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Gravimetrie

Bouguer Anomalien der Taupo Volcanic Zone, New Zealand: Quelle GNS

Der Begriff Gravimetrie (von lat. gravitas, „Schwere“ und -metrie von griech. τὸ μέτρον – das Maß) bezeichnet die Methoden, mit denen das lokale Schwerefeld der Erde vermessen wird. Die Bestimmung dieses fundamentalen Potentialfeldes ist für Geodäsie, Geophysik und Technik gleichermaßen von Bedeutung.

In der Geodäsie sind genaue Schwerewerte für die Höhenbestimmung (genaue Reduktion des Nivellements) und die Geoidbestimmung von Bedeutung, in der Geophysik und der Geodynamik für die Erforschung des Erdinnern und seiner Bewegungen. Ferner benötigen präzise Waagen und andere technische Messmethoden gravimetrische Daten zu ihrer Eichung.

Anhand der unterschiedlichen Stärke der Schwerebeschleunigung an verschiedenen Orten lassen sich Aussagen über die Verteilung der Massen in der Erdkruste und über die Gesteinsdichte treffen. Die Interpretation ist allerdings nicht immer eindeutig (Umkehrproblem der Potentialtheorie). Auch in der Erforschung anderer Himmelskörper (Planetologie, Erdmond) gewinnt die Schweremessung an Bedeutung.

Absolut oder relativ

Absolutmessungen der Schwere sind relativ aufwändig und werden nur an Observatorien durchgeführt (Fallversuche, Pendel). In der Exploration beschränkt man sich auf Relativmessungen (Federwagen), also die Bestimmung der Schwereunterschiede zu einem Bezugspunkt.

Messung in Flugzeugen (air borne)

Im Gegensatz zu Messungen des Magnetfelds sind Messungen der Schwere in Flugzeugen oder Hubschraubern problematisch. Alle Bewegungen des Fluggerätes übertragen sich auf die Messdaten. Dies gilt insbesondere auch für die Corioliskräfte. Gravimeter müsse zudem aufwändig auf kreiselstabilisierten Plattformen installiert werden.Trotz allem bleiben air borne Gravimetriemessungen stark fehlerbehaftet und haben daher nie die Bedeutung erlangt wie z.B. air borne Magnetikmessungen.

Da die Störeinflüsse der Fulgzeugbewegungen auf Gradiometer, die Unterschiede der Schwerkraft in einem festen (beispielweise vertikalen) Abstand sensieren kleiner sind, werden heute oft Gradiometermessungen der Messung der Schwerkraft selbst vorgezogen. Vermarktet werden die Gradiometermessung unter FTG (full tensor gradiometry). Auch in Deutschland wurden (2024) schon einige Messungen mit diesem Verfahren durchgeführt.

Satellitenmessungen

Zur Bestimmung des Schwerfeldes mit Satelliten sind keine Messgeräte notwendig, die der Satellit mitführt. Es genügt, die Bahn des Satelliten genau zu beobachten. Diese weicht durch das lokale Schwerefeld von der idealisierten elliptischen Bahn ab, so dass sich aus diesen Abweichungen das Schwerefeld erarbeiten lässt. Dies ist also eine passive Methode. Hier werden mit Tandem-Satelliten, also mit zwei Satelliten in einem festen Abstand, besonders genaue Ergebniss erzielt.

Anwendung in der Geothermie

Gravimetrische Messungen können geothermische Reservoire bis zu Tiefen von 2 km oft gut kartieren, Störungszonen lokalisieren und Basement-Tiefen bestimmen. Dichteunterschiede durch Mineralalterationen können kartiert werden. Neben der Schwerkraft selbst können auch Gradienten (vertikal oder horizontal) hilfreich sein, z. B. bei der Kartierung von Senkungszonen (Mikrogravimetrie).

Gravimetrische Messmethoden

Satellitengravimetrie
Airborne Gravimetrie
Gravimetrie am Boden
Mikrogravimetrie

Neben der Messung des Schwerefeldes selbst sind umfangreiche Zusatzmessungen nötig um Daten zu erhalten, die für die anschließende Bearbeitung notwändig sind. Beispiel sind hier die Höhen der Messpunkte (mit Millimetergenauigkeit), die Topographie der Umgebung, die Dichten der oberflächennahen Schichten und vieles mehr.

Auswertung

Gravimetrische Rohdaten müssen umfangreich bearbeitet werden bevor sie geologisch interpretiert werden können. Berücksichtig werden muss hier, die Zeit in Relation zu den Gezeiten, die geographische Breite, die Meereshöhe, die Topographie der Umgebung. Dies Bearbeitungsschritte nennt man üblicherweise 'Korrekturen'. Ein erstes Ergebnis ist dann meist eine Karte der Bouguer-Anomalien.

Die wichtigsten Korrekturen sind:

Normalschwere: Berechnet aus Breitengrad und ellipsoidischer Höhe mit global angepassten Parametern.
Gangkorrektur: Korrektur der zeitlich variablen Einflüsse auf gravimetrische Messungen, vor allem Instrumentendrift und Erdgezeiten.
Breitenkorrektur: Korrektur der durch die geografische Breite verursachten Abweichung im Normalfeld. Siehe Internationale Schwereformel.
Höhen- oder Freiluftreduktion: Korrektur der Abweichungen, die durch unterschiedliche Höhe über dem Meeresspiegel der Messungen hervorgerufen werden.
Bouguerplatte: Korrektur der Schwerewirkung einer unendlich ausgedehnten Platte der Dicke h.
Topografische Reduktion: Korrektur der lokalen Massenanziehung des Geländes (der Berge oder Täler); erfolgt mit einem digitalen Geländemodell.
Anteil von Dichteinhomogenitäten im oberflächennahen Untergrund.

Literatur

Fuchs, H., K., Soffel, H. : Untersuchungen am Westabbruch der Böhmischen Einheit im oberfränkisch-oberpfälzischen Bruchschollenland mit Hilfe der Gravimetrie. In: N. Jb. Geol.Paläont. Mh. (1981), S. 193-210

Militzer, H., Lindner, H.: Grundlagen der angewandten Gravimetrie. C339. Aufl. Leipzig : Freiberger Forschungshefte, 1979

Schmidt, S., Götze, H.-J., Mahatsente, R., Hese, F.: Gravimetrische Messungen im Projekt GeoPower. In: DGG Jahrestagung (2013)

Weitere Literatur siehe unter Literaturdatenbank und/ oder Konferenzdatenbank.