Part two: Shout louder and go deeper – Teil Zwei: Es wird lauter und tiefer

Eine deutsche Version ist weiter unten zu finden.

In the last entry, we mostly had a look at the water column with so called acoustic methods, which are using the properties of sound moving through water. Most of the instruments are mounted to the hull of the vessel and are fairly reliable. But so far, we only got a few meters below the ground. Now it is time to go deeper.

Recovering the streamer. (Photo: Johanna Klein)

Seismic measurements still use the principle of echo sounding, but on a different scale. The source and the receivers are towed behind the ship and it requires a bunch of people to deploy and retrieve the system. The target is also different. Instead of imaging the water column and the seafloor in order to find freshwater seeping out somewhere, we will now try to image the deeper structures, where the glacial freshwater aquifers are that we want to know more about. Seismic measurements are not sensitive to the difference in salinity of the water in the ground. That is the target of the electromagnetic methods we will explain in the next blog. With seismic experiments we try to image the structure of the underground, in order to reconstruct the formation of different layers and put them into a geological context. This will tell us which layers are related to glacial processes and which formations are suitable for potentially holding freshwater.

Recovering the streamer. (Photo: Johanna Klein)

Our source for the seismic signal is an air pulser. It consists of a chamber of air in a thick steel tube. It is filled up with highly pressurized air provided by the ship’s compressors, which is then released into the water. This creates a large air bubble that generates a sound wave, which then travels several hundred meters into the sub-seafloor. There it gets reflected on different sedimentary layers and travels back up to the water surface, where we detect the echoes and are thus able to image the underground. For this we use a 200-meter-long hydrophone chain, which is called Streamer. Hydrophones are basically microphones, designed to detect variations in pressure and convert them into an electrical signal, which can be interpreted by a computer.

The attached birds keep the streamer horizontal in the water. (Photo: Johanna Klein)

In order to make sure no mammals are disturbed or hurt by our measurements, we have marine mammal observers (MMO) on board. They make sure no marine mammal is around, before we start the pulser and we shut down immediately if they detect any close by. Additionally, we are doing so called ramp-ups, starting with low energy pulses and long time intervals, which are then slowly increased in order to give mammals the chance to bring some distance between them and us. During the day, the MMOs are usually found on the monkey deck (the highest deck, right above the bridge), observing the waters visually with binoculars, looking for blow outs and fins on the horizon. During the night, they are using a PAM (Passive Acoustic Monitoring), which is also a hydrophone chain, similar to our streamer, but specified for detecting sounds of mammals. During one of the first nights, we shut down the seismic equipment because Gally (one of the MMOs) detected a pod of dolphins. They were hanging around for one and a half hours and we were able to take turns listening to their chirps and clicks via headphones. It was jokingly termed a dolphin party of its finest.

Impression of Nova Scotia’s coastline. (Photo: Thies Bartels)

Even though we still have a few weeks left here, we will finish our seismic surveys soon, since the MMOs will leave us in Halifax and we are not allowed to continue without them. Instead we will be concentrating on hydro-acoustics, sediment coring and electromagnetics. More about that in the upcoming post.

See you then!

Elisa


Im letzten Eintrag haben wir uns die Wassersäule und den Meeresboden mit so genannten hydroakustischen Methoden angesehen, die sich alle unterschiedliche Eigenschaften von Schallwellen im Wasser zu Nutze machen. Die meisten Instrumente sind direkt am Rumpf des Schiffes fest installiert und sind ziemlich verlässlich. Aber bisher haben wir uns nur wenige Meter unter den Meeresboden vorgearbeitet. Zeit, tiefer zu gehen.

Der Streamer wird aus dem Wasser geholt. (Foto: Johanna Klein)

Seismische Messungen nutzen weiterhin das Echolot Prinzip (Signal erzeugen und auf das Echo lauschen), allerdings in einer anderen Größenordnung. Die Signalquelle und die Empfänger werden hinter dem Schiff hergezogen und es wird eine Hand voll Leute benötigt um das System auszusetzen und einzuholen. Das wissenschaftliche Ziel ist auch ein anderes. Anstatt die Wassersäule und den Meeresboden abzubilden, um dort Hinweise auf austretendes Süßwasser zu finden, werden hier tiefere Strukturen erkundet, wo die glazialen Frischwasser Aquifere zu finden sind, über die wir mehr erfahren wollen. Die Seismik kann aber nicht den unterschiedlichen Salzgehalt des Grundwassers direkt messen, das ist die Aufgabe der elektromagnetischen Messungen, die wir im nächsten Blog erklären werden. Mit Seismik können wir die Struktur des Untergrundes abbilden, um die Entstehung unterschiedlicher Schichten zu rekonstruieren und sie in den geologischen Zusammenhang einzuordnen. Dadurch erfahren wir, welche Schichten mit glazialen Prozessen zusammenhängen und potentiell Frischwasser enthalten könnten.

Der Streamer wird aus dem Wasser geholt. (Foto: Johanna Klein)

Unsere seismische Quelle ist ein Luftpulser. Dieser ist im Wesentlichen eine Luftkammer mit dicken Wänden aus Stahl, die über die Kompressoren an Bord mit Luft unter hohem Druck gefüllt werden. Nach einem Triggersignal wird diese Luft dann in das Wasser gelassen. Das erzeugt eine große Luftblase und eine Schallwelle, die mehrere hundert Meter in den Untergrund eindringen kann. Hier wird sie an unterschiedlichen Schichten reflektiert und gelangt zurück an die Wasseroberfläche, wo wir die Echos aufnehmen und somit selbst tiefe Strukturen gut abbilden können. Dafür benutzen wir eine 200m lange Hydrophonkette, die Streamer genannt wird. Hydrophone sind im Prinzip Mikrophone, dazu gebaut, Variationen im Druck zu erkennen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das ein Computer interpretieren kann.

Die am Streamer befestigten Birds halten ihn im Wasser in horizontaler Lage. (Foto: Johanna Klein)

Um sicher zu stellen, dass wir keine Meeressäuger verletzen oder stören, haben wir Walbeobachter (Marine Mammal Observers, MMO) mit an Bord. Bevor wir anfangen Signale zu senden, stellen sie sicher, dass keine Meeressäuger in der Nähe sind und wir brechen unsere Messungen sofort ab, wenn welche in unsere Nähe kommen. Wir machen auch so genannte Ramp-ups, senden also zunächst mit wenig Energie und in großen zeitlichen Abständen und fahren dann Frequenz und Stärke des Signals langsam hoch, damit die Tiere die Chance haben einen größeren Abstand zu uns gewinnen. Am Tag findet man die MMOs meist auf dem Peildeck (das höchste Deck, direkt oberhalb der Brücke), wo sie mit Ferngläsern das Meer beobachten und nach Finnen und Fontänen Ausschau halten. In der Nacht wird ein sogenanntes PAM (Passive Acoustic Monitoring) benutzt. Ähnlich wie unser Streamer, besteht es aus einer Hydrophonkette, allerdings natürlich auf die Aufnahme von Meeresäugern spezialisiert. In einer der ersten Nächte haben wir das Seismik Equipment sogar für eine ganze Weile ausgeschaltet, weil Gally (eine der MMOs) eine große Gruppe Delphine gehört hatte. Sie blieben fast 1,5 Stunden in der Nähe vom Schiff und wir durften alle abwechselnd das Pfeifen, Klicken und Zwitschern über ihre Kopfhörer anhören. Seitdem wird scherzhaft von der Delphinparty gesprochen.

Impression der Küste von Nova Scotia. (Foto: Thies Bartels)

Obwohl wir noch einige Wochen hier vor Ort sein werden, werden wir unsere seismischen Messungen bald beenden. Denn die MMOs werden uns in Halifax verlassen und wir dürfen ohne sie nicht weiter machen. Stattdessen werden wir uns auf Hydroakustik, Sedimentkerne und Elektromagnetik konzentrieren. Mehr dazu im nächsten Eintrag.

Bis dahin!

Elisa

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *