Seafloor deformation and point convergence of and between two CORK monuments off Nicoya Peninsula, Costa Rica
Final Report Abstract
Das Ziel des Antrages war es, Deformationen (Hebungen, Senkungen und Neigung) des Meeresbodens an der mittelamerikanischen Subduktionszone vor Nicoya, Costa Rica, zu messen. Zwei CORKs, die während ODP-Leg 205 installiert wurden, sollten als Meeresboden-Referenzpunkte benutzt und mit hochauflösenden und modernsten Sensoren zur Beobachtung der Bewegung ausgerüstet werden. Als Sensoren waren ein Drucksensor mit 0.7 mm Auflösung zur Messung der Wassertiefe und ein selbst-horizontierender zweiachsiger Neigungsmesser mit einer sehr hohen Auflösung von 5 nrad vorgesehen. Hochauflösende begleitende Temperaturmessungen sollten der Kontrolle der Umwelteinflüsse dienen. Das Projekt ist insgesamt nicht so abgearbeitet worden wie ursprünglich geplant. Dies hing vor allem damit zusammen, dass die Installation unserer Geräte an den CORKs vor Costa Rica nicht wie ursprünglich geplant realisiert werden konnte. Alternative Pläne mit japanischen Kollegen zur Installation der Sensorik an CORKs im NanTroSeize-Projekt konnten nicht realisiert werden, da die geplanten CORKs nicht installiert wurden und im übrigen bis heute nicht installiert sind. Die geplanten Arbeiten wurden daher umstrukturiert; in einer ersten Phase wurden vorhandene Langzeitmessungen von Paroscientific Drucksensoren (insgesamt 118 Datensätze) im Hinblick auf ihren in situ Rauschpegel und die Langzeitdrift untersucht. Der in situ Rauschpegel und damit die effektive Auflösung der Drucksensoren liegt bei den am Meeresboden installierten Geräten bei 20 Pa (entspricht einer Höhenänderung der Wassersäule um 2 mm), während sich die Sensoren an den CORKs durch einen etwa sechsfach höheren Rauschpegel auszeichnen. Die mittlere Driftrate aller untersuchter Sensoren liegt bei (0.88 ± 0.73) kPa/a. Wiederholte Einsätze von Sensoren zeigen, dass die Driftrate keine sensorspezifische Größe ist sondern sich von Einsatz zu Einsatz ädern kann, ja sogar das Vorzeichen wechseln kann. Eine Möglichkeit, die Sensordrift im Labor zu bestimmen, gibt es bislang nicht. Daher sind diese Sensoren trotz ihrer hohen Auflösung aufgrund ihrer nicht vorhersagbaren Drift nicht für kontinuierliche Messungen von Hebungen oder Senkungen am Meeresboden geeignet. Daher konzentrierten wir uns in der zweiten Projektphase auf die Frage, durch welche geschickte Versuchsanordnung man es erreichen könnte, die Drift von Drucksensoren in situ zu bestimmen. Im Rahmen des Projektes wurde ein Konzept entwickelt, wie man durch Differenzdruckmessungen - Druckdifferenz zwischen Umgebung und dem Druck in einer Referenzkammer, in der zu einem bestimmten Zeitpunkt der externe Druck eingefroren wurde - und einer Kalibrierung (Nullabgleich) des Differenzdrucksensors zu Beginn und am Ende des Messintervalls die Drift des Differenzdrucksensors in den Griff bekommen kann. Problematisch sind die Druckänderungen in der Referenzkammer, die im wesentlichen durch Temperaturänderungen des Bodenwassers verursacht werden. Abhilfe könnte hier eine spezielle Konstruktion der Referenzkammer sorgen, bei der man die Kammer mit einem Material mit negativem Volumenausdehnungskoeffizienten fällt und die Kammer aus einem Material baut, das in etwa denselben Volumenausdehnungskoeffizienten wie Wasser hat. Modellrechnungen zeigen, dass man die Druckänderungen in der Referenzkammer, hervorgerufen durch externe Temperaturänderungen, auf einen Betrag reduzieren kann, der unterhalb der effektiven Auflösung des Sensors liegt. Labortests dieser Konstruktion konnten aus Zeitgr¨nden nicht zu einem befriedigenden Abschluss gebracht werden. Trotz dieser signifikanten Anderungen der Projektpläne sind wir durch die Untersuchungen ein erhebliches Stück weitergekommen, da wir jetzt, zumindest im Labormaßstab ein Konzept haben, wie wir die Drift von Differenzdrucksensoren in den Griff bekommen können. Damit wären wir dann in der Lage, absolute Hebungen oder Senkungen bei Messzeiten von einem bis zu mehreren Jahren quantifizieren zu können.
Publications
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2009. Effective resolution and drift of Paroscientific pressure sensors derived from long-term seafloor measurements. Geochemistry, Geophysics, Geosystems (G3), 10, Q08008
Polster, A., Fabian, M. und Villinger, H.
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(2011). Voruntersuchungen für geplante Langzeitbeobachtungen des Drucks am Meeresboden: Sensoranalyse, Datenanalyse und Planung des Messprinzips. Dissertation, Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen
A. Polster
