Bei der Aerogravimetrie werden Schwerewerte oder Schweregradienten in Flugzeugen oder Hubschraubern gemessen.
Möglich wurden aerogravimetrische Messungen erst durch die Verbesserungen der GPS-Technologien. So können heute die Vorteile dieser Techniken genutzt werden, die darin bestehen, dass größere Gebiete gleichmäßig überdeckt werden können.
Ein generelles Problem der Aerogravimetrie sind die Störungen durch die Beschleunigungskräfte der Flugbewegung. Dies gilt zunächst für die Corioliskräfte, dann aber auch dür die kleineren Bewegungen des Fluggeräts. Diese sind bei Hubschraubern anders als bei Flächenflugzeugen. Zur Minderung dieser Störeinflüsse werden die Gravimeter auf aufwendigen kreiselstabilisierten Trägern montiert und möglichst in der Fluzeugmitte plaziert.
Eine Minderung dieser Störeinflüsse kann durch die Messung von Gradienten, also der Differenzen an zwei Messpunkten in einem kleinen Abstand (1 m) erreicht werden. Durch Differenzbildung fallen die Störungen raus, wenn sie an beiden Messpunkten gleich sind. Dies ist jedoch nur eingeschränkt der Fall, da die Messpunkte doch etwas auseinander liegen.
Neben mechanische Gravimetern oder Gradiomatern beispielsweise montiert auf rotierenden Scheiben wird auch an quantenbasierten Systemen gearbeitet (siehe AeroQGrav - Forschungsvorhaben). Diese wesentlich kleineren und genaueren Systeme werden dann keine großen Flugzeuge mehr benötigen sondern selbst der Einsatz auf Drohnen ist denkbar.
FTG misst direkt alle Komponenten des Gradienten des des Schwerefeldes. Die gemessenen Daten sind eine Reihe unabhängiger Komponenten, die ein Tensorfeld definieren. Txx, Tyy und Txy messen die Änderungsrate des Schwerefeldes in den horizontalen Komponenten, während Txz und Tyz die horizontale Änderungsrate der Vertikalkomponente der Schwere messen. In Kombination liefern Txx und Tyy eine Messung der Änderungsrate der Schwerkraft.
Die einzelnen Komponenteninformationen eignen sich direkt für die Kartierung komplexer Geometrien geologischer Besonderheiten , die einen Dichtekontrast zum Hintergrund erzeugen. In Kombination ergeben die direkt gemessenen Txz- und Tyz-Komponenten den gesamten horizontalen Gradienten (THG) und bilden direkt geologische Kontaktinformationen ab, die die strukturelle und stratigraphische Lage des Ziels definieren. Die Kombination von Txx, Txy und Tyy ergibt ein Maß für die gesamte horizontale Krümmung (THC) und erfasst die Krümmung, die in geologischen Strukturen erkennbar ist, wie sie beispielsweise von abgerundeten Becken, den Spitzen von Verwerfungsblöcken, den Spitzen von Salzkörpern, Erzkörpern usw. in Carbonate. Der vertikale Gradient Tzz ergänzt das THG, indem er vertikale Kontakte zeigt, die an Kanten von Dichtekontrasten erkennbar sind. Zusammen erleichtern Tzz und THG die Kartierung komplexer Verwerfungszonen. Alle Daten der Tensorkomponenten sind ein Maß für das Schwerkraftpotential, das zusammengenommen ein Schwerkraftanomaliefeld darstellt. Das resultierende Schwerefeld bietet eine hohe Auflösung und eine genaue Erfassung einer Signalbandbreite, die mit herkömmlichen Methoden zur Schwerkraftvermessung nicht möglich ist.
Die generelle Eindringtiefe von Gradientenmessungen ist jedoch kleiner als die einer Messung der Schwere selbst. Dies schränkt die Anwendungen in der Tiefengeothermie ein.
Die drei Hauptelemente des vollständigen Tensors sind:
Instrumente werden entweder auf Tragflächenflugzeugen oder Hubschraubern installiert, zusammen mit umfangreichen Elementen zur mechanischen Stabilisierung (Kreiselplattformen). Zahlreiche Sensoren zur Erfassung der Flugbewegungen und deren Beschleunigungen sind notwendig.
Nach dem Äquivalenzprinzip kann der Sensor im Flugzeug nicht zwischen der gravitativen Beschleunigung (dem gesuchten Messsignal g) und den kinematischen Beschleunigungen (der Eigenbewegung des Flugzeugs a) unterscheiden.
Während die zu messenden Schwereanomalien meist im Bereich von wenigen Milligal (1 mGal=10−5 m/s2) liegen, können die Beschleunigungen durch das Flugzeug Werte von 100.000 mGal oder mehr erreichen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist somit extrem ungünstig (oft 1:10.000 oder schlechter).
Vertikale Beschleunigungen: Da das Gravimeter primär in vertikaler Richtung misst, wirken sich vertikale Flugbewegungen (Sinken, Steigen, Vibrationen) direkt und ungefiltert auf den Messwert aus.
Horizontale Beschleunigungen: Durch Neigungen des Flugzeugs oder des Messsystems (Roll- und Nickbewegungen) können horizontale Beschleunigungskomponenten in die vertikale Messachse einkoppeln (cross-coupling).
Differentielles GPS (DGPS) / GNSS: Die Flugbahn und die exakten dreidimensionalen Positionen des Flugzeugs werden hochpräzise (im Zentimeterbereich) aufgezeichnet. Durch zweifache numerische Differenzierung der Positionsdaten nach der Zeit wird die kinematische Beschleunigung des Flugzeugs berechnet und vom Messsignal des Gravimeters abgezogen.
Mechanische oder rechnerische Stabilisierung: Das System wird entweder auf einer kreiselstabilisierten Plattform (Gimbal) horizontal gehalten, oder es wird ein starres System (Strapdown-Anordnung) genutzt, bei dem Drehraten- und Beschleunigungssensoren (IMU) die Orientierung exakt mathematisch herausrechnen.
Da sich das Flugzeug relativ zur rotierenden Erde bewegt, erfährt es eine zusätzliche Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung. Diese verändert die scheinbare Schwerebeschleunigung an Bord.
Flug nach Osten: Das Flugzeug fliegt mit der Erdrotation. Die Fliehkraft steigt, wodurch die gemessene Schwerekraft kleiner wird.
Flug nach Westen: Das Flugzeug fliegt gegen die Erdrotation. Die Fliehkraft sinkt, die gemessene Schwerekraft wird größer.
Nord-Süd-Komponente: Führt primär zu einer Ablenkung durch die Coriolisbeschleunigung.
Der Eötvös-Effekt kann bei Fluggeschwindigkeiten von mehreren hundert Kilometern pro Stunde Hunderte oder Tausende von Milligal betragen. Zur Korrektur benötigt man die exakte Geschwindigkeit über Grund (v), den Flugkurs (α) und die geographische Breite (ϕ). Die Korrekturformel lautet näherungsweise:
Motoren, Propeller oder Rotoren sowie aerodynamische Verwirbelungen an der Flugzeughülle erzeugen hochfrequente Vibrationen. Diese Vibrationsbeschleunigungen überlagern das eigentliche Signal massiv.
Mechanische Dämpfung: Schockabsorber schützen das Instrument vor hochfrequenten Schwingungen der Flugzeugzelle.
Tiefpassfilterung: Da geologische Schwereanomalien eine gewisse räumliche Ausdehnung haben und sich im Vorbeiflug als niederfrequentes Signal zeigen, können die hochfrequenten Störungen durch numerische Tiefpassfilter (z. B. FIR-Filter oder Kalman-Filter im Post-Processing) eliminiert werden. Dies begrenzt jedoch die räumliche Auflösung der Messung (Wellenlängen unter ca. 1–2 km können meist nicht mehr aufgelöst werden).
Während ein Gravimeter die absolute Beschleunigung g misst, bestimmt ein Gradiometer die räumliche Änderung der Schwerebeschleunigung über eine kurze Distanz (Basislinie d), also die Ableitungen der Feldkomponenten nach den Raumrichtungen. Die Messeinheit hierfür ist das Eötvös (1 E=10−9 s−2=0,1 mGal/km).
Der entscheidende Vorteil gegenüber der Gravimetrie liegt darin, dass Gradiometer aufgrund ihres Konstruktionsprinzips weitgehend unempfindlich gegenüber den translatorischen Flugbewegungen sind. Dennoch bringen sie eigene, spezifische Störungsquellen mit sich.
Ein Gradiometer besteht im Prinzip aus mindestens zwei identischen Beschleunigungssensoren, die in einem festen Abstand d (der Basislinie) an Bord des Flugzeugs montiert sind.
Kein Sensorpaar ist perfekt identisch. Geringfügige Unterschiede in der Empfindlichkeit oder Ausrichtung der Sensoren führen dazu, dass ein kleiner Teil der Flugbeschleunigung nicht gelöscht wird (Common-Mode-Fehler). Dies erfordert eine extrem präzise Kalibrierung im Labor und während des Fluges.
Während lineare Bewegungen eliminiert werden, sind Rotationsbewegungen des Flugzeugs (Rollen, Nicken, Gieren) das größte Problem der Aerogradiometrie.
Wenn sich das Flugzeug um eine Achse dreht, erfahren die beiden Sensoren aufgrund ihres Abstands zur Drehachse unterschiedliche Fliehkräfte (Zentrifugalbeschleunigungen) und Winkelbeschleunigungen. Diese Differenz wird vom System als scheinbarer Gradient gemessen. Die Störung hängt direkt von der Winkelgeschwindigkeit Ω und der Winkelbeschleunigung Ω˙ des Flugzeugs ab.
Kreiselstabilisierte Plattformen: Die meisten Gradiometer (wie das weit verbreitete Falcon- oder FTG-System) sind auf hochkomplexen, aktiv stabilisierten Plattformen montiert. Diese versuchen, das System von den Drehbewegungen des Flugzeugs komplett zu entkoppeln, sodass die Drehraten nahe Null bleiben.
Inertialsensorik (IMU): Hochpräzise Laserkreisel messen die verbleibenden minimalen Eigenrotationen des Flugzeugs im Millibogensekunden-Bereich. Mit diesen Daten werden die durch Rotation induzierten Schein-Gradienten in der Nachbearbeitung rechnerisch korrigiert.
Der klassische Eötvös-Effekt (Störung durch die Fluggeschwindigkeit relativ zur Erdrorotation) wirkt auf beide Sensoren fast identisch. Da er sich räumlich nur sehr schwach ändert, ist der Gradient des Eötvös-Effekts extrem klein.
Auswirkung: Im Gegensatz zur klassischen Gravimetrie, wo er Tausende von Milligal betragen kann und die größte Fehlerquelle darstellt, ist der Eötvös-Effekt in der Gradiometrie meist vernachlässigbar klein oder lässt sich mit Standard-Flugdaten fehlerfrei eliminieren.
Da ein Gradiometer extrem empfindlich auf nahe Massen reagiert (die Wirkung nimmt mit der dritten Potenz der Entfernung ab, 1/r3), stören Veränderungen am Flugzeug selbst das Signal:
Treibstoffverbrauch: Während des Fluges verändert sich das Gewicht und die Verteilung des Treibstoffs in den Tanks. Diese sich ändernde Massenverteilung erzeugt einen variablen Gradienten.
Die Geometrie der Tanks und der Treibstofffluss werden exakt modelliert und der daraus resultierende gravitationelle Effekt des Flugzeugs wird kontinuierlich vom Messwert abgezogen.
Die Datenbearbeitung ist analog zur Bearbeitung von am Boden gewonnenen Daten. Vobereitend (preprocessing) sind Einflüsse der Flugzeugbewegung rechnerisch zu kompensieren, insbesondere gilt dies für die Coriolis-Beschleunigungen.
Das Ziel des Processings ist es, aus der gemessenen Gesamtbeschleunigung des Flugzeugs die reine Schwereanomalie der Erde zu isolieren. Der Prozess läuft typischerweise in folgenden Schritten ab:
Berechnung: Die rohen Beschleunigungsdaten des Gravimeters (araw) enthalten sowohl die Erdschwere als auch die Flugzeugbewegung. Aus den hochpräzisen Phasen-GNSS-Daten (DGPS) wird die Flugbahn berechnet und zweifach nach der Zeit differenziert, um die reine Flugbeschleunigung (aFlug) zu erhalten.
Subtraktion: Das Gravimetersignal wird um diese Flugbeschleunigung korrigiert: graw=araw−aFlug.
Eötvös-Korrektur: Basierend auf der GNSS-Geschwindigkeit, dem Kurs und der geographischen Breite wird die Scheinbeschleunigung durch die Eigenrotation der Erde berechnet und abgezogen.
Normalschwere-Korrektur (Freiluft-Korrektur): Die theoretische Schwere der Erde auf einem Referenzellipsoid (z. B. WGS84) wird für die jeweilige Position berechnet und vom Messwert abgezogen. Zudem wird die Höhenänderung des Flugzeugs berücksichtigt (ca. −0,3086 mGal/m). Das Ergebnis ist die Freiluftanomalie (Free-Air Anom
Da das GNSS-Rauschen durch die zweifache Differenzierung mathematisch verstärkt wird, ist das Signal nach Schritt A extrem verrauscht.
Es wird ein strenger numerischer Tiefpassfilter (z. B. RC-Filter oder Gauß-Filter) angewendet. Typische Grenzfrequenzen liegen so, dass hochfrequente Störungen eliminiert werden, wodurch allerdings die räumliche Auflösung auf ca. 1 bis 2 Kilometer limitiert wird.
Da translationale Flugbewegungen bereits hardwareseitig durch die Differenzbildung der Sensoren eliminiert werden, entfällt die fehleranfällige GNSS-Differenzierung. Das Processing konzentriert sich auf geometrische und rotatorische Effekte.
Die im Flug verbleibenden Restrotationen (Rollen, Nicken, Gieren) werden über die Laserkreisel der IMU erfasst.
Die dadurch induzierten Fliehkräfte und Winkelbeschleunigungen, die auf die Sensoren wirken, werden über mechanische Modelle des Instruments exakt berechnet und mathematisch aus den Gradientenkanälen herausgerechnet.
Während des Fluges ändert sich der Treibstand in den Tanks. Da die Sensoren nahe an den Tanks liegen, wird der sich zeitlich verändernde gravitative Einfluss des Treibstoffs anhand von Tanktabellen und Durchflussmessern modelliert und vom gemessenen Gradienten subtrahiert.
Ein modernes Voll-Tensor-Gradiometer (FTG) misst meist mehrere unabhängige Gradientenkomponenten in einem instrumenteneigenen Koordinatensystem.
Diese Rohdaten werden in das globale geografische Koordinatensystem (Nord, Ost, Vertikal) transformiert. Dabei wird der vollständige Marussi-Tensor der zweiten Ableitungen des Gravitationspotentials berechnet:
Sobald die korrigierten Punkt- oder Profildaten vorliegen, folgen für beide Methoden standardisierte geostatistische Verfahren, um finale Kartenwerke zu erstellen:
Tie-Line Levelling (Fluglinien-Ausgleich): Das Flugmuster besteht meist aus parallelen Hauptlinien und quer dazu verlaufenden Kontrolllinien (Tie-Lines). An den Schnittpunkten der Linien dürfen sich die Messwerte theoretisch nicht unterscheiden. Systematische Fehler (Drift des Instruments, Höhenfehler) werden hier mathematisch durch Anpassung der Linien minimiert (z. B. durch Polynom-Abgleich).
Gridding (Gittererstellung): Die Daten, die nur entlang der Fluglinien vorliegen, werden mittels Interpolationsverfahren (z. B. Kriging oder Minimum Curvature) in ein kontinuierliches, regelmäßiges Raster (Grid) umgerechnet.
Terrain-Korrektur (Bouguer-Korrektur): Um die reine Geologie im Untergrund sichtbar zu machen, wird der topographische Effekt von Bergen und Tälern mithilfe eines digitalen Geländemodells (DGM) berechnet und abgezogen. Das Endprodukt in der Gravimetrie ist die Bouguer-Anomalie.
Aerogravimetrie wurde bisher in der Geothermieexploration selten angewendet, scheint jedoch Potenzial zu haben. In den letzten Jahren wurden auch in Deutschland Messungen mit der Full-Tensor Gradiometrie (FTG) durchgeführt.
Teilweise Gemini, überarbeitet
https://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3831
Zu Literatur siehe:
zuletzt bearbeitet Juli 2026, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
