Inversion (Geophysik)

Als Inversion oder inverse Modellierung bezeichnet man in der Geophysik Rechenprozesse, die durch die Lösung inverser Probleme aus gemessenen Daten ein geologisches Modell erzeugen.[1][2]

Inversion geoelektrischer Daten. In (a) sieht man ein erzeugtes "wahres" Modell, dessen synthetische Messdaten zum Vergleich in verschiedene Inversions-Programme gegeben wurden: (b) pyGIMLi, (c) BERT, (d) ResIPy und (e) SimPEG

Für gewöhnlich wird von einem angenommenen oder durch grobe Abschätzung gewonnenen Startmodell ausgegangen, welches so lange systematisch variiert wird, bis die Daten, die das Modell erzeugen würde, den Werten der Messung ausreichend ähneln.[2]

Bei vielen geophysikalischen Verfahren ist die Inversion nicht eindeutig, sondern eine Vielzahl von Modellen kann die Messdaten zufriedenstellend erklären. Um möglich realistische Modellierungen zu finden, wird häufig auf einschränkende Informationen (constrains) aus anderen Datenerhebungen zurückgegriffen oder es werden sogar unterschiedliche Messungen gemeinsam invertiert (joint inversion).[1]

Hintergrund

Das typische Szenario einer geophysikalischen Messung besteht zunächst darin, die physikalische Eigenschaft zu identifizieren, die für die gesuchte geologische Struktur oder das zu untersuchende Objekt diagnostisch ist, z. B. Dichte, seismische Geschwindigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Suszeptibilität. Dann wird die entsprechende geophysikalische Untersuchung geplant und die Felddaten werden erfasst und aufgezeichnet. In einigen Fällen können die für die Lösung des Problems erforderlichen Informationen direkt aus diesen Plots gewonnen werden, wie z. B. die Existenz einer Anomalie (z. B. Störkörper) und dessen horizontale Lage. Um aber Karten zu erstellen, welche die Tiefe und Form eines Körpers oder einer Struktur erfassen, muss bei den meisten geophysikalischen Methoden mit Inversion gearbeitet werden.[3]

Anwendungsbereiche

Die geophysikalische Erkundung zeigt methodenübergreifend eine starke Abhängigkeit von Inversionsrechnungen. Dies liegt in der Natur des Untersuchungsrahmens, von Beobachtungen an der Erdoberfläche auf innere Strukturen, Prozesse oder Parameter, rückzuschließen. Daher werden geophysikalische Untersuchungen in der Regel kombiniert oder interdisziplinär ergänzt, um der inversionsbedingten Mehrdeutigkeit entgegenzuwirken.

Gravimetrie und Geomagnetik

Bei einigen Anwendungen der Potentialtheorie, insbesondere dem Magnetfeld und Schwerefeld, treten ähnliche Mehrdeutigkeitsprobleme bei dem Rückschluss von Kraftfeldern auf die verursachenden Quellpunkte auf.

Seismik und Seismologie

Seismik und Seismologie gehören zu den fundamentalsten Methoden, um die Struktur des Untergrundes bzw. Erdinneren zu erkunden. Beide Disziplinen arbeiten dabei nur mit den Auslenkungen, die Aufnehmer (Geophone, Hydrophone) an der Erdoberfläche erfahren (siehe Seismogramm) und sind dementsprechend stark inversionsbasiert.

Geoelektrik

Die elektrischen und elektromagnetischen Methoden basieren auf Widerstandsmessungen zwischen Punkten der Oberfläche. Diese werden ebenfalls zur indirekten Strukturerkundung in die Tiefe genutzt und arbeiten daher bei der Lokalisierung der Verteilungen des Widerstandes im Untergrund inversionsbasiert.

Georadar

Ähnlich der Seismik werden beim Georadar die durch Reflexion an die Oberfläche wiederkehrenden Radarwellen ausgewertet. Die Zuordnung von Reflexionen und Brechungen der elektromagnetischen Wellen auf Strukturen unterschiedlicher Tiefe ist inversionsbasiert.

Joint inversion

Um Modelle zu entwickeln, die verschiedene Parameter oder gegebenenfalls auch unterschiedliche Skalen erfassen, ist es sinnvoll, Messdaten unterschiedlicher geophysikalischer Verfahren zu kombinieren. Am konsequentesten erfolgt dies in einer joint inversion, bei der alle Daten in einen gemeinsamen Inversionsprozess eingespeist und das Modell zwei oder mehr Datensätze mit unterschiedlichen Zielparametern, Empfindlichkeiten und Auflösungen abbilden muss.[1][4]

Einzelnachweise
  1. Inversion (Geophysik). In: Lexikon der Geothermie. Bundesverband Geothermie, abgerufen am 24. Januar 2023.
  2. Inversion. In: Lexikon der Geowissenschaften. Spektrum, abgerufen am 24. Januar 2023.
  3. Near-Surface Geophysics. Society of Exploration Geophysicists, 2005, ISBN 978-1-56080-130-6, 5. Inversion for Applied Geophysics: A Tutorial, doi:10.1190/1.9781560801719.ch5 (seg.org [abgerufen am 25. Januar 2023]).
  4. Joint Inversion. In: GEOMAR. Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, abgerufen am 24. Januar 2023 (amerikanisches Englisch).
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