Bei der seismischen Reflexionsmethode werden akustische Wellen Tausende von Metern unter die Erdoberfläche gesendet. Die reflektierten Signale geben den Wissenschaftlern Aufschluss über die Eigenschaften des Untergrunds. So können Öl- und Gasvorkommen entdeckt werden. Während diese mit der Abkehr von fossilen Brennstoffen irgendwann nicht mehr abgebaut werden, ist eine genaue Kenntnis der Gesteinsstrukturen wichtig, um bekannte Lagerstätten besser zu verstehen.
Der Untergrund der Erde könnte ein wichtiger Ort für die Speicherung von Treibhausgasen sein. Mit verbesserten Machine-Learning-Algorithmen und neuen High-Performance-Computing-Konzepten können Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM jetzt seismische Daten detaillierter verarbeiten. Die Technologie könnte auch für den Bau von Windparks nützlich sein.
Seismische Reflexion ist eine effiziente, zerstörungsfreie Methode zur Erkundung des Untergrunds und wird unter anderem zur Suche nach Öl-, Gas- und Heißwasservorkommen eingesetzt. Dabei werden akustische Wellen in den Boden gesendet und die zurückreflektierten Signale aufgezeichnet. Die Ergebnisse weisen auf die Zusammensetzung und Struktur des Untergrunds hin und helfen bei der Lokalisierung von Lagerstätten.
Die Technologie funktioniert sowohl an Land als auch offshore auf Gebieten innerhalb des Festlandsockels. Der Schlüssel zu aussagekräftigen Ergebnissen liegt in der Verarbeitung und Analyse der erfassten Daten. Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern hat das Datenverarbeitungsverfahren weiterentwickelt. Bei dieser verbesserten seismischen Bildgebung werden die Rohdaten mehreren Verarbeitungsstufen unterzogen, um ein äußerst detailliertes Bild des Meeresbodens und seiner komplexen Untergrundstruktur zu erstellen.
Fraunhofer-Experten nutzen das im Rahmen der Auftragsforschung entwickelte SF-GRT-Verfahren (Statoil Fraunhofer „Generalized Radon Transform“). Dr. Norman Ettrich, einer der Sektionsleiter für High-Performance Computing und Seismic-Teamleiter, und sein Team haben innovative Algorithmen für maschinelles Lernen (ML) verwendet, um das Softwarepaket auf eine höhere Detailebene zu verfeinern und die zugrunde liegende Computerarchitektur zu optimieren.
Es liefert nun detaillierte und präzise Bilder von Felsstrukturen unter dem Meeresboden. Damit lassen sich Größe, Struktur und Form von Öl- und Gaslagerstätten unter der Oberfläche bis auf wenige Meter genau bestimmen. Für dieses Projekt bündelte das Fraunhofer ITWM seine Expertise in Geophysik, Mathematik und Informatik.
Mit Hydrophonen ausgestattete Spezialschiffe sammeln Daten
Dabei steht die Entdeckung neuer Öl- und Gasvorkommen unter dem Meeresboden keineswegs im Vordergrund. Norman Ettrich erklärt: „Aufgrund der Abkehr von fossilen Brennstoffen lässt das Interesse der europäischen Länder an der Entdeckung neuer Öl- und Gasvorkommen nach. Ihnen geht es mehr darum, bekannte und bereits genutzte Lagerstätten besser zu verstehen und zu untersuchen.“ Schließlich lassen sich mit der Technologie auch geeignete Orte für unterirdische Ablagerung von Treibhausgasen wie CO2 finden.
Die Erforschung der Oberfläche und des Untergrunds des Meeresbodens erfordert Spezialschiffe, die oft Tausende von Quadratkilometern in gerader Linie zurücklegen. Sie ziehen Luftgewehre und Hydrophone hinter sich her. Typischerweise senden die Airguns alle 25 Meter einen akustischen Impuls nach unten. Im Wasser breiten sich die Schallwellen mit einer Geschwindigkeit von 1.480 m/s aus und durchdringen die Gesteinsschichten unter dem Meeresboden. Im Extremfall können die Schallwellen 3.000 Meter Wasser durchdringen, bevor sie weitere 11.000 Meter unter dem Meeresboden passieren.
Die reflektierten Signale werden dann an der Meeresoberfläche von hochempfindlichen Hydrophonen detektiert. „Auf diese Weise erzeugt jeder Puls eine seismische Spur. Diese Spuren geben Aufschluss darüber, wie viel Zeit zwischen Aussendung und Empfang vergeht. Diese Laufzeit wird auch von der Zusammensetzung und Größe der jeweiligen Gesteinsschicht beeinflusst. Denn das akustische Signal wird abgegriffen Mit mehreren Hydrophonen kann der Meeresboden aus mehreren Blickwinkeln analysiert werden: Stärke, Laufzeit und Winkel des Signals liefern entscheidende Informationen über Beschaffenheit, Struktur und Mächtigkeit der Gesteinsformation, darunter auch Informationen darüber, ob eine bestimmte Schicht sehr porös ist und ob die Poren sind beispielsweise mit Öl oder Gas gefüllt.
Datenvolumen in Terabyte
Während einer typischen Exploration fährt ein Spezialschiff auf Hunderten von parallelen Linien durch das zu untersuchende Gebiet. Entlang jeder Linie werden Tausende von Airgun-Impulsen ausgesendet, und jeder Impuls wird von Tausenden von Hydrophonen als reflektiertes Signal erfasst. Das Ergebnis sind Hunderte Millionen gesammelter Datenspuren, die sich auf mehrere Terabyte an Informationen belaufen. Um diese enorme Datenmenge zu bewältigen, haben Computerexperten in Kaiserslautern spezielle High Performance Computing (HPC)-Konzepte entwickelt (siehe Kasten).
Die Daten werden zunächst gefiltert, aufbereitet und vorsortiert, dann kann der Untergrund mit der seismischen Migrationsmethode kartiert werden. Um die Datenverarbeitungsqualität nach der Migration weiter zu verbessern, werden immer mehr vollautomatisierte ML-Verarbeitungsalgorithmen eingeführt. „Die besondere Stärke unserer um ML-Algorithmen erweiterten Methode liegt darin, dass bei der Analyse der Daten keine Abstraktionen mehr verwendet werden, die die Genauigkeit der Analyse beeinträchtigen würden“, erklärt Ettrich. Das Ergebnis ist eine detaillierte visuelle Darstellung der komplexen Untergrundstruktur.
Reflexionsseismisches Verfahren als Werkzeug zur Planung von Windparks
Durch die Optimierungen ist es erstmals möglich, Beugungs- oder Störzonen zu erkennen und im erzeugten Bild sichtbar zu machen. Dies sind relativ kleine Bereiche, in denen sich die Eigenschaften einer Gesteinsschicht plötzlich ändern, beispielsweise durch das Auftreten von Störungen in einer ansonsten abdichtenden Schicht.
„Dies würde auf ein Gebiet hinweisen, aus dem Öl oder Gas längst ausgetreten ist. Es könnte auch darauf hindeuten, dass die Schicht zu porös ist, um als CO2-Speicher zu fungieren, oder dass ein Heißwasserreservoir vorhanden ist und sich die Formation daher für geothermische Anlagen eignen würde.“ “, fährt Ettrich fort.
Die Identifizierung solcher Beugungsobjekte mit der seismischen Reflexionsmethode kann auch für die Platzierung von Windkraftanlagen in Offshore-Windparks sehr nützlich sein. Die Fraunhofer-Technologie analysiert den Untergrund und markiert dabei Stellen mit besonders hartem Gestein, die die Installation des Turbinenmastes im Meeresboden behindern würden. Das hilft, später teure Probleme zu vermeiden.