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dc.contributor.advisor Vollbrecht, Axel Dr. de
dc.contributor.author Krumbholz, Michael de
dc.date.accessioned 2010-05-25T15:23:33Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T11:24:30Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:13Z de
dc.date.issued 2010-05-25 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B2EB-A de
dc.description.abstract In den letzten Jahrzehnten fand die Entstehung natürlicher Elektro-Magnetischer Strahlung/Radiation (EMR) immer mehr Beachtung, bevorzugt auf den Gebieten der Materialwissenschaften und der Geowissenschaften. EMR geht mit Materialversagen einher, und wird daher als Möglichkeit zur Erdbebenvorhersage untersucht aber auch zum Detektieren von Störungen und, in jüngerer Zeit, zur Bestimmung von in situ- Hauptspannungsrichtungen. Der Entstehungsmechanismus dieser natürlichen EMR wird noch nicht vollständig verstanden, aber Laborstudien konnten nachweisen, dass der Mechanismus mit der Bildung von Mikrorissen einhergeht. Diese durch Risse hervorgerufene EMR besitzt richtungsabhängige Eigenschaften, und ihre maximale Intensität ist parallel zum verursachenden Mikrorissausbreitung. Da die Mikrorissausbreitungsrichtung durch das umgebende Spannungsfeld diktiert wird, ermöglicht eine Messung der Richtungseigenschaften der rissinduzierten EMR die Bestimmung der Hauptspannungsrichtungen. Das Cereskop ist ein tragbares Messgerät, mit dem derartige Messungen im Gelände vorgenommen werden können. Allerdings wird diese neue Technik bisher nur von einer kleinen Gruppe von Wissenschaftlern eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Anwendbarkeit der EMR-Methode durch weitere Geländeuntersuchungen zu prüfen. Für diesen Zweck wurden drei Geländestudien in verschiedenen geologischen Regimen durchgeführt.In der ersten Studie (Kapitel 3) wurde die Möglichkeit der Bestimmung der größten horizontalen Normalspannung (H) mit der EMR-Methode überprüft. Zusätzlich wurde eine Richtungsanalyse bruchafter Strukturen in den Größenordnungen vom Kilometer- bis hinunter in den Submillimeterbereich durchgeführt, um jene Sprödstrukturen zu identifizieren, welche Beiträge zur im Gelände gemessenen EMR liefern könnten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit abnehmender Größe der Sprödstrukturen, sich ihre Orientierung der Hauptrichtung der EMR immer stärker angleicht. Das stützt Erkenntnisse aus Laboruntersuchungen, die Mikrorisse als EMR-Emittenten identifizieren konnten. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass sowohl die Neubildung von intragranularen Mikrorissen als auch Rissausbreitungen an Korn- und Phasengrenzen als Ursache für die gemessene EMR in Frage kommen. Weiterhin stimmen sowohl die bestimmten EMR-Hauptrichtungen als auch die Orientierung der Mikrostrukturen mit in situ H-Richtungen überein, die hier mit anerkannten (konventionellen) Methoden bestimmt wurden. Diese Studie stützt somit die Anwendbarkeit der EMR-Methode zur Bestimmung von H.Die zweite Fallstudie (Kapitel 4) untersuchte die Möglichkeit, Störungen bzw. Störungszonen mit Hilfe der EMR-Methode zu detektieren. Hierzu wurde in Südostschweden und Mitteldeutschland eine Reihe von Störungen mit bekanntem Verlauf ausgewählt, über die auf Querprofil-Linien EMR-Messungen durchgeführt wurden. Zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und Auswertbarkeit der Daten wurden die Cereskopdaten mit genauen geographischen Koordinaten verbunden. Des Weiteren wurden die EMR-Daten für eine ausgewählte Störung mit denen Ergebnissen einer etablierten Methode zur Störungsdetektion verglichen. Bei letzterer handelt es sich um die Messung erhöhter Radonentgasung über Störungen. Es war möglich, die Störung mit beiden Methoden zu lokalisierten, wobei sich zeigte, dass mit der EMR-Methode wesentlich genauere Ergebnisse mit geringerem Aufwand zu erzielen sind. Im Allgemeinen ist die EMR-Methode somit eine nützliche und zuverlässige Methode, um Störungszonen zu lokalisieren. Zusätzlich liefern EMR-Daten Informationen zur Breite und zum Einfallen von Störungszonen.Die dritte Fallstudie (Kapitel 5) beschäftigte sich mit der räumlichen Auflösung und zeitlichen Veränderungen von EMR-Merkmalen. Hierzu wurde auf einer Gesamtfläche von 280 000 km2 an 52 Standorten die EMR-Hauptrichtung bestimmt. Die daraus abgeleiteten H-Richtungen weichen z.T. deutlich von den in der World Stress Map abgebildeten Richtungen ab. Die gemessenen EMR-Hauptrichtungen bilden überwiegend ein konzentrisches Muster, deren gemeinsamer Mittelpunkt mit der Lage eines militärischen VLF-Senders übereinstimmt. Zudem gibt es eine deutliche Korrelation zwischen gemessenen EMR-Intensitäten und dem Abstand zu diesem Sender. Diese Ergebnisse machen die Anwendbarkeit der EMR-Methode fragwürdig, wenn künstliche Störfaktoren nicht in Erwägung gezogen werden. Ergebnisse früherer Studien, deren Daten auf dieser Methode basieren, müssen daher teilweise überdacht werden.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass trotz der vielversprechenden Ergebnisse der ersten beiden Fallstudien die dritte Studie beweist, dass die EMR-Methode in ihrem momentanen Entwicklungsstand für die Bestimmung von Hauptspannungsrichtungen nicht geeignet zu sein scheint. Im Falle der zweiten Fallstudie kann die erfolgreiche Lokalisierung von Störungszonen auf die bereits bekannte VLF-Methode zurückgeführt werden. Da der generelle Ansatz der EMR-Methode jedoch prinzipiell richtig und vielversprechend ist, muss in Zukunft das Messverfahren überarbeitet werden, um die aufgezeigten technischen Schwierigkeiten überwinden zu können. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ de
dc.title Electromagnetic radiation as a tool to determine actual crustal stresses - applications and limitations de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Elektromagnetische Strahlung als Werkzeug zur Bestimmung rezenter Krustenspannungen - Anwendungen und Grenzen de
dc.contributor.referee Webb, Sharon Prof. Dr. de
dc.date.examination 2010-01-22 de
dc.subject.dnb 550 Geowissenschaften de
dc.description.abstracteng In the last decades natural Electro Magnetic Radiation (EMR) has gained more and more attention in the fields of material sciences and geosciences. Since EMR precedes material failure, it is used in geosciences as a tool to forecast earthquakes, determine crustal stress directions, and to detect faults. The source mechanisms of natural EMR are diverse and still incompletely understood. Laboratory studies have proved that one source mechanism is related to the process of micro-cracking. The crack-related emissions have directional properties: their maximum intensities are parallel to the direction of micro-crack growth. Since micro-crack orientation is controlled by the surrounding stress field, a measurement of the directional properties of the associated EMR in the field offers the opportunity to determine the main horizontal stress direction, H. The Cerescope is a mobile device to measure intensities, and thus directional properties, of natural EMR in the field. However, this technique is so far only accepted by a small circle of scientists. The aim of this thesis was therefore to make further tests on the applicability of the EMR method in the field. For this purpose, three case studies were conducted in different geological settings.The first case study was located in southeast Sweden (Chapter 3) to test the EMR method as a tool to determine the orientation of the main horizontal normal stress (H) by measuring the main EMR direction. In addition, the orientation of brittle structures from kilometre- down to sub-millimetre-scale was analysed to identify those brittle structures that contribute to the emission of EMR relevant in the field. The results of this multi-scale analysis indicate that with decreasing size of the structures, their strike coincides better and better with the measured main EMR directions. This supports in general the results of laboratory studies giving evidence that micro-crack formation is associated with EMR. In the present case, intraganular cracks, as well as cracking along grain- and phase-boundaries seem to be responsible for the measured EMR. Furthermore, the main EMR directions and the orientation of micro-structures are in good accordance with the in situ H directions derived from conventional methods. Therefore, this case study strongly supports the applicability of the EMR method.The second case study (Chapter 4) analysed the possibility to detect faults and fault zones with the EMR method. For this purpose, several fault zones with known extent were selected in southeast Sweden and central Germany, where EMR intensities along profiles crossing these faults were measured. In addition, the EMR data was coupled with exact geographic coordinates to improve the spatial resolution and the processability of the data. Furthermore, the EMR results for one fault were compared with the results of a conventional method, i.e., the measurement of radon emanations. Both methods succeed in locating the fault; however, the results of the EMR measurement are more accurate and were obtained with less effort. This confirms that the EMR method is a useful and reliable tool to detect fault zones. In addition, information about the width and dip of fault zones can be derived.The third case study (Chapter 5) focussed on an analysis of the spatial resolution of the EMR method and of the temporary behaviour of EMR properties. For this, an area of 280.000 km2 was covered with 52 measurements of the main EMR direction. The obtained data were in some parts not consistent with stress data as displayed in the World Stress Map. Instead, the main EMR directions form a segment of a circular pattern with a common centre at the location of a military VLF transmitter. Furthermore, long-term monitoring of the temporary behaviour of the EMR directions and intensities show irregularities that coincide with the broadcasting times of the VLF transmitter. In addition, signal intensities can be correlated to the distance to the transmitter. This causes serious concern about the actual development state of the EMR method. Consequently, results of previous studies based on this method need to be re-evaluated.In summary, even if the first two case studies gave promising results, the third case study shows that the method in its actual state of development seems to be not applicable to determine crustal stresses at the surface. More over the successful detection of faults using the EMR method can probably be explained by the well-established VLF method. Since the basic approach of the EMR method is principally correct and promising, in the future the measurement setup has to be reworked to overcome the identified technical problems in relation to artificial disturbances. de
dc.contributor.coReferee Vollbrecht, Axel Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger EMR Cereskop Mikrorisse Spannung Störungen de
dc.subject.eng EMR Cerescope microcracks stress faults de
dc.subject.bk 30.99 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2467-8 de
dc.identifier.purl webdoc-2467 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Geowissenschaften und Geographie de
dc.subject.gokfull VAE 120: Methodik {Strukturgeologie} de
dc.identifier.ppn 667985913 de

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