Like a piece of cake

On the way back to the Strait of Gibraltar we had a nice talk with Judith Elger about seismic imaging and of course we don’t want to withhold that from you.

Judith is a geophysicist and is currently working as a postdoc at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research in Kiel. In her project she investigates the influence of gas hydrates on sediment stability. In the past years she has been working on the stability of slopes on the seafloor, using mainly hydroacoustic data and sediment cores for her work.
You can find more about her research at https://www.geomar.de/jelger.

seismic system at dawn (Foto: Jonas Liebsch)

Judith, what is the basic principle of a seismic measurement?
The basis of our measurements is an echo, so to speak. When acoustic waves arrive at an interface where the physical parameters change, such as material density, some part of the wave is reflected and another part penetrates the material. This is comparable to an echo, which one can generate in a tunnel or in the mountains, for instance. With this method we can see the seafloor, or rather the contrast between water and the top layer of the seafloor. But we can as well recognize structures deeper in the subsurface.

How does the method work in marine sciences on the ship?
In marine geophysics, i.e. on a research vessel, we use an air pressure pulse as an acoustic signal. The device for this is towed behind the ship and kept at about 2 meters below the water surface. The reflected signal is recorded by receivers which we also tow behind the ship. These recievers, they are called streamers, are kind of little microphones which show when the echo returns.

How do we get from 2Dto 3D seismic imaging?
During the current SO277 cruise we use the seismic method in 2D as well as in 3D mode. The principle remains the same, the only differences are the arrangement of the receivers and the processing of the measured data.

In 2D measurements the receivers are in a row and form a long chain behind the ship. The final results are two dimensional slices that cut the sea floor and show its internal structure. It is similar to cutting a marble cake into slices.

In the 3D arrangement, however, we position 16 short receiver chains next to each other. The cross cable, to which the individual chains are attached, then looks like a stretched bow that is pulled behind the ship (see picture). In this modus the basic idea is that our signal itself is already three-dimensional. You could imagine a soap bubble. The processing of the data is then a bit more complicated. In the end, instead of having only individual sections through the seabed, we can look at any point in the subsurface within the measured area. In the case of the marble cake we could visualize  the entire internal structure of the cake and see how the ratio of light and dark dough changes.

What are the typical challenges?
As with many methods in marine research, we are dependent on good weather. Calm seas make our life a lot easier. But in principle, it is always a challenge to pull a system with many cables through the water. Every cable connection must be sealed, so cannot penetrate anywhere into the system. Floating bodies in the water can cause additional problems, e.g. old nets and buoys that can get caught in our system and damage it. So we always hope for good weather and that nothing gets caught in our equipment, then everything goes well.

Thies Bartels preparing the device for the air pressure pulse signal (Foto: Thore Sager)

What do we hope to find off Malta?
The goal of the OMAX project is to find fresh water in layers off the coast of Malta. Physically we cannot do this with the seismic method. Our task is to map the geological structures off the coast. On land it is relatively easy to create a geological map. You can go into the field, look at the ground and determine rocks and structures, or drill a hole and take a core. On the seabed it is more complicated. But to estimate where we can expect fresh water, the geology is the most important background information.

Current Position: 36° 25,751′ N 002° 09,255′ E
Authors and photography: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz


Auf dem Weg zurück zur Straße von Gibraltar haben wir uns ein wenig mit Judith Elger über seismische Messverfahren unterhalten und das wollen wir euch natürlich nicht vorenthalten.

Judith ist Geophysikerin und arbeitet zur Zeit als Postdoc am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. In ihrem Projekt untersucht sie den Einfluss von Gashydraten auf Sedimentfestigkeiten. In den vergangenen Jahren hat sie sich mit der Stabilität von Hängen auf dem Meeresboden beschäftigt und für ihre Arbeit vor allem hydroakustische Daten und Sedimentkerne genutzt.
Mehr über ihre Forschung findet ihr unter https://www.geomar.de/jelger

Setting the system up is a big team effort that requires a large part of the cruise participants. In this picture from left to right: Lea Rodhe, Helene Hilbert, Johanna Klein, Judith Elger, Yousef Razeghi, Michel Kühn, Thies Bartels, Bettina Schramm, Florian Petersen and Henrike Timm (Foto: Jonas Liebsch)

Was ist das grundlegende Prinzip einer seismischen Messung?
Die Grundlage der seismischen Messungen, die ich betreue ist sozusagen das Echo. Wenn akustische Wellen an einer Grenzfläche auftreffen, an der sich physikalische Parameter ändern, wie beispielsweise die Materialdichte, dann wird ein Teil der Welle reflektiert und ein Teil dringt in das Material ein. Das ist vergleichbar mit einem Echo, wie man es selbst in einem Tunnel oder in den Bergen erzeugen kann. Da hört man auch das reflektierte Signal. Wir können mit dieser Methode sowohl den Meeresboden sehen (den Kontrast zwischen Wasser und oberster Bodenschicht) als auch Strukturen tiefer im Meeresboden .

Wie wird die seismische Messung auf dem Wasser umgesetzt?
In der Meeresgeophysik, also auf dem Forschungsschiff, nutzen wir als akustisches Signal einen Luftdruckimpuls. Der Luftpulser  wird hinter dem Schiff hergezogen und wird etwa 2 Meter unter der Wasseroberfläche gehalten. Aufgezeichnet wird das reflektierte Signal von Empfängern, die kann man sich wie Mikrofone vorstellen kann. Die Empfänger werden Streamern genannt und ebenfalls hinter dem Schiff hergezogen.

Wie kommen wir von 2D Seismik zu 3D Seismik?
Während der aktuellen SO277 Ausfahrt benutzen wir das Verfahren sowohl im 2D als auch im 3D Modus. Dabei bleibt das Prinzip das gleiche, es unterscheiden sich nur die Anordnung der Empfänger und die Verarbeitung der gemessenen Daten.

Bei einer 2D Messung sind die Empfänger in einer Reihe und bilden eine lange Kette hinter dem Schiff. Die Endresultate sind dann zwei dimensionalen Schnitte durch den Meeresboden. In etwa so, als würde man einen Marmorkuchen zerschneiden um das innere Muster zu sehen.

Bei der 3D Anordnung dagegen ziehen wir 16 kurze Empfängerketten nebeneinander her. Das Querkabel, an dem die einzelnen Ketten befestigt sind, sieht dann aus wie ein aufgespannter Bogen, der hinter dem Schiff gezogen wird (siehe Bild). Der Grundgedanke ist, dass unser Signal selbst auch dreidimensional ist, so wie eine Seifenblase. Die Verarbeitung der Daten wird dadurch etwas komplizierter. Dafür haben wir am Ende nicht nur einzelne Schnitte durch den Meeresboden, sondern können uns jeden beliebigen Schnitt innerhalb des vermessenen Bereichs anschauen. Im Falle des Marmorkuchens könnten wir uns im ganzen Kuchen anschauen, wie sich das Verhältnis von hellem und dunklen Teig ändert.

Was geht typischerweise schief?
Wie bei vielen Methoden in der Meeresforschung, sind wir vor allem auf gutes Wetter angewiesen. Das vereinfacht sehr viel. Prinzipiell ist es aber immer eine Herausforderung ein System aus Kabeln durchs Wasser zu ziehen. Da muss alles dicht sein, damit nirgends Wasser eindringt. Zusätzliche Probleme bereiten uns Schwimmkörper im Wasser; Netze und Bojen können sich im System verfangen und Schaden anrichten.
Wenn das Wetter gut ist, und sich nichts in unseren Geräten verfängt läuft aber meistens alles problemfrei.

Was hoffen wir vor Malta zu finden?
Das Ziel der OMAX Fahrt ist es, Frischwasser in Schichten vor der Küste Maltas zu finden. Physikalisch können wir das mit der seismischen Methode nicht schaffen. Unsere Aufgabe ist es die geologischen Strukturen vor der Küste zu vermessen. An Land ist es relativ einfach eine geologische Karte zu erstellen. Man kann sich den Boden anschauen und Gesteine und Strukturen bestimmen, oder ein Loch bohren und einen Kern entnehmen. Auf dem Meeresboden ist das komplizierter. Um abzuschätzen, wo wir Frischwasser erwarten können, ist die Geologie aber eine ganz wichtige Grundlage, die wir mit der Seismik liefern.

Thore Sager, carrying a seismic streamer with our “microphones” inside.
In the background Lea Rodhe, Johanna Klein, Judith Elger and Bettina Schramm (Foto: Jonas Liebsch)

Gegenwärtige Position: 36° 25,751′ N 002° 09,255′ E
Text und Fotografie: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz

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