde durch eine Umsetzung von drei Stationen in ein gleichseitiges Dreieck mit einer Seitenlänge von 4 km für die Herddatenbestimmung regionaler Beben modifiziert. 1967 wurden neben dem Messcontainer in Haidhof (Abb. 2) ein Holzhaus mit Werkstatt (Abb. 3) und ein unterirdischer Messbunker sowie eine Datenzentrale mit Auswertegeräten und Fernschreiber in Erlangen eingerichtet. Damit waren die wichtigsten Voraussetzungen für einen kontinuierlichen Observatoriumsbetrieb mit einer laufenden Seismogrammauswertung und einem regelmässigen Datenaustausch über Fernschreiber zu den internationalen Datenzentren erfüllt, in den die Daten aller deutschen Stationen integriert waren. Mit den Beobachtungsdaten des Jahres 1969 konnte 1971 das erste gemeinsame Jahresbulletin aller Erdbebenstationen der Bundesrepublik publiziert werden.

Planung und Installation des GRF-Breitbandarray

Im Jahr 1968 wurde vom FKPE auf Initiative von H. Berckhemer (Frankfurt a. M.) der Aufbau eines Grossarray im Fränkischen Jura für die seismologische Forschung beschlossen. Massgebend für diese Standortwahl waren neben den Ergebnissen eines Bodenunruhe-Messprogramms ("Wackelprogramm") vor allem die bestehenden Einrichtungen des SZGRF, dessen endgültiger Standort damit ebenfalls festgelegt war. Die Spezifikationen der Seismometer, Arraykonfiguration, Datenerfassung und Datenübertragung sollten von speziellen Planungsgruppen ausgearbeitet werden. Nachdem sich die ursprünglich geplante telemetrische Datenübertragung wegen Lizenzproblemen und topographischen Hindernissen als technisch nicht realisierbar herausgestellt hatte, wurde im Jahr 1972 eine weitere Arbeitsgruppe "Teststrecke" unter der Leitung von H.-P. Harjes (damals BGR) gegründet. Die Aufgabe der Arbeitsgruppe war es, die Hardware und Software für eine digitale Datenübertragung über Telefonleitungen zu entwickeln und auf einer Pilot-Teststrecke von der Station Haidhof nach Erlangen zu erproben. Die Ergebnisse der Teststrecke, die umfangreichen theoretischen Untersuchungen über eine optimale Arraykonfiguration sowie Vergleichsmessungen mit verschiedenen Seismometern waren Anfang 1975 soweit fortgeschritten, dass ein Konzept für das Gesamtarray mit folgenden Spezifikationen vorgeschlagen werden konnte:

- Arraykonfiguration: 13 Stationen mit 19 Seismometern (10 vertikale und drei 3-Komponenten-Stationen), angeordnet in zwei Stationslinien entlang des geologisch homogenen Fränkischen Jura mit einer Unterstruktur von drei Subarrays (Dreiecke mit 12 km Seitenlange) und Arrayauslagenlängen von etwa 100 km in Nord-Süd- bzw. 48 km in Ost-West-Richtung;
- Seismometer: langperiodische Sprengnether-Seismometer, abgestimmt auf eine Periode von 20 s;
- Datenerfassung: Gain-Ranging mit 66 bit Auflösung und 120 db Dynamikumfang, der später auf 132 db erweitert wurde;
- Datenübertragung: telefonische Übertragung auf Standleitungen zu den drei Subarraystationen und von diesen in die Datenzentrale in Erlangen;
- Datenarchivierung: kontinuierliche Archivierung auf Magnetbändern mit einer Schreibdichte von 800 bpi (bit/inch).

Für Forschungsvorhaben mit den Daten des Breitbandarray wurde in der Arbeitsgruppe Gräfenberg eine Liste von 20 Themen zusammengestellt, die von einzelnen Hochschulinstituten bearbeitet werden sollten.

Damit waren Mitte 1975 das technische Konzept sowie das wissenschaftliche Arbeitsprogramm im Detail definiert. Da nach Einschätzung der Arbeitsgruppe Gräfenberg kurzfristig mit keiner wesentlichen technischen Weiterentwicklung zu rechnen war, sollte der Aufbau des Array entsprechend diesem Konzept realisiert werden. Die Installation des nördlichen Subarray (A) wurde im März 1976 abgeschlossen, der Ausbau des Gesamtarray war bis etwa 1980 geplant.

Zu dieser Zeit ereignete sich ein Evolutionssprung mit weitreichenden Konsequenzen sowohl für die Breitbandseismometrie insgesamt als auch für die weitere Geschichte des GRF-Array. Die technischen Arbeiten zur Anpassung des langperiodischen Sprengnether-Seismometers und der Analogelektronik an das digitale Erfassungssystem waren unter intensiver Mitarbeit von E. Wielandt (damals ETH Zürich) durchgeführt worden. Dabei stellte sich heraus, dass das Seismometer die hohen Anforderungen an die Linearität für einen Dynamikbereich von 120 db auf Grund der mechanischen Pendelaufhängung nicht erfüllen kann. Ausserdem war wegen der Grösse des Seismometers eine Abschirmung zur Reduzierung des luftdruckinduzierten langperiodischen Instrumentenrauschens technisch in den Feldstationen des Array aus Kostengründen nicht realisierbar.

    Abb. 4     Abb. 5
Wegen dieser Probleme hatte Wielandt parallel zu den Versuchen mit dem Sprengnether-Seismometer für das GRF-Array ein neues Seismometer entwickelt, das alle Voraussetzungen eines Breitbandseismometers mit digitaler Datenerfassung erfüllte: hohe Dynamik und Linearität, eine genau definierte Übertragungsfunktion durch Anwendung einer elektronischen Kraftrückführung sowie wegen der geringen Grösse eine einfache Druckabschirmung hoher Güte durch eine Vakuumglocke. Ein Prototyp des vertikalen Seismometers (Abb. 4) war genau zu dem Zeitpunkt fertiggestellt, als der DFG-Sachmittelantrag für das Gesamtarray mit Sprengnether-Seismometern ausgearbeitet und genehmigt worden war. Auf einer ausserordentlichen Sitzung der Seismometerkommission der Arbeitsgruppe Gräfenberg am 11. Nov. 1976 in Frankfurt wurde beschlossen, das Seismometerkonzept des GRF-Array grundlegend zu ändern und das neue sogenannte STS1-Seismometer einzusetzen. Hersteller war die kurz zuvor gegründete Firma Streckeisen in Winterthur (Schweiz), die mit diesem ersten Grossauftrag in eine erfolgreiche 'seismische' Zukunft starten konnte. Das STS1-Seismometer ist inzwischen als Standard-Seismometer der digitalen Breitbandstationen weltweit im Einsatz. Abb. 5 zeigt einen Blick in eine 3-Komponenten-Station des GRF-Array mit den unter Vakuumglocken installierten STS1-Seismometern (ein vertikales und zwei horizontale). Der Aufbau des kompletten GRF-Array mit 19 Stationen in 13 Messpunkten konnte im Februar 1980 abgeschlossen werden.

Parallel zum Aufbau des GRF-Array wurde am SZGRF 1976 mit der Entwicklung von Methoden und interaktiven Programmen für die Analyse und die laufende Auswertung von Breitbandseismogrammen begonnen. Zahlreiche Termini und Verfahren, die heute zum Standard der Analyse und Interpretation von Breitbandseismogrammen zählen, sind in dieser Aufbauphase entwickelt worden. Im September 1977 wurde die LRSM-Station abgeschaltet und die laufende Auswertung auf die digitalen Breitbanddaten - zunächst nur des Subarray A - umgestellt. Die kontinuierliche Registrierung und Archivierung sowie die laufende Auswertung mit den digitalen Breitbanddaten haben sich in der Folge als entscheidende Kriterien für die Kontinuität und Qualität der GRF-Daten erwiesen. Die hohe Akzeptanz der GRF-Daten für die seismologische Forschung zeigt sich in der Zahl von 230 Publikationen mit GRF-Daten für den Zeitraum von 1973 bis 1996. Davon wurden 115 Arbeiten von Mitarbeitern des SZGRF, die Mehrzahl in Zusammenarbeit mit Gastwissenschaftlern publiziert. Die Zahlen der analogen (1576) und der digitalen Datenanforderungen (9113) für den Zeitraum 1983 bis 1995 dokumentieren ebenfalls die intensive Nutzung der GRF-Daten für die seismologische Forschung.

Eine langfristige Kontinuität in der Qualität und Verfügbarkeit der Daten ist das wichtigste GütesiegeJ für ein Observatorium. Am SZGRF musste diese Voraussetzung über vier Generationen von Rechnerhardware (HP21MX-DOS, HP1000-RTE, VAX-VMS und SUN-UNIX). Auswertesoftware und Speichermedien (Magnetbänder, optische WORM-Platten und CD-Platten) gewährleistet werden. Als Beispiel sei die Geschichte des GRF-Datenarchivs erwähnt: Die ersten Daten wurden ab 1975 auf Magnetbänder mit 800 bpi gespeichert und archiviert. Als nächster Schritt erfolgte die Umstellung auf komprimierte Daten und eine Schreibdichte von 1600 bpi, verbunden mit einer Umkopierung der vorhandenen Bänder. Diese Schritte wiederholten sich bei der Umstellung auf optische WORM-Platten, wobei ein Archiv von 5000 Bändern auf optische Platten umkopiert werden musste. Mit der Umstellung auf SUN/UNIX-Rechner wurde durch die technische Entwicklung und den weltweiten seismologischen Standard ein erneuter Wechsel auf CD-Platten erforderlich, verbunden mit einem erneuten Umkopieren des gesamten WORM-Archivs auf CDs. Es ist geplant, ab 1998 das komplette CD-Datenarchiv des GRF-Array und der GRSN-Stationen auf Juke-Boxen über Internet zum direkten Zugriff anzubieten.

Erweiterung des GRF-Array zum Deutschen Regionalnetz GRSN

Über einen Zeitraum von 10 Jahren hat das GRF-Array den Stand der Technik in der digitalen Breitbandseismometrie bestimmt. Neue technische Entwicklungen (STS2-Seismometer, 24-bit-Datenlogger, Werkstation, Datenbanken und internationale Kommunikationsnetze) waren dann ab Mitte der achtziger Jahre erneute Herausforderungen, den Standard der Breitbandseismometrie in Deutschland diesen Entwicklungen anzupassen. Die Arbeitsgruppe Gräfenberg hat daher 1987 beschlossen, über einen DFG-Sachmittelantrag das GRF-Array durch ein offenes Netz von acht regionalen Breitbandstationen, ausgerüstet mit STS2-Seismometern und 24-bit-Datenloggern, zu erweitern. Dieses Netz der GRSN-Stationen (German Regional Seismic Network) wurde nach der Wiedervereinigung durch vier zusätzliche Stationen in den neuen Bundesländern auf zwölf Stationen erweitert. Diese Stationen werden durch die IRIS-Bohrlochbreitbandstation GRFO (Nachfolgestation der 1978 installierten SRO-Station) und durch eine mit STS1-Seismometern ausgerüstete ultra-langperiodische Station in der GRF-Station Haidhof sowie durch Stationen mit GRSN-Standard in Stuttgart und Grosshau ergänzt (Abb. 6). Die Aufgaben des Datenzentrums der GRSN-Stationen werden vom SZGRF wahrgenommen und umfassen die Datenarchivierung und den internationalen Datenaustausch sowie die laufende teleseismische Auswertung für die Seismizitätsüberwachung. Abb. 7 zeigt als Beispiel für das am SZGRF entwickelte interaktive Aus-Werteprogramm eine Bildschirmkopie der Auswertung eines Bebens in Bolivien mit Stationen des GRF-Array und des Regionalnetzes.

    Abb. 6     Abb. 7
Mit diesen Stationen verfügt die Bundesrepublik über ein Netz von digitalen Breitbandstationen für die Seismizitätsüberwachung und die seismologische Forschung, das im internationalen Vergleich beispielhaft ist. Hervorgegangen ist diese Messeinrichtung aus der ursprünglichen amerikanischen LRSM-Detektionsstation in einem über 30jährigen Entwicklungsprozess, in dem unter der Initiative des FKPE die Kräfte der seismologischen Institutionen der Universitäten, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe auf ein gemeinsames Ziel gebündelt wurden.

Literatur
Als Quellen der Geschichte des GRF-Array dienten die Protokolle der Sitzungen des FKPE und der Arbeitsgruppe Gräfenberg sowie die folgenden drei Publikationen der Deutschen Forschungsgemeinschaft:
Denkschrift "Physik des Erdkörpers" (1967); - Deutsche Forschungsgemeinschaft, Denkschrift 10/1967: 158 S.; Wiesbaden (Franz Steiner Verlag).
Erdbebenforschung: "10 Jahre seismologisches Zemtralobservatorium Gräfenberg" (1976): - DFG-Forschungsbericht: 56 S.; Boppard (Harald Boldt Verlag KG).
Zehn Jahre Gräfenberg-Array: Schrittmacher der Breitband-Seismologie (1986): - Mitteil. der Senatskomm. für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsforschung: 172 S.; Weinheim (VCH Verlagsgesellschaft).