Deutsche IMS-Station: Seismische Primärstation GERES (PS19)

Lage der Station GERES im Bayerischen Wald nordöstlich von Passau. Am gleichen Ort wird auch die Infraschallstation I26DE betrieben Quelle: BGR

GERES ist eine von 50 seismischen Primärstationen des weltweiten Stationsnetzes zur Überwachung des CTBT. Im Unterschied zu den seismischen Hilfsstationen werden die Messdaten kontinuierlich mit wenigen Sekunden Zeitverzögerung an das IDC der CTBTO nach Wien sowie an das deutsche NDC nach Hannover übertragen. Entsprechend der Nomenklatur dieses Vertrages erhielt die Station den zusätzlichen Namen PS19.
Gemessen werden an dieser Station seismische Wellen, die durch Erdbeben oder Explosionen entstehen und sich im Erdinneren ausbreiten.

Standort:

48.84° nördlicher Breite
13.70° östlicher Länge
933 - 1132 m über NN

Die Station wurde bei der Ortschaft Haidmühle nahe dem Dreiländereck Deutschland - Österreich - Tschechien im Gebiet rund um den Sulzberg errichtet. Die Lage der einzelnen Messstellen auf dem anstehenden Festgestein (Gneis und Granit) des Böhmischen Massivs gewährleisten eine ausgezeichnete Ankopplung der Seismometer an den Untergrund und damit eine ideale Aufzeichnung der ankommenden Signale. Darüber hinaus weist dieser Standort einen niedrigen Störpegel auf. Diese günstigen Bedingungen machen GERES zur empfindlichsten seismischen Messeinrichtung in Mitteleuropa.

Das Gebäude auf dem Sulzberg beherbergt alle zentralen technischen Einrichtungen der Datenerfassung und der Kommunikation. Quelle: BGR

Konfiguration:

Konfiguration der Arrays GERES (rote Punkte) und I26DE (blaue Punkte) Quelle: BGR

GERES ist ein so genanntes seismisches Array. Es besteht aus 25 einzelnen Messstationen, die auf konzentrischen Kreisen mit den Radien 200m, 430m, 925m und 1988m angeordnet sind (rote Punkte in nebenstehender Abbildung). Die maximale Ausdehnung beträgt etwa 4 km. Auf Grund der örtlichen Gegebenheiten war eine exakte Positionierung der Messstellen auf den Kreisen nicht in jedem Fall möglich.

Die acht Messstationen des Infraschallarrays I26DE (blaue Punkte) liegen im nordöstlichen Bereich des GERES-Arrays.

Meilensteine:
1987 - 1988		Vorerkundungen und Auswahl eines geeigneten Standortes.
1988 - 1989		Betrieb eines Testarrays mit neun Elementen für die Bestimmung der Konfiguration des endgültigen Arrays.
1989 - 1991		Aufbau des Arrays.
22. Juni 1992		Offizielle Eröffnung des Arrays anlässlich des GERES-Symposiums in Waldkirchen, Deutschland.
1997		Übernahme und Weiterbetrieb des Arrays durch die BGR.
2002		Modernisierung des Arrays. Austausch der Analog-Digital-Wandler an den Messstationen und Verbesserung der Inter-Array-Kommunikation.
16. Dezember 2002		Zertifizierung - Die CTBTO bestätigt nach umfassender Überprüfung der technischen Ausstattung, Zuverlässigkeit und der Datenqualität, dass GERES alle Anforderungen einer IMS-Station erfüllt.
25. März 2003		Integration der Station in den Routinebetrieb des IDC der CTBTO.

Historie:

Im Jahr 1985 wurde von der BGR vorgeschlagen, in Deutschland eine moderne hochempfindliche Messstation für die Registrierung von Signalen von Erdbeben und unterirdischen Kernwaffentests zu bauen. Das Projekt fand damals in Deutschland wenig Unterstützung. In den Vereinigten Staaten von Amerika wurde der Vorschlag jedoch aufgegriffen und von der DARPA (Defense Advanced Research Project Agency, Washington) finanziell gefördert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Southern Methodist Universität in Dallas, Texas, und der Ruhr Universität Bochum, Deutschland, wurde die Messstation 1991 in Betrieb genommen. Sie erhielt den Namen GERESS (GERman Experimental Seismic System). Aufgrund der internationalen Namenskonvention für seismische Stationen wird offiziell nur der 5-buchstabige Code GERES verwendet. GERES ist Teil eines Systems von Arrays ähnlicher Konfiguration, zu denen in Skandinavien auch NORES, ARCES und FINES gehören.

Design der Messanordnung:

Durch die räumliche Verteilung mehrerer Einzelstationen und deren geeignete Zusammenschaltung hat ein Array die Eigenschaften einer seismischen Empfangsantenne. Auf Grund der günstigen Registrierbedingungen wurde die maximale Ausdehnung des Arrays größer gewählt als die der skandinavischen Arrays. Damit wird ein optimales Detektions- und Lokalisierungsvermögen für seismische Signale erreicht. Diese Fähigkeit wird in der so genannten Array-Antwortfunktion deutlich. Die Hauptenergie fokussiert sich in einem engen zentralen Maximum umgeben von einem breiten Bereich, in dem die Energie unterdrückt wird. Selbst schwache, aus großen Entfernungen am Array eintreffende seismische Signale lassen sich dadurch sehr gut detektieren und die Richtung sowie die Geschwindigkeit ermitteln.

Geometrische Anordnung der 25 Messstationen (links) und die daraus resultierenden Array-Antwortfunktion (rechts) Quelle: BGR

Instrumentierung:

An jeder Messstelle des Arrays befindet sich ein Schacht mit einer Tiefe von 3 - 5m, abhängig von den örtlichen Gegebenheiten, in dem sich die elektrischen Geräte befinden und die Seismometer aufgestellt sind. Es werden kurzperiodische Seismometer vom Typ GS13 eingesetzt, welche die vertikale Bodenbewegung aufzeichnen. An drei Standorten des äußeren Rings (GED1, GED4 und GED7) und an der Messstelle GEA2 sind jeweils zwei weitere Seismometer gleichen Typs installiert, die die Bodenbewegung in Nord-Süd- bzw. Ost-West-Richtung aufzeichnen. An der Referenzstation GEC2 ist zusätzlich ein Drei-Komponenten Breitband-Seismometer STS-2 installiert. Im Unterschied zu den Instrumenten des Typs GS13 zeichnet das STS-2 Seismometer die seismischen Signale in einem sehr breiten Frequenzbereich auf. Die Daten aller Messstationen werden über Glasfaserkabel zum Gebäude auf dem Sulzberg zur zentralen Datenerfassung und Kommunikation übertragen und simultan sowohl an das IDC der CTBTO nach Wien als auch an das deutsche NDC nach Hannover weitergeleitet.

Zugang zum Schacht an einer Messstation Quelle: BGR

Der Schacht an jeder Messstation bietet Platz für die elektronischen Geräte (weisser Schrank). Die Seismometer stehen auf dem Betonfundament mit einer guten Ankopplung an den Untergrund. Quelle: BGR

Registrierung:

Laufweg der seismischen Signale vom Explosionsort des U-Bootes "Kursk" bis zum GERES-Array (2657 km) Quelle: BGR

Am 12 August 2000 ereignete sich auf dem U-Boot "Kursk" der Russischen Marine in der Barents See eine Explosion. Keine andere Seismometerstation in Deutschland außer GERES war in der Lage, Signale dieser Explosion aus einer Entfernung von 2657 km zu registrieren. Sie sind jedoch nur auf der so genannten Summationsspur (engl. Beam) zu erkennen. Der Beam wird aus der Summe der Einzelregistrierungen gebildet, die zeitlich so verschoben werden, dass sich das interessierende Signal verstärkt und das Hintergrundrauschen abschwächt. Damit konnte die Richtung und Geschwindigkeit der registrierten Signale ermittelt und eindeutig dieser Explosion zugeordnet werden. Zusammen mit Registrierungen von anderen Stationen in der näheren Umgebung der Explosion war es möglich, die Hintergründe für das Unglück aufzudecken.

Die aus den Registrierungen der Einzelstationen des GERES-Arrays ermittelte Summationsspur. Der Beginn des Signals von der Explosion auf dem U-Boot "Kursk" ist rot markiert ('P'). Quelle: BGR