[Mehrfach-Zitate auf ein Bild werden auf deren Merkmale zurückzitiert]

Als Ergebnis seiner geophysikalischen Tätigkeit in der Steinkohlenexploration hat Theodor Garsten Krey schon vor mehr als dreissig Jahren die Möglichkeit erkannt, mit den im Kohlenflöz als Kanal niedriger seismischer Geschwindigkeit geführten Kanalwellen im Normal-Modenbereich, den sogenannten Flözwellen, geologische Störungen bei der untertägigen Vorfelderkundung vorauszusagen. Die von T.C. Krey begründete Flözwellenseismik wird heute weltweit als die effektivste Vorfelderkundungsmethode in Steinkohlenstreben verwendet. T.C. Krey's klassische Erfindung wurde 1984 mit der Umbenennung der Rayleigh-Kanalwelle in Krey-Welle geehrt. Neben vielen weiteren Entdeckungen und Patenten gestattet es gerade auch die Entwicklung der Flözwellenseimik, den Namen Krey in einem Atemzug mit praxisbezogenen Grössen wie Love, Rayleigh, Mintrop, Harry Mayne und John Crawford zu nennen.

Zu Ehren von Theodor Garsten Krey soll dieser Beitrag, ausgehend von einigen geschichtlichen Anmerkungen, das Interesse an Krey-Wellen wecken bzw. das Verständnis für diesen Wellentyp ein wenig vertiefen.

Geschichtliches

In seinem Vortrag anlässlich der Verleihung des akademischen Grades Dr. h.c. von der Fakultät für Geowissenschaften der Ruhr-Universität Bochum "Miterlebtes und Mitbewirktes in der seismischen Steinkohlenexploration" am 6. Juli 1988 sagte Prof. Krey (Krey 1988): "Eine spezielle Fragestellung war schon kurz nach 1960 an uns herangetragen worden. Mit der zunehmenden Verbreitung des maschinellen Kohlenabbaus in langen Streben, z.B. mit Kohlenhobeln und Schrämmaschinen, war es immer wichtiger geworden, die Tektonik im flözführenden Karbon vor dem Abbau im einzelnen zu kennen. Aufgrund der seismischen Reflexionsmessungen, die im Siegerländer Eisenerzbergbau nach Ende des 2. Weltkrieges untertage durchgeführt wurden, fragte man mich, ob ein seismischer Untertageeinsatz auch in der Kohle sinnvoll sein könnte; denn es schien ausgeschlossen zu sein, Störungen mit einem Versatz von der Grössenordnung der Flözmächtigkeit (l bis 2 m) von übertage her zu erfassen. Es war mir klar, dass normale dreidimensionale Reflexionen von Störflächen kaum zu erwarten sein würden, da an den beiden Seiten dieser Störflächen nur dort unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie Dichte und elastische Konstanten, zu erwarten sein würden, wo ein Flöz gegen die Störfläche grenzt; und das würde ein sehr geringer Prozentsatz der Störfläche sein. Ich erinnerte mich aber an die Möglichkeit, dass sich unter geeigneten Bedingungen durch das Flöz - oder besser gesagt, vermittels des Flözes - geführte Wellen, die wir später kurz Flözwellen nannten, ausbilden müssten, da die Kohle zumindest im Karbon Mittel- und Westeuropas wesentlich geringere Dichte und elastische Konstanten aufweist als das Nebengebirge (und somit geophysikalisch wie ein Kanal niedriger seismischer Geschwindigkeiten behandelt werden konnte). Ich schlug daher vor, derartige geführte Wellen bevorzugt anzuregen. Erste Versuche im Ruhrgebiet von sehr begrenzter Zeitdauer brachten keine positiven Ergebnisse. Etwas später wurden die Versuche im Saarland auf Anregung und unter Mitwirkung des inzwischen verstorbenen Prof. Dr. Kneuper wieder aufgenommen. Hier konnten bald eindeutig Flözwellen und auch reflektierte Flözwellen erkannt werden. Darüber und über die zugehörige Theorie habe ich 1962 auf der SEG-Tagung in Calgary vorgetragen, veröffentlicht in Geophysics 1963 (Krey 1963)".

Prof. Krey erwähnt nun eine wichtige Tatsache, die Jahrzehnte später in der Flözwellenseismik zur Umbenennung der Flözwellen geführt hat: "Erst wesentlich später wurde ich darauf hingewiesen, dass bereits in den 50er Jahren Evison (Evison 1955) durch das Flöz geführte Wellen vom Love-Typ / SH-Typ nachgewiesen hatte. Diese Entdeckung Evisons war aber meines Wissens ohne praktische Konsequenz geblieben."

Evison hatte eine Kanalwelle vom Love-Typ nachgewiesen, aber nie mehr in seinem Leben praktischen Gebrauch von dieser Entdeckung gemacht. Prof. Krey hingegen hat all seine praxisbezogenen Forschungsarbeiten, Entwicklungen und die damit verbundenen Patente auf Kanalwellen vom Love-Typ abgestimmt. Dem zweiten Kanalwellentyp, der Rayleigh-Welle, widmete er grosses akademisches Interesse und befruchtete die Arbeiten der Rayleigh-Wellen Forscher mit seinem Ideengut, führte aber aus feldtechmschen und finanziellen Gründen die Rayleigh-Kanalwelle nicht mehr in die Vorfelderkundung untertage ein. Dennoch wurde die Kanalwelle vom Love-Typ, der er einen grossen Teil seines wissenschaftlichen Lebens geschenkt hat, Evison-Welle genannt und die Kanalwelle vom Rayleigh-Typ als Krey-Welle bezeichnet: eine sehr hohe Ehre für Prof. Krey, aber ein Paradoxon zugleich.

Bildhafte Darstellung der Krey-(Rayleigh-Kanal-)Wellen

Bevor auf einige wenige spezielle Eigenschaften von Krey-Wellen eingegangen wird, sei erwähnt, dass so bekannte Erscheinungen, wie zum Beispiel Dispersion, Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten, Q-Faktoren, Transmission und Reflexion von Flözwellen über und an Störungen, symmetrische, antisymmetrische, normale und verlustbehaftete Moden (Leaky-Moden), Amplituden-Tiefen-Verteilungen, Komponentenrotation, Polarisationsanalyse, Dispersionsanalyse, Absorptionskorrekturen, Enveloppenstapelung, Dynamic Trace Gathering, Lag-Sum Methoden, Imaging- und Tomographie-Verfahren usw. sowie die gängigen Messtechniken als aus Literatur und Praxis her bekannt angenommen werden (z.B. Arnetzl 1978, Arnetzl u. Klinge 1982, Buchanan u. Jackson 1982, Buchanan 1983, Dresen 1985, Dresen u. Rüter 1994, Krey 1963). Selbst wenn diese Annahme nicht immer zutreffen sollte, bleibt dieser Beitrag allgemeinverständlich.

Dispersive Krey-Wellen entstehen, analog zu den Evison-Wellen, im Kohlenflöz durch Interferenz von Raumwellen; es interferieren P- und SV-Wellen zu der in Abb. 1 (nach Arnetzl 1978) schematisch dargestellten, ersten praxisrelevanten Normal-Mode der Krey-Welle.

Es ist allgemein bekannt, dass Prof. Krey sich immer an der Schemazeichnung aus Abb. 1 erfreut hat. Ebenso bekannt ist aber auch heute noch seine Begeisterung, wenn diese Skizze ein wenig erläutert wurde. Abb. 2 erklärt daher die Krey-Welle eingehender, und zwar anhand von Wellenfronten verschiedenartiger Interferenzsysteme.

Bei Krey-Wellen sind zwei Raumwellengeschwindigkeitsverteilungen a (P-Welle) und b (SV-Welle) im Flöz (Index c) und im Nebengestein (Index r) zu beachten [a; b = alpha; beta]:

we>a_r > a_c > b_r > b_c

a_r > b_r > a_c > b_c

Abb. 2 zeigt in ihrem linken Teil die Wellenfronten für den ersten Fall. Falls bei der ersten Raumwellen-Geschwindigkeits-Verteilung die Phasengeschwindigkeiten C_R in den Bereichen C_R > a_r, a_r > C_R > a_c und a_c > C_R > b_c vorliegen, so erhält man im Leaky-Moden-Bereich drei verschiedene Kombinationen der Wellenfronten (Abb. 2a bis 2c). Die Phasengeschwindigkeit an der Grenze zwischen dem Leaky- und Normal-Moden-Bereich ist C_R = b_r (Abb. 2d). Die zugehörige Kanalwellenphase enthält die kritisch refraktierte SV-Welle. Sie zählt ebenso zum Normal-Moden Bereich wie das Wellenfrontsystem im Bereich b_r > C_R > b_c (Abb. 2e). Die niedrigste Phasengeschwindigkeit der Krey-Welle stimmt demnach mit der SV-Wellengeschwindigkeit b_c in der Kohle überein. Interferenzsysteme für unterschiedliche Phasengeschwindigkeitsbereiche der zweiten Raumwellengeschwindigkeitsverteilung zeigen die Abb. 2f bis 2j. Hier existieren je zwei unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten von Wellenfronten verschiedener Raumwellen innerhalb des Leaky-Moden-Bereichs (Abb. 2f bis 2g) und innerhalb des Normal-Moden-Bereichs (Abb. 2i bis j). Die Phasengeschwindigkeit für die Grenze zwischen Leaky- und Normal-Moden-Bereich stimmt mit der SV-Wellengeschwindigkeit b_r im Nebengestein überein, zählt also ebenfalls zum Normal-Moden-Bereich. Die niedrigste Phasengeschwindigkeit ist wiederum identisch mit b_c in der Kohle.

Gemessen an den Erfordernissen der Praxis bei der Ortung geologischer Störungen im Kohlenflöz, die beim Durchschallungsverfahren eine Transmission von rd. 1000 Flözmächtigkeiten und beim Reflexionsverfahren einen Laufweg von ca. 200 Flözmächtigkeiten anstrebt, sind die Leaky-Moden von untergeordneter Bedeutung. Sie sind heute lediglich für die Erkundung sehr nahe am Kohlenstoss gelegener Störungen interessant. Dagegen sind die Flözwellen im Normal-Moden-Bereich ganz besonders wichtig hinsichtlich ihrer Fähigkeit, in den Kohlenkanal einzudringen, da bei den Normal-Moden keine Energie durch Refraktion von Raumwellen ins Nebengestein hinein verloren geht.

Für Krey-Wellen ist demnach ein Flöz mit der zweiten Geschwindigkeitsverteilung und drei Interferenz-Systemen im Normal-Moden-Bereich fast immer der geeignete Wellenleiter.

Evison- oder Krey-Welle?

Die Beantwortung dieser Frage ist bis heute strittig geblieben. Für die Evison-Welle als dispersive SH-Welle spricht in der Praxis, die sich naturgemäss technischen und wirtschaftlichen Zwängen ausgesetzt sieht,

a) ihr relativ einfacher physikalischer Aufbau; dadurch wird ihre Interpretation erleichtert.

b) Evison-Wellen können mit weniger Registrierkomponenten erfasst werden als Krey-Wellen. Bei der nach wie vor begrenzten Anzahl von Messkanälen in den schlagwettergeschützten Registrierapparaturen spricht dies immer noch für die Verwendung der Evison-Welle. Ebenfalls ist aus Kostengründen bei der Anlage von Bohrlöchern für Untertagegeophone wegen der Symmetrieeigenschaften dieser SH-Welle hauptsächlich die Registrierung der Evison-Welle erfolgt: Evison-Wellen sind in ihrer Grundmode in geologisch symmetrischen Abfolgen Nebengestein-Flöz-Nebengestein amplitudensymmetrisch zur Flözmittenebene. Höher angeregte Moden werden aber üblicherweise bei Transmission über und Reflexion an Störungen im Flöz wieder zu tieferen Moden konvertieren, schliesslich bis hin in die stabile symmetrische Grundmode. Die aber führt ihr Amplitudenmaximum in der Flözmitte, so dass Bohrungen für Geophone nur in der Flözmitte abgeteuft zu werden brauchen. Diese Aussage gilt häufig auch für asymmetrische Schichtabfolgen, die sich bei höheren Anregungsfrequenzen auf die geologisch symmetrischen Schichtabfolgen reduzieren lassen.

Die Krey-Welle trägt hingegen, als dispersive P/SV-Welle, mehr Information als die Evison-Welle. Diesem "physikalischen Vorteil" steht der "wirtschaftlich-technische Nachteil" entgegen, dass zu ihrer Registrierung und klaren Identifizierung wenigstens 3 Bohrlöcher erforderlich sind; eins im Hangenden, eins im Liegenden und eins in der Flözmitte. Krey-Wellen sind nämlich in ihrer Grundmode in der geologisch symmetrischen Abfolge Nebengestein-Flöz-Nebengestein antisymmetrisch.

Prof. Krey wusste schon sehr früh, dass die maximale Information über den tektonischen Inhalt eines Flözes nur durch die gleichzeitige Auswertung beider Flözwellenarten erzielt werden kann. So lautete denn seine Antwort auf die Frage "Evison- oder Krey-Welle?": "Sowohl Evison als auch Krey-Welle!" Wenn er sich in seinem Berufsleben mit der Evison-Welle begnügen musste, dann allein wegen finanzieller Engpässe seitens der Auftraggeber.

Einige Einsatzmöglichkeiten von Krey- und Evison-Wellen

Vorbemerkung

Es sei einmal angenommen, Prof. Krey hätte sich nicht den gegebenen technisch-wirtschaftlichen Zwängen beugen müssen. Es sei ferner vorausgesetzt, er hätte Evison- und Krey-Wellen pari passu einsetzen können. Dann hätte er eine Vielzahl von Orten zur Anregung und Registrierung von Flözwellen in der Kohle und im Nebengestein gewählt und mannigfaltige Bearbeitungsmethoden sowie Interpretationsverfahren anwenden können. Aus diesem Spektrum der Möglichkeiten seien drei Untersuchungsbeispiele ausgewählt. Als Untertagefälle, die auf modellseismischen Untersuchungen basieren (darum sind die Laufzeiten in µs angegeben), werden die in Abb. 3 dargestellte symmetrische Schichtabfolge Nebengestein-Flöz-Nebengestein behandelt, ferner eine Schichtabfolge mit Bergepacken und schliesslich der Fall einer mylonitisierten Zone, die Methangas enthalten kann.

Symmetrische Schichtabfolge

Abb. 4a zeigt die Registrierung der x-Komponente der Krey-Welle entlang des Flözmittenebenenprofils L. Untertage erhält man nur die Spur bei x/H = 47,9. In dieser Seismogramrn-Sektion sind von den bekannten Wellengruppen I bis V der Krey-Wellen die Gruppen I und IV_s zu erkennen: I mit sehr geringen, IV_s mit grossen Amplituden. Wellengruppe I zählt zu den Leaky-Moden, die sich wegen ihrer schnell abnehmenden Amplituden zur Vorfelderkundung in grösseren Entfernungen nicht eignen. IV_s zählt zur symmetrischen (tiefgestellter Index s; wird später fortgelassen) Grundmode der Krey-Welle. Ihre Phasengeschwindigkeit C_R ist nur wenig grösser als b_c in der Kohle. R ist ein Einsatz vom Modellrand, der in der Natur nicht auftritt.

Die absoluten Geschwindigkeiten, Modellmaterialien und Modellparameter werden an dieser Stelle und in den weiteren Kapiteln nur dann angegeben, wenn sie zum Verständnis für die getroffenen Schlussfolgerungen benötigt werden; sie sind aber vollständig bei Dresen et al. (1985) zu finden.

Die Abb. 4b und 4c geben die Seismogramm-Sektionen für die x- und z-Komponenten der Krey-Welle entlang der Vertikalprofile L wieder. Diese Art der Registrierung kann untertage auch am Stoss vorgenommen werden. Die Wellengruppen IV_s lassen die physikalisch charakteristische Amplituden-Tiefen-Verteilung der symmetrischen Grundmode der Krey-Welle erkennen, wodurch diese Wellenart sofort und zweifelsfrei in-situ identifiziert werden kann.

Prof. Krey hat diese und weitere Untersuchungen an symmetrischen Abfolgen sinngemäss so kommentiert: "Bei Evison-Wellen macht man normalerweise nur von den zur Airy-Phase gehörenden Einsätzen Gebrauch. Hierdurch ist ihre Interpretation relativ einfach. Die Krey-Welle (Prof. Krey nannte sie mit der ihm eigenen Bescheidenheit immer noch Rayleigh-Welle, der Autor) hingegen liefert neben der Airy-Phasen-Wellengruppe noch weitere Wellengruppen; dies erschwert ihre Interpretation, erlaubt aber die Extraktion weiterreichender Informationen. Das Maximum an Informationen bietet eine Dreikomponentenregistrierung entlang eines Profils am Stoss, das vom Hangenden im Nebengestein über das Flöz bis hinunter zum liegenden Nebengestein reicht. Falls das nicht ermöglicht werden kann, so erhält man ein Optimum an Information dann, wenn für Evison- und Krey-Wellen nur die ersten symmetrischen Moden angeregt und mit einer Dreikomponenten-Sonde in Flözmitte registriert werden. Wünschenswert wäre es, eine solche frequenzmanipulierbare Quelle zur Verfügung zu haben, die gezielt Evison- Wellen in der Airy-Phase und Krey-Wellen in der jeweils geeigneten Wellengruppe generieren könnte. Eine derartige Generierung und Registrierung von Kanalwellen könnte, sowohl im Durchschallungs- als auch im Reflexionsverfahren untertage, die höchstmögliche Informationsdichte über den tektonischen Gehalt eines Kohlenflözes erbringen."

Schichtabfolgen mit Bergepacken

In Abb. 5 ist die schematische Darstellung eines Flözmodelles mit Bergepacken angegeben. Wir betrachten den Fall zweier unterschiedlicher Bergepackenmächtigkeiten. Die Packen liegen innerhalb der Flöze. In beiden Modellen beträgt der Bergepacken 20% der Gesamtmächtigkeit des Flözes. Im Modell DB1 teilt der Bergepacken das Flöz in zwei gleiche Hälften; bei DB2 liegt eine Unsymmetrie vor, wie in Tab. 1 angegeben. Zurück zum 2. Verweis.

Tab. 1: Modellparameter der Bergepackenmodelle DB1 und DB2.

                   Modell DB1         Modell DB 2

Schichtfolge       Nebengestein - Kohle - Bergepacken
Mächtigkeit der    H = 12 mm          H = 18 mm
Kohleschichten     h = 12 mm          h =  6 mm
Mächtigkeit des    b =  6 mm          b =  6 mm
Bergepackens
vorherrschende     f = 50 kHz         f = 50 kHz
Frequenz des
Quellsignals
 

Die Wellengruppen I und IV mit starken Amplituden und eine Wellengruppe V mit schwachen Amplituden wurden angeregt. R kennzeichnet wiederum einen modellbedingten Einsatz, der in der Natur nicht vorkommen kann. Die Gruppen IV und V zählen zum Normal-Moden-Bereich. Wellengruppe I ist eine Leaky-Mode, deren Amplitude im Bergepackenmodell durch Reflexionen am und im Bergepacken nicht mehr vernachlässigbar gering ist, so dass sie zur Flözerkundung ebenfalls mit herangezogen werden kann.

Der Einfluss der Schichtengeometrie der Bergepackenmodelle wird aus den Dispersionskurven der Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten C_R und U_R in der Abb. 7 sehr deutlich. Die Kurven in dieser Abbildung wurden für die erste Normal-Mode berechnet. Die ausgezogenen Kurven wurden für das Modell DB1 berechnet, die gestrichelten Linien beziehen sich auf ein Flöz, das die Mächtigkeit H' = H + h + b = H besitzt, [ H ist im Text und Bild überstrichen.] und die gepunkteten Linien kennzeichnen Dispersionskurven mit einem Kohlenflöz der Mächtigkeit H' = H = h /= H. Da die Mächtigkeiten für die Dispersionskurven konstant gehalten wurden, ist auf der Abszisse der Abb. 7 anstelle von f-H lediglich die Frequenz f aufgetragen worden. Die Kreuze stellen die Ergebnisse der Phasengeschwindigkeitsanalyse der Wellengruppe V dar.

Unterhalb von 35 kHz, also im tieffrequenten Bereich, sind die ausgezogenen und die gestrichelten Kurven der Gruppengeschwindigkeiten, die Auskunft über den Energietransport geben, identisch. Zwischen 35 und 80 kHz ist ihr Verlauf qualitativ ähnlich, mit einer Airy-Phase bei rund 40 kHz. Durch diese Verläufe wird demonstriert, dass die Dispersion des tieffrequenten Anteils der Krey-Welle hauptsächlich von der Mächtigkeit des Gesamtflözes abhängig ist.

Im hochfrequenten Teil der Gruppengeschwindigkeitsdispersionskurven weisen die ausgezogenen Kurven für das Modell DB1 und die gepunkteten für die Abfolge mit der Flözmächtigkeit H' = H = h einen qualitativ ähnlichen Zug auf. Oberhalb von 120 kHz sind sie nahezu identisch. Dies bedeutet, dass die Dispersion des hochfrequenten Anteils der Krey-Welle hauptsächlich von der Mächtigkeit der einzelnen Kohlenschicht abhängig ist. Diese Schlussfolgerungen gelten in ähnlicher Weise für die Phasengeschwindigkeitsdispersionskurven.

Die ausgewerteten Phasengeschwindigkeiten der Wellengruppe V (Kreuze in Abb. 7) liegen auf der theoretischen Dispersionskurve in dem Frequenzbereich, in dem in den Gruppengeschwindigkeiten für das Modell DB1 und für die Abfolge Nebengestein-Kohle-Nebengestein (H' = h + b) die erste Airy-Phase auftritt. Das bedeutet, dass für die Gruppe V das Gesamtflöz als effektiver Wellenleiter anzusehen ist.

Die Amplituden-Tiefen-Verteilungen, die den Seismogrammen der Abb. 8 zu entnehmen sind, verdeutlichen das Konzept des "effektiven Wellenleiters" in sehr anschaulicher Weise. Die Wellengruppen IV und V werden in unterschiedlichen Schichten geführt. IV breitet sich in beiden Kohlenflözen mit hoher Amplitude aus. Die Energie dieser Krey-Wellengruppe ist demnach nicht auf das quellenthaltende Flöz beschränkt.

Die Amplitudenmaxima der Teilchenbewegung in der x-Komponente treten in beiden Flözen auf. Die Amplituden der x-Komponente nehmen in Richtung auf die Grenzschichten Kohle-Nebengestein und Kohle-Bergepacken ab. Die Amplituden der z-Komponente von IV zeigen hingegen hohe Amplituden an den Grenzen Kohle-Nebengestein und nehmen zur Mitte der Kohlenflöze ab. Diese Amplituden-Tiefen-Verteilung ist charakteristisch für die erste symmetrische Mode (d.h. die zweite allgemeine Mode) der Krey-Welle, wie sie sich in einem Modell mit nur einem Flöz (vgl. Abb. 3) ausbildet.

Die in der z-Komponente nachgewiesene Wellengruppe V besitzt ihr Amplitudenmaximum nahe dem Zentrum des Gesamtflözes, hier also in der Mitte des Bergepackens. Die Amplituden-Tiefen-Verteilung von V ist die der ersten antisymmetrischen Mode (d.h. die erste allgemeine Mode) der Krey-Welle für das Gesamtflöz mit der Mächtigkeit H' = H + h + b. Wellengruppe I repräsentiert erneut eine Leaky-Mode.

Werden die Amplituden-Tiefen-Verteilungen A-. und Az aus den x- und z-Komponenten von Messungen, wie denen in der (s.o.) Abb. 8, für zwei Phasen der Wellengruppe IV mit den Phasengeschwindigkeiten 2,1 km/s und 1,95 km/s extrahiert, so ergeben sich die in Abb. 9a dargestellten Graphen. Ihnen sind theoretische Verteilungen in Abb. 9b gegenübergestellt. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie ist zufriedenstellend.

Abb. 10 zeigt nun für den unsymmetrischen Modelltyp DB2 eine Seismogramm-Sektion, aufgenommen wie die der Abb. 8 (vgl. ebenso Tab. 1). Nun weist Wellengruppe IV lediglich im quellenthaltenden Kohlenflöz hohe Amplituden auf, d.h. sie kann sich nur in diesem Teil der Schichtung ausbreiten.

Fasst man mehr als die hier gezeigten Ergebnisse von Messungen an Bergepackenmodellen des DB-Typs zusammen, so lassen sich die Resultate in einfacher Weise (Abb. 11) darstellen. Auf der Ordinate ist das Verhältnis AVA aufgetragen. As bedeutet die maximale Amplitude der Gruppe IV im quellenthaltenden Kohlenflöz, A die maximale Amplitude der Wellengruppe IV im quellfreien Kohlenflöz. Auf der Abszisse ist der Quotient H/h aufgetragen, wobei h < H vorausgesetzt worden ist. Abb. 11 zeigt, dass die Amplituden der Wellengruppe IV in jedem Kohlenflöz denselben Wert annehmen, falls der Bergepacken in der Mitte des Gesamtflözes (H/h =1; AVA = 1) liegt. Steigt H/h an - der Bergepacken rückt immer näher an das Liegende - so nimmt auch das Verhältnis H/h zu; folglich erhöht sich die Amplitude im quellenthaltenden Flözteil ebenfalls.

Dieses Ergebnis gilt ferner für alle Wellengruppen, die sich bei einer aus zwei Kohlenschichten und einem Bergepacken bestehenden Schichtung (DB-Typ) fast auschliesslich in einem Flözteil ausbreiten.

Dagegen wird die Ausbreitung von solchen Wellengruppen, die sich von vorneherein im Gesamtflöz ausbreiten, so z.B. Wellengruppe V, weder durch die Dicke noch durch die Lage des Bergepackens beeinflusst.

Diese und weitere Ergebnisse sind häufig und ausdauernd mit Prof. Krey diskutiert worden. Er war der Meinung, man müsse bei bekanntem geometrischen Aufbau des Flözes - diese Voraussetzung ist durch Aufschlüsse, Auffahrungen und 'Erfahrungen' häufig erfüllt - vor Beginn der Messungen Dispersionskurven und Amplituden-Tiefen-Verteilungen theoretisch bestimmen; und dies mit besonderer Sorgfalt bei Lagerungen mit Bergepacken. Er versprach sich davon eine verbesserte Identifizierung der gemessenen Kanalwellen und Kanalwellengruppen. Ebenso war er fest davon überzeugt, für die Wellenquellen und Geophone die optimalen Positionen in den Schichtabfolgen bestimmen zu können und, ggfs. durch Frequenzmanipulation an der Wellenquelle und durch geeignete Wahl der Geophon-Übertragungs-Funktionen, den Wellentyp erzeugen und messen zu können, der zur Erkundung eines spezifischen Vorfeldes gerade "der und nur der passende" ist. Sein besonderes Interesse hatte er auf die Wellengruppe I gerichtet, die ihm, trotz ihrer Leaky-Moden-Angehörigkeit, mit ihren relativ grossen Amplituden wenigstens stossnah zur Vorfelderkundung sehr geeignet erschien.

Mylonitisierte Zonen

Kohlenflöze werden gelegentlich durch mylonitisierte Zonen gestört. Diese Zonen sind gebräch, stehen unter hohem Druck und können Gas binden. Normalerweise sind sie auch Zonen geringer seismischer Geschwindigkeit und Regionen mit Dichten, die kleiner als die der Kohle sind. Mylonitisierte Zonen hemmen den wirtschaftlichen Kohlenabbau und bedeuten eine stete Gefahr hinsichtlich katastrophaler Explosionen. Die Erkundung solcher Zonen ist demnach besonders wichtig für Mensch und Kohlengrube.

Die Modelle der mylonitisierten Zone werden mit der Tab. 2 und der Abb. 12 beschrieben. Da Prof. Krey bei seinen Untertagearbeiten stets Evison-Wellen einsetzte, sei unser letztes Beispiel anhand von Evison-Wellen und in-situ-Werten vorgeführt.

Tab. 2: Parameter für das Nebengestein, die Kohle und die mylonitisierte Zone.

                b(m/s)      r(g/cm3)

Nebengestein    2500        2,6
Kohle           1250        1,3
mylonitis. Zone 998         0,98

Die zwei Seismogramm-Sektionen der Evison-Welle (SH-Komponente) in Abb. 13, jeweils entlang der Flözmitte des Zonen-Modells aus Abb. 12a berechnet, gelten für laterale Ausdehnungen von 8 m und 2,4 m. Für eine Störungsweite von 8 m erkennt man in Abb. 13a zwei Reflexionen, eine von der Vorderseite und eine von der Rückseite der mylonitisierten Zone. Wird der laterale Abstand der Vorder- und Rückseite bis auf 2,4 m verkürzt, so verschmelzen die Reflexionssignale zu einem in der Abb. 13b nicht mehr trennbaren Interferenzsignal. Für weitere Seismogramme von mylonitisierten Zonen mit Weiten bis hinunter zu 0,47 m gilt die gleiche Aussage.

Ein Verfahren zur exakten zeitlichen Trennung der Reflexionen, auch oberhalb von 2,4 m, ist durch die modifizierte 'Moving-Window-Analyse' gegeben (Geldmacher et al. 1990). Abb. 14 zeigt zur Demonstration dieses Verfahrens Gruppenlangsamkeits-Analysen von reflektierten Evison-Wellen bei lateralen Zonenbreiten von 8 m und 2,4 m, gemeinsam mit den passenden theoretischen Dispersionskurven (ausgezogene Linien). Die Zonen weite M kann bestimmt werden nach 2M = Dt(f)v(f), Dt = Ds(f)x, mit [Delta] Dt: Zweiwegelaufzeit, abgeleitet aus den Seismogrammen, v(f): Gruppengeschwindigkeit in der mylonitisierten Zone, Ds(f): vertikaler Abstand zwischen zwei Gruppenlangsamkeitskurven (vgl. Abb. 14), f: Frequenz, x: Laufweg der ersten Reflexion.

In den obigen Beziehungen wurde die Gruppengeschwindigkeit in der mylonitisierten Zone als bekannt vorausgesetzt. Unter dieser Annahme können die Interferenzsignale ab einer Zonenbreite von 0,8 m aufgelöst werden.

Im Falle noch schmalerer mylonitisierter Zonen oder sehr dünner Strukturen (vgl. Abb. 12) versagt die bisher vorgestellte Seismogrammanalyse beim Versuch, den zeitlichen Abstand der das Interferenzsignal bildenden Einzelreflexionen zu bestimmen.

Insbesondere kann auch nicht festgestellt werden, ob die Reflexionen von der Verwerfung in Abb. 12b ausgehen oder von der mit der Verwerfung verbundenen S-förmigen Struktur.

Wendet man das bei Dresen u. Rüter (1994) beschriebene Verfahren der Bestimmung von Reflektivität und Transmissivität an, so können zumindest qualitative Kriterien gefunden werden, um z.B. eine schmale mylonitisierte Zone mit Verwerfung (bzw. eine reine Verwerfung) von einer S-förmigen mylonitisierten Struktur zu unterscheiden (vgl. Abb. 12b).

Abb. 15 gibt für die Störung mit den Abmessungen nach Abb. 12b eine synthetische Seismogrammsektion wieder. Dabei wurden folgende Qualitätsfaktoren Q für die mylonitisierte Kohle (Index mc), die ungestörte Kohle (Index c) und das Nebengestein (Index r) verwendet: Q_mc = 30; Q_c = 50; Q_r = 300.

Aus den Seismogramrnen der Abb. 15 kann in keiner Weise geschlossen werden, ob die Reflexionen von einer reinen Verwerfung oder von einer Verwerfung mit einer S-förmigen mylonitisierten Struktur herrühren.

Abhilfe schafft hier die Reflektivitäts- und Transmissivitätsanalyse, deren Ergebnisse in Abb. 16a und 16b dargestellt worden sind. Ebenfalls sind dort Referenzkurven (gestrichelte Linien) eingezeichnet, die für ein reines Verwerfungsmodell ohne mylonitisierte Zone (vgl. Abmessungen in Abb. 12b) gelten.

Sehr deutlich treten die Hochpassfilterwirkung bei der Reflektivität und die Tiefpassfilterwirkung bei der Transmissivität hervor.

Die Reflektivität für das Modell mit der S-förmigen mylonitisierten Struktur unterscheidet sich oberhalb von 350 Hz signifikant von derjenigen des Referenzmodells, das keine ausgeprägte Hochpassfilterwirkung zeigt. So können die Form und die Werte der Reflektivitätskurve mindestens als qualitative Kriterien betrachtet werden, um zwischen einer reinen Verwerfung und einer Verwerfung mit der üblichen S-förmigen mylonitisierten Struktur zu unterscheiden.

Die Transmissivitäten für die besprochenen Modelle sind unterhalb von 250 Hz identisch. Oberhalb von 250 Hz fallen die Transmissivitäten für die S-förmige mylonitisierte Struktur im Vergleich zum Referenzmodell stark ab. Form und Werte der Transmissivitätskurve sind, wie bei der Reflektivität, ebenfalls ein qualitatives Kriterium um festzustellen, ob eine Verwerfung zusätzlich durch eine mylonitisierte S-förmige Struktur gestört ist oder nicht.

Die gerade im Auszug vorgestellten Untersuchungen gehörten zu den letzten Forschungsarbeiten, die an deutschen Hochschulen auf dem Gebiet der Flözwellenseismik unternommen worden sind. Die permanente Krise im Bergbau, der sich eine Krise bei der finanziellen Förderung von geophysikalischen Arbeiten zur Kohlenexploration anschloss, stimmte nicht nur die Flözwellenforscher an den Universitäten, sondern ganz besonders auch Prof. Krey sehr nachdenklich.

Bei letzten Diskussionen mit Prof. Krey stellte er nochmals heraus, dass gerade die Auflösung von mylonitisierten Zonen durch Spektral- und Dispersionsanalysen nun wesentlich verbessert werden kann. Bemerkenswert fand Prof. Krey, dass die hier geschilderten Untersuchungen an Evison-Wellen, wie 'auch weitere an Krey-Wellen (Geldmacher et al. 1990), die laterale Weite einer mylonitisierten Zone bis hinunter zu M = 0,8 m aufzulösen vermögen. Auch die qualitativen Unterscheidungsmerkmale reiner Verwerfungen im Flöz von Verwerfungen mit einer mylonitisierten S-förmigen Struktur durch Reflektivitäts- und Transmissivitätskurven schienen ihm wert, in die Auswerteverfahren der Flözwellenseismik aufgenommen zu werden.

Literatur
Arnetzl, H. (1978): Grundsätzliches über seismische Untertagemessungen mit Flözwellen im Steinkohlenbergbau. - Hannover (Prakla-Seismos AG, Firmenbroschüre).
Arnetzl, H. u. Klinge, U. (1982): Erfahrungen mit der Flözwellenseismik in der Vorfelderkundung. - Glückauf 118: 658-664.
Buchanan, D.J. u. Jackson, P.J. (1982): In-seam seismics for fault detection. - Glückauf-Forschungshefte 43: 90-93.
Buchanan, D.J. (1983): In-seam seismology: A method for detecting faults in coal seams. - in: A.A. Fitch (Ed.): Developments in Geophysical Exploration Methods, Vol. 5: 144-147; London (Applied Science Publishers).
Drusen, L. (1985): Flözwellenseismik für die untertägige Steinkohlenerkundung, in: F. Bender (Hrsg.): Methoden der Angewandten Geophysik und mathematische Verfahren in den Geowissenschaften, Band II; Stuttgart (Ferdinand Enke Verlag).
Dresen, L., Kerner, C. u. Kühbach, B. (1985): The influence of an asymmetry in the sequence rock/coal/rock on the propagation of Rayleigh seam waves. - Geophys. Prospecting 33: 519-539.
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Krey, Th. (1988): Miterlebtes und Mitbewirktes in der seismischen Steinkohlenexploration. Vortrag (am 6.7.1988) anlässlich der Verleihung des akademischen Grades "Dr. honoris causa" von der Fakultät für Geowissenschaften der Ruhr-Universität Bochum.