Die Forschung hatte im VEB Geophysik eine lange Tradition, die bis in die Jahre unmittelbar nach Gründung des Betriebes zurückreichte. Neben Arbeiten zur Seismik wurden Forschungsarbeiten zur Geräteentwicklung, Bohrlochmessung und zu Potentialverfahren ausgeführt. Anliegen dieses Beitrages soll es sein, einen gedrängten Überblick über Organisationsformen und Inhalte der Verfahrensforschung auf dem Gebiet der Reflexionsseismik seit dem Ende der sechziger Jahre zu geben. Dieser Zeitraum fällt etwa zusammen mit der Einführung der Digitalseismik und der Entwicklung der Nahseismik für die Braunkohlenerkundung im VEB Geophysik.

Organisationsformen

Seit den fünfziger Jahren existierte im Betrieb eine eigene Forschungsabteilung, die für Projektierung und Durchführung der Forschungsarbeiten sowie die Einführung der Ergebnisse in die Produktion zuständig war. Ausserdem besass die Forschung eine Art "Supervisorfunktion" für Produktionsaufgaben, indem sie für alle Arbeiten von der Akquisition über die Projektierung der Feldmessungen bis hin zum Processing der Daten verantwortlich, zumindest aber an massgebender Stelle beteiligt gewesen ist.

Die Abteilung wurde später in einen Direktionsbereich umgewandelt, dem mehrere Abteilungen unterstanden. Neben der Geräte- und Softwareentwicklung gab es zwei Abteilungen für die Verfahrensentwicklung: Forschung Erdöl-Erdgas unter langjähriger Leitung von Dr. G. Löser und Forschung Feste Minerale unter Dr. S. Grosse.

Die Ziele der Forschungsarbeiten wurden von den aktuellen geologischen Aufgabenstellungen geprägt und entweder vom Betrieb selbst oder in den meisten Fällen von zentraler Stelle (Ministerium für Geologie, VVB Erdöl-Erdgas Gommern - WB bedeutet Vereinigung Volkseigener Betriebe -) vorgegeben. Dem Themenverantwortlichen unterstanden mehrere Mitarbeiter, bei grösseren Themen bis zu 20. Jedes Thema war durch in Nomenklaturen festgelegte Arbeitsstufen charakterisiert.

Die Arbeiten begannen in der Regel mit der Fixierung der Aufgabenstellung (Arbeitsstufe VI, V steht für Verfahrensentwicklung). Diese musste unter Berücksichtigung einer "volkswirtschaftlichen Zielstellung" vom Themenverantwortlichen in einem sog. Pflichtenheft zusammengestellt werden, das bereits Vorstellungen über den Inhalt, zeitlichen Ablauf und finanziellen Aufwand der Arbeiten enthielt. Der nächste Schritt war die i.a. aufwendige Erarbeitung des Lösungsweges (Arbeitsstufe V2). Dabei spielte die Berücksichtigung aller Randbedingungen (vorhandenes Wissen, internationaler Stand, nationale und internationale Kooperation, zur Verfügung stehende Geräte, Hard- und Software) eine wichtige Rolle. Dem schloss sich die eigentliche Etappe der Forschungsarbeiten an, die mit zwei weiteren Arbeitsstufen endete. In der Stufe V5 war die Wirksamkeit der erarbeiteten Verfahren an Beispielen nachzuweisen (Erprobungsbericht), in der Stufe V5/0 wurden die methodischen Ergebnisse zusammengestellt. Mit der Vorlage des Forschungsergebnisses begann die "Überleitung", die eine Einführung des Forschungsergebnisses in die Erkundungspraxis zum Ziel hatte.

Dazu wurden ein "Überleitungsprogramm" sowie eine Dokumentation für den Anwender erarbeitet und von Vertretern der Forschung und der produzierenden Bereiche realisiert. Die Laufzeit der grösseren Forschungsthemen betrug in der Regel 2 bis 3 Jahre.

Die genannten Arbeitsstufen waren verteidigungspflichtig. Für betriebliche Themen erfolgte die Verteidigung vor dem Wissenschaftlichen Rat des Betriebes bzw. Kombinates. Forschungsthemen, deren Aufgabenstellung vom Ministerium für Geologie vorgegeben waren, waren sog. Staatsplanthemen. Deren Verteidigung erfolgte im Ministerium vor einem Beauftragten des Ministers unter Teilnahme von Vertretern der geologischen Industrie sowie von Hochschulen, die zur Abgabe von Stellungnahmen zum jeweiligen Forschungsbericht aufgefordert waren. Aus den Verteidigungen resultierten zumeist Auflagen zur Fortführung der Arbeiten oder Nutzung des Ergebnisses in der Praxis.

Massstab für das Ergebnis aller Forschungsarbeiten war die Anwendbarkeit und Nutzung in der Praxis. Veröffentlichungen unterlagen strengen Geheimhaltungsbestimmungen und wurden häufig restriktiv behandelt. Dass trotzdem Publikationen (z.T. auch im russischsprachigen Raum) zustande kamen, war häufig auf Initiative und Hartnäckigkeit der Autoren zurückzuführen. Andererseits entstanden Publikationen auch auf Weisung übergeordneter Dienststellen.

Inhalte

Die Inhalte der Forschungsarbeiten zur Verfahrensentwicklung waren durch verschiedene Hauptrichtungen charakterisiert. Die Forschung zur Erdöl-Erdgas-Erkundung war ausgerichtet auf die Erarbeitung von reflexionsseismischen Verfahren, die den komplizierten Aufgaben der Suche nach Lagerstätten im Zechstein und Rotliegenden gerecht wurden. Auf diesem Gebiet wurden im Zeitraum von 1970 bis 1990 etwa 20 Themen bearbeitet. Mehr als die Hälfte davon hatte das Ziel, reflexionsseismische Verfahren zu entwickeln, einerseits zur Erkundung von kleinräumigen Hochlagen des Stassfurtkarbonats des Zechsteins einschliesslich des Nachweises von Störungen geringer Sprunghöhe meist bei komplizierten Deckgebirgsverhältnissen, andererseits vor allem aber für die Erfassung der strukturellen Situation im Rotliegenden, dem Hauptziel der Erdgaserkundung in der DDR. Hier stand zunächst die Erfassung und Verfolgung des Z-Reflektors im Vordergrund, an Hand dessen die Rotliegenderkundung anfänglich erfolgte, Hauptziel war jedoch der Nachweis und die Verfolgung von Reflexionen im Rotliegenden selbst. Im Mittelpunkt der methodischen Aktivitäten stand die Erreichung eines optimalen Nutz-Stör-Verhältnisses. Die Weiterentwicklung von Feld-, Bearbeitungs- und Interpretationsmethodik bildete dabei eine Einheit. Aktivitäten zu diesem Komplex waren auf dem Gebiet der Feldmethodik u.a. die Anpassung des CMP-Systems an die Aufgabenstellung sowie die Einführung von Mehrfachprofilierung, flächenhaften Beobachtungssystemen und SD-Seismik. Auf dem Sektor Datenbearbeitung waren u.a. die Verbesserung der Geschwindigkeitsmethodik und von statischen Restkorrekturen sowie die Erkennung und Unterdrückung von Störwellen wesentliche Massnahmen. Bei der Interpretationsmethodik waren die Einbeziehung nichtseismischer Ergebnisse ("Komplexinterpretation") und die Einführung bzw. Nutzung der rechnergestützten Interpretation wichtige Aktivitäten. Langjähriger Projektleiter von Forschungsthemen zur reflexionsseismischen Strukturerkundung für Erdöl-Erdgas war K. Wruck. Eine bedeutende Rolle spielte auch die vertikalseismische Profilierung (VSP). Die methodisch-technologischen Grundlagen wurden in betrieblicher Zusammenarbeit zwischen deutschen und sowjetischen Spezialisten geschaffen. Die erste Bohrung wurde mit diesem Verfahren bereits im Jahre 1966 - zunächst noch mit analoger, ab 1970 mit digitaler Technik - vermessen. Bis zum Jahre 1990 sind etwa 350 VSP und ca. 250 Laufzeitmessungen ausgeführt worden. Die Ergebnisse wurden routinemässig für die Interpretation reflexionsseismischer Daten genutzt.

Weitere Forschungsthemen hatten die Entwicklung von Verfahren zur stofflichen Interpretation reflexionsseismischer Daten zum Ziel. Schwerpunkte waren die Bestimmung und Interpretation dynamischer Kenngrössen einschliesslich der auf sie einwirkenden Störeinflüsse, die Ermittlung der Absorption, die Spurinversion und die Erarbeitung von Verfahren zur seismischen Stratigraphie bei ungünstigem Nutz-Stör-Verhältnis. Mit Hilfe der erarbeiteten Verfahren war es bei Erfüllung bestimmter Voraussetzungen möglich, lithologische Veränderungen im Mesozoikum, im Zechstein und - innerhalb grösserer Mächtigkeiten - auch im Rotliegenden nachzuweisen. Ausserdem konnten die Grundlagen für den sog. 'Direktnachweis' von Kohlenwasserstoff-Lagerstätten geschaffen werden.

In der Abteilung Forschung Feste Minerale waren naturgemäss die Arbeiten nicht nur auf die Reflexionsseismik beschränkt, die allerdings den grössten Teil der Kapazitäten beanspruchte. Gefördert durch das starke industrielle Umfeld des Braunkohlenbergbaus wurde Mitte der 60er Jahre die Entwicklung reflexionsseismischer Verfahren für die Erkundung des oberflächennahen Untergrundes in Auftrag gegeben.

Diese Forschungsarbeiten endeten in der erfolgreichen Überleitung von drei nahseismischen Verfahrensvarianten, die bis 1990 auf fast 3000 Profilkilometern für den Braunkohlenbergbau genutzt wurden. Als erstes Verfahren ist in Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig ein Verfahren für eine sehr saubere Scherwellenanregung im Schürf entwickelt worden. Dieses wurde später, vor allem in der Lausitz mit sehr ungünstigen natürlichen Bedingungen für die Anregung von Scherwellen, abgelöst durch eine vibrationsseismische Variante. Der dafür verwendete Minivibrator wurde in Zusammenarbeit mit der Bergakademie Freiberg unter Leitung von B. Forkmann entwickelt. Interessant ist, dass die Aufnahme mit in Brieselang bei Berlin hergestellten Geophonen in Auslageanordnung mit einer Tschebyscheff-Wichtung erfolgte. Als Alternativlösung zu diesen Quellen wurde zuletzt als drittes Verfahren eine hochauflösende Seismik eingesetzt, die auf der Verwendung von Hochfrequenzgeophonen, angeordnet auf sehr kleiner Fläche, beruhte. Die Anregung erfolgte dabei mit Schuss aus Flachbohrungen innerhalb der Langsamschicht. Dieses Verfahren wurde später in der Anregung modifiziert, auf grössere Tiefen ausgerichtet und erfolgreich für die Erkundung geringmächtigen Stassfurtkarbonats eingesetzt.

Viele der Forschungsarbeiten waren mit hohem Personalaufwand verbunden, führten aber in Verbindung mit den nachfolgend genannten Kooperationspartnern zu höchst effektiven Lösungen (z.B. bei der Modellierung von Wellenfeldern, VSP, der Erkundung des Nahbereichs mit P- und S-Wellen sowie der Aktivitäten zur Prognose des geologischen Profils), die in der Praxis gemeinsam von Geophysikern und Geologen genutzt wurden. Andererseits darf nicht übersehen werden, dass die im VEB Geophysik bestehenden Voraussetzungen in Hinblick auf Geräte- und Rechentechnik für manche Vorhaben eine natürliche Grenze bildeten.

Nationale und internationale Kooperation

Partner für die Durchführung der Forschungsarbeiten konnten den politischen Zwängen folgend nur in der DDR oder bei den Mitgliedstaaten des Rates für gegenseitige Wirtschaftshilfe (RGW bzw. COMECON) gewonnen werden. Im Inland waren dies neben den genannten Auftraggebern vor allem die Karl-Marx-Universität Leipzig, die Bergakademie Freiberg und das Zentralinstitut für Physik der Erde Potsdam, die an der Realisierung der o.g. Ziele auf Vertragsbasis aktiv mitwirkten.

Höchst bedeutsam für die Forschung im VEB Geophysik war die internationale Kooperation mit den Mitgliedsländern des RGW. Innerhalb dieser Organisation existierte eine "Ständige Kommission für Erdöl und Erdgas", der die Koordinierung gemeinsamer Arbeiten oblag. Partner des VEB Geophysik waren hier u.a. die Zentrale Geophysikalische Expedition Moskau, ELGI und OKGT Budapest, Geofyzika n.p. Brunn, PPG Warschau, PGPIGK Sofia und VNüGeofizika Moskau. In diesem Zusammenhang wurde auch der Kontakt zu den osteuropäischen Hochschulen gepflegt, insbesondere zu den Universitäten-von Prag und Leningrad sowie zum Erdölinstitut Moskau.

Ein Schritt war die sog. 'direkte Zusammenarbeit'. In deren Mittelpunkt stand ein Erfahrungsaustausch zur digitalseismischen Methodik der Erdöl- und Erdgaserkundung sowie der Erkundung von Braunkohle, die gemeinsame Durchführung von Versuchs- und Routinemessungen im Grenzgebiet zwischen der DDR, Polen und der CSSR. Auch die Entwicklung digitalseismischer Apparaturen durch ELGI Budapest und VEB Geophysik war Bestandteil dieser direkten Zusammenarbeit, deren Kosten von jedem Land selbst getragen wurden.

Eine weitere und sehr erfolgreiche Intensivierung der Kooperation wurde mit der Bildung sog. "Koordinierungszentren" (KOZ) innerhalb des RGW erreicht. Im Jahre 1974 gründete sich als eines von mehreren Interneftegeo fizika mit Sitz in Moskau. Seine Hauptaufgabe war die Entwicklung von Methoden der automatisierten Bearbeitung seismischer Daten für die Erdöl- und Erdgaserkundung besonders für Gebiete mit kompliziertem geologischen Bau. Sie deckte sich damit weitgehend mit den .Zielstellungen der reflexionsseismischen Forschungsarbeiten in der DDR. Drei vom KOZ Interneftegeofizika verfolgte Hauptaufgaben sind zu nennen (KASCMK u. MANUKOV 1986):

- Erarbeitung des Datenbearbeitungssystems SDS-3, basierend auf der ESER-Rechentechnik. Das nutzerfreundliche und zuverlässig arbeitende System wurde von UdSSR, DDR und CSSR gemeinsam entwickelt und bildete die rechentechnische Basis im VEB Geophysik in der Zeit von 1980 bis 1990. Es wurde laufend erweitert und aktuellen Aufgabenstellungen angepasst.

- Methodik und Software für die Lösung struktureller Aufgaben unter komplizierten geologischen Bedingungen. Neben vielen anderen Aktivitäten ist hier die Entwicklung einer hochauflösenden Seismik in der Verfahrensentwicklung zu nennen.

- Erarbeitung von Verfahren zur Prognose des geologischen Profils (Vorhersage der Lithologie, Direktnachweis von Kohlenwasserstoff-Lagerstätten, seismische Stratigraphie).

In der Zeit von 1986 bis 1990 wurden beispielsweise im KOZ Interneftegeofizika 9 Rahmenthemen zur Seismik mit mehr als 100 Unteraufgaben bearbeitet. Grundlage für die gemeinsame Bearbeitung der Aufgaben des KOZ bildeten Wirtschaftsverträge, an denen jede Seite anteilig finanziell beteiligt war. Interessant ist ein Blick auf die Organisationsformen des Koordinierungszentrums. Das oberste Organ war der "Rat der Bevollmächtigten", dem gewöhnlich die Direktoren der beteiligten Institutionen angehörten und der einmal jährlich tagte. Eine Zwischenebene bildeten die Experten. Die praktische Arbeit wurde an der Basis von den Spezialisten geleistet, die mehrmals jährlich den erreichten Stand diskutierten (z.B. 75 Arbeitstreffen im Jahre 1988), Daten, Algorithmen und Rechenprogramme austauschten und auch gemeinsame Messungen planten und durchführten. Eine grosse Rolle spielte innerhalb der KOZ die Qualifizierung der beteiligten Mitarbeiter. Dazu zählten: Teilnahme an jährlich stattfindenden gemeinsamen geophysikalischen Symposien der RGW-Länder, Durchführung wissenschaftlicher Seminare des KOZ und thematischer Praktika sowie die Zusammenfassung sog. "zeitweilig arbeitender Kollektive" (ZAKs), von denen thematisch begrenzte Aufgaben kurzfristig realisiert wurden.

Das Ziel, ein gemeinsames Rechenzentrum der RGW-Länder unter Regie des KOZ Interneftegeofizika zu gründen und zu betreiben, konnte nicht mehr erreicht werden. Die Ergebnisse der umfangreichen, innerhalb dieses KOZ ausgeführten Forschungsarbeiten sind in zahlreichen Berichten (in russischer Sprache) dokumentiert.

Das KOZ Intergeotechnika erlangte naturgemäss für die Verfahrensforschung des VEB Geophysik nicht die Bedeutung wie das KOZ Interneftegeofizika. Aber auch hier wurden in gemeinsamen Workshops, Seminaren und Messkampagnen Erfahrungen auf dem Gebiet der geophysikalischen Erkundung des Nahbereiches sowie der Ingenieur- und Hydrophysik gepflegt. Erwähnenswerte Projekte waren die Konzipierung eines mehrsprachigen geophysikalischen Wörterbuches und die als Parameterreihe bezeichnete Erarbeitung von Standards für geophysikalische Geräte und Ausrüstungen. Allerdings hat dieses KOZ nicht die Durchsetzungskraft und Stärke erreicht, um die Geräteentwicklung in den einzelnen Mitgliedsländern des COMECON wesentlich beeinflussen zu können.

Beispiele für Ergebnisse von Forschungsarbeiten

Nachfolgend sollen einige ausgewählte Forschungsergebnisse zur Nahseismik, zur hochauflösenden Seismik und der substantiellen Interpretation seismischer Daten skizziert werden. Ergebnisse zur strukturellen Erkundung von Erdöl und Erdgas sind u.a. bei Gaertner et al. (1993) zusammengestellt. Erste Ergebnisse von VSP-Messungen findet man bei Deubel (1968).

Schon Mitte der 60er Jahre begann man sich in Leipzig für die Nutzung von Scherwellen zur reflexionsseismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes bis in Tiefen von wenigen hundert Metern zu interessieren. Unter dem Einfluss der umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen russischer Kollegen, insbesondere der Schule von N.N. Puzyrev in Novosibirsk (Puzyrev u. Bacharevskaja 1962), wurde in gemeinsamer Forschung mit der Universität Leipzig die Scherwellenanregung im Schürf zu einem industriereifen Verfahren entwickelt (Patzer u. Grassl 1968, 1969). Abb. 1 zeigt ein Scherwellenseismogramm aus dieser Zeit, registriert im Tagebau Schleenhain. Die mit A, Bz> B2 und M bezeichneten Schwingungsphasen stellen S-Wellen-Reflexionen dar.

Auf fast 600 Profilkilometern ist dieses Verfahren dann für die Braunkohle-Erkundung vor allem im westelbischen Raum genutzt wurden. Die teilweise exzellenten und sehr hochauflösenden Ergebnisse bei oft gestörter Lagerung der Flöze haben dazu beigetragen, dass die Nahseismik trotz aller bekannten Skepsis gegenüber der Geophysik in die Erkundungsprogramme für den Braunkohlebergbau aufgenommen wurde. Abb. 2 zeigt das Beispiel einer sehr überzeugenden kombinierten Flözerkundung durch Seismik und Bohraufschluss (Gaertner et al. 1982). Das Wellenbild bringt die unveränderten und mit Hilfe der Bohrung erfassten Mächtigkeiten von Oberbegleiter (OB), Zwischenschicht und Hauptflöz (HF) zum Ausdruck. Störung, Flexur und Einmuldung des Flözes werden deutlich abgebildet.

Ende der siebziger Jahre wurde der erwähnte Minivibrator DV 105 (Abb. 3) mit P-Wellenanregung erfolgreich in die nahseismische Braunkohlenerkundung eingeführt (forkmann et al. 1981). Mit dieser Quelle wurden ca. 1700 Profilkilometer nahseismisch vermessen. Der niedrige Stand in der Entwicklung der Elektronik - keine Korrelationsmöglichkeiten im Feld - war der Grund, dass später wieder zu einer Impulsanregung übergegangen wurde.

Grundlage für die Entwicklung einer hochauflösenden Seismik waren umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Komponenten des seismischen Kanals - von der Quelle bis zur Datenbearbeitung - auf Bandbreite und Auflösungsvermögen seismischer Daten. Dazu wurden u.a. aufwendige Testmessungen im Rahmen der internationalen Kooperation ausgeführt. Kernstück der hochauflösenden Seismik ist die Nutzung von Hochfrequenzgeophonen. Bei vergleichenden Messungen mit 10Hz-Geophonen zeigt sich das wesentlich höhere Auflösungsvermögen bei Aufnahme mit 60Hz-Geophonen (Abb. 4, Pa charakterisiert das Auflösungsvermögen nach Widess (1982) und bringt die Bandbreite zum Ausdruck). Ergebnisse erster hochauflösender Messungen zur Zechsteinerkundung in der DDR nach diversen Verfahren sind bei Gaertner u. Scheibe (1987) dargestellt.

Eine der erwähnten Forschungsrichtungen zur Gewinnung substantieller Informationen aus seismischen Daten war die Nutzung seismostratigraphischer Prinzipien bei ungünstigem Nutz-Stör-Verhältnis (Pröhl et al. 1986, 1991). Ziel war die Gewinnung zusätzlicher Informationen für die Erkundung des Rotliegenden, das durch ungünstige Bedingungen (u.a. niedrige Reflexionskoeffizienten, geringe laterale Ausdehnung der reflektierenden Bereiche und das massive Auftreten von Störwellen) charakterisiert ist. Schritte bei der seismostratigraphischen Analyse waren die Bereitstellung und Bearbeitung aller relevanten Daten aus Bohrungen, Berechnung synthetischer Spuren und Sektionen, Gewinnung von Informationen aus Stapelsektionen (u.a. zum Wellenbild bzw. zur Dynamik des Wellenfeldes) und die Zusammenstellung aller Daten zu einem geologisehen Modell. Für ein etwa 150 km langes Regionalprofil aus dem Zentralbereich des Norddeutschen Beckens erfolgte eine seismostratigraphische Untergliederung des Rotliegenden. Das Ergebnis ist für einen kleinen Ausschnitt in Abb. 5 dargestellt.

Unter dem Begriff 'Direktnachweis' versteht man das Bemühen, aus seismischen Messergebnissen unmittelbar Informationen über einen Wechsel der Porenfüllung im Untergrund abzuleiten. Dieser Wechsel kann mit Änderungen petrophysikalischer Parameter verbunden sein (Geschwindigkeit, Absorption, Schallhärtekontraste an den Lagerstättengrenzen). Mit geeigneten Bearbeitungsverfahren können unter günstigen Voraussetzungen diese Änderungen erfasst werden. In Abb. 6 ist für ein Profil, das eine Erdöllagerstätte in Norddeutschland quert, die Verteilung der niederfrequenten Spektrenkomponenten, ermittelt aus der Stapelsektion, dargestellt. Man erkennt, dass diese Attribute die Position der Lagerstätte in diesem Fall sehr gut widerspiegeln. Weitere Informationen findet man bei Patzer et al. (1984), Pröhl (1984), Pröhl u. Patzer (1986) und Gaertner u. Pröhl (1993). Die Effektivität dieser Arbeitsrichtung ist von zahlreichen Einflussgrössen, u.a. den geologischen Bedingungen und vor allem der Datenqualität abhängig.

Die getroffene Auswahl von Beispielen zu Forschungsergebnissen bezieht sich auf die von den Autoren wesentlich mitgestalteten Arbeiten und gibt aus diesem Grund, abgesehen von der Beschränkung auf die Verfahrensforschung, nur einen begrenzten Überblick.

Literatur
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