Chris Zahm: Die Welt unter unseren Füßen verstehen und erforschen

Viele der wesentlichen Dinge unseres täglichen Lebens – vom Treibstoff, den wir in unsere Autos geben, bis hin zum Wasser, das wir trinken – kommen aus der Tiefe der Erde. Unsere Fähigkeit, diese Ressourcen zu finden und effektiv zu nutzen, basiert darauf, wie gut Geologen und andere Experten die Erdsysteme unter unseren Füßen verstehen. Der Forscher Chris Zahm vom Bureau of Economic Geology verwendet die neuesten Technologien, um Aufschlüsse oder Freilegungen von Gesteinen auf der Erdoberfläche zu untersuchen. Seine Arbeit hilft aufzuzeigen, wie sich Flüssigkeiten – wie Öl und Wasser – unter der Erde bewegen. Zahm sprach mit ForVM darüber, wie technologische Anwendungen wie LIDaR (Light Detection and Ranging oder Laser Imaging Detection and Ranging), UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) oderDrohnenrevolutionieren die Fähigkeit der Wissenschaftler, die Welt unter Tage zu verstehen und gleichzeitig auf sichere, praktische und effektive Weise nach natürlichen Ressourcen zu suchen.


UAV schwebt über dem exponierten Pleistozän-Riff auf West Caicos Island, bevor es auf die Aufnahmehöhe (50 m über dem Aufschluss) klettert. Das UAV wird manuell gestartet und dann durch eine Kombination aus manuellen und automatisierten Funksignalen gesteuert. Foto von Chris Zahm.

UAV schwebt über dem exponierten Pleistozän-Riff auf West Caicos Island in den Antillen vor dem Aufstieg auf die Aufnahmehöhe (50 m über dem Aufschluss). Das UAV wird manuell gestartet und dann durch eine Kombination aus manuellen und automatisierten Funksignalen gesteuert. Foto von Chris Zahm.

Du studierstAufschlüsseauf der Erdoberfläche. Warum sind sie für Geologen wichtig?


Aufschlüsse liefern oft die aufschlussreichsten aller geologischen Daten, die wir verwenden, um herauszufinden, was sich unter der Erde befindet. Sie geben einen Einblick in die räumlichen Zusammenhänge zwischen Schlüsselphänomenen im Untergrund. Wenn wir sie also verstehen, ermöglicht es eine verbesserte Charakterisierung und Gewinnung vieler der wichtigsten Bedürfnisse der Welt – zum Beispiel Grundwasser, Metallressourcen und Kohlenwasserstoffe [wie in Rohöl].

Geologen haben oft die Aufgabe, Vorhersagen darüber zu treffen, was bei der Erkundung des Erduntergrunds auf uns zukommen wird. Woher wissen wir, was sich darunter befindet?

Wir untersuchen den Untergrund durch BohrenBrunnenbohrungenum Dinge zu extrahieren – zum Beispiel Kohlenwasserstoffe oder Wasser. Oder wir injizieren Dinge, zum Beispiel CO2, in den Untergrund. Diese nahezu eindimensionalen Proben sind jedoch sehr begrenzt. Wenn Sie an einem bestimmten Ort Ressourcen für den menschlichen Bedarf gewinnen möchten, möchten Sie unbedingt mehr darüber wissen, was sich in diesem Bereich in drei Dimensionen unter der Erde befindet.

Schräger Blick in die Canyon Lake Gorge in der Nähe von San Antonio, Texas. Diese Ansicht hebt die Freilegung des Aufschlusses der Hidden Valley Fault hervor und demonstriert den Vorteil einer erhöhten Perspektive. Foto von Robert Youens, CameraWings für die BEG-RCRL-Forschungsgruppe.

Schräger Blick in die Canyon Lake Gorge in der Nähe von San Antonio, Texas. Diese Ansicht hebt die Freilegung des Aufschlusses der Hidden Valley Fault hervor und demonstriert den Vorteil einer erhöhten Perspektive. Foto von Robert Youens, CameraWings für die BEG-RCRL-Forschungsgruppe.




Können Sie uns ein Beispiel geben, warum Bohrlöcher nur eine eingeschränkte Sicht liefern?

Sicher. Ein typisches Ölfeld könnte in einem Erdvolumen von 150 Milliarden Kubikmetern enthalten sein. Das ist 5 Kilometer breit, 10 Kilometer lang und 3 Kilometer dick (die Fläche eines Viertels und dreimal tiefer als der Grand Canyon). Beim Bohren eines Brunnens können wir in 5-10% der Brunnen über eine begrenzte Mächtigkeit Gesteinskerne sammeln. Ein Ölfeld mit fünf Kernen mit einer durchschnittlichen Länge von 50 Metern und einem Durchmesser von 10 Zentimetern könnte typisch sein.

In diesem Fall würden die gesammelten Kerne etwa dreiein Millionsteldes zu charakterisierenden Gesamtvolumens. Aus diesem Bruchteil der Daten werden Geologen aufgefordert, die Eigenschaften der Gesteine ​​zu bestimmen, die den größten Einfluss auf unsere Fähigkeit haben, den Untergrund zu extrahieren oder in den Untergrund zu injizieren.

Hier können zutage tretende Gesteinsexponierungen so hilfreich sein. Sie sind das entscheidende Analogon, um vorherzusagen, welche Veränderungen unter Tage zu erwarten sind. Aufschlüsse ermöglichen es Geologen, die Variabilität des Untergrunds mit enormen Details zu kartieren und zu charakterisieren. Sie geben Einblick in kritische räumliche Beziehungen zwischen Schlüsselelementen. Wieso den? Weil die Aufschlüsse Analoga für Vorhersagen in ähnlichen Gesteinen im Untergrund sind. Diese Art von Analogie wird übrigens auch von Mars-Rovers verwendet, um festzustellen, ob die auf dem Mars fotografierten Merkmale mit geologischen Merkmalen auf der Erde übereinstimmen.


Kurz gesagt, Geologen wären in ihren Vorhersagefähigkeiten des Untergrunds stark eingeschränkt, wenn Aufschlüsse nicht im Detail untersucht würden.

Inzwischen haben sich unsere Werkzeuge und unsere Fähigkeit zur Charakterisierung von Aufschlüssen in den letzten 25 Jahren dramatisch weiterentwickelt, einschließlich der Verwendung von LIDaR (Light Detection and Ranging oder Laser Imaging Detection and Ranging) und unbemannten Luftfahrzeugen (UAV oderDrohnen).

Erzählen Sie uns von diesen neuen Tools. Warum brauchen wir sie?

Einige der ersten Geologen erkannten den Vorteil des Fliegens in Flugzeugen, um eine bessere Perspektive auf geologische Merkmale zu erhalten. Dies ist immer noch einer der Hauptvorteile der Luft- oder UAV-Technologie.


Geologen müssen ständig ihren eigenen Maßstab und ihr Gefühl für die räumlichen Beziehungen zwischen geologischen Objekten kalibrieren. Hochauflösende Fotografie undFührenbeide bieten passive Techniken zum Erfassen der räumlichen Anordnung wichtiger geologischer Merkmale.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler gelernt, aktive Fernerkundungstechniken wie die Hyperspektralfotografie zu verwenden, um die elementare Zusammensetzung von Aufschlüssen zu bestimmen, was bei der detaillierten Kartierung der Aufschlussaufnahmen weiter hilft.

Image credit: Chris Zahm

Vertikal nach unten gerichtete Ansicht von einem UAV, das sich 50 m über der Küste von West Caicos befindet. Diese Perspektive ist einzigartig für die Details der Küstenlinie und die in der Unterwasser-Bathymetrie abgebildeten Details, die die Auswirkungen von Brüchen im Riff und die Bildung einer Unterwasserrille darstellen . Foto von Robert Youens, CameraWings für die BEG-RCRL-Forschungsgruppe.

Diese Technologien schalten auch zuvor nicht charakterisierte Bereiche frei, die unsicher oder nicht richtig einsehbar waren.

Zum Beispiel hatten wir kürzlich Studenten, die aKarstMerkmal, das sich an der Seite einer 365 Meter hohen Klippe in Montana befand. Mit LIDaR und hochauflösender Fotografie entwickelten wir eines der umfassendsten Modelle dieses besonderen Karstmerkmals, das sich über 50 Kilometer freiliegender Geologie erstreckte.

Wenn die Leute das Wort hörenDrohnesie denken oft an Waffen. Wie werden Drohnen verwendet, um unterirdische Ressourcen zu verstehen und nach ihnen zu suchen?

Drohnen – besser bekannt als UAVs – werden so vielfältig eingesetzt, dass es schwierig ist, eine allgemeine Aussage zu treffen. Die USGS hat eineNationales Büro für unbemannte Flugzeugsystemeund listet Verwendungen wie Waldgesundheitszustand, Überwachung von Waldbränden, Erdbebenzonen, Vulkanen, Schneeschmelze, invasive Arten usw. auf.

Unsere Forschungsgruppe verwendet Drohnen für die Aufnahme hochauflösender Fotos, die für die detaillierte Kartierung großer, fast flacher Aufnahmen (manchmal auch als . bezeichnet) verwendet werdenBürgersteigevon Geologen), um Fotos von einem physikalisch unmöglichen Standpunkt aus aufzunehmen oder um die Aufnahme von Fotos an abgelegenen Orten zu beschleunigen.

Unsere aktuellen Projekte umfassen eine detaillierte Kartierung eines pleistozänen Karbonatriffs, das entlang einer 4,5 Kilometer langen Küstenlinie auf den Turks- und Caicosinseln freigelegt wurde [Anmerkung: im Allgemeinen zwischen den Bahamas und Haiti]. Anhand der Fotos können wir die Geologie mit einer viel höher aufgelösten Karte charakterisieren als frühere Wissenschaftler, die sich auf Vermessungskarten mit niedriger Auflösung verließen.

Darüber hinaus ermöglichte die vom UAV bereitgestellte vertikale Ansicht eine bessere Einschätzung der Ausdehnung der geologischen Merkmale, die in Aufschlüssen beobachtet wurden, während sie sich unter das klare karibische Wasser erstreckten. Wirklich unvergleichliche Fotos.

Drohnen, die während eines Testflugs über dem interessanten Aufschluss um die Teilnehmer der Exkursion herum starten. Foto von Chris Zahm.

Drohnen, die während eines Testflugs über dem interessanten Aufschluss um die Teilnehmer der Exkursion herum starten. Foto von Chris Zahm.

Wie wäre es mit LIDaR? Können Sie die Technik in Laiensprache beschreiben?

LIDaR (Light Detection and Ranging oder Laser Imaging Detection and Ranging) ist eine optische Fernerkundungstechnologie, ähnlich wie Radar oder Sonar, die funktioniert, indem das Ziel mit Laserlicht beleuchtet und das rückgestreute Licht analysiert wird. Eine aktive Quelle sendet einen Lichtstrahl oder Laser auf ein Objekt, das das Licht zurück zu einem Sensor reflektiert. Die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um zum und vom Objekt zu gelangen, ermöglicht es, die genaue Entfernung und Position zu kartieren. Es gibt zwei Hauptmethoden für die Erhebung von LIDaR-Daten. Zum einen werden bodengestützte oder terrestrische Systeme verwendet und zum anderen luftgestützte LIDaR-Systeme, die an Flugzeugen montiert werden.

Beide Systeme haben Vorteile, aber auch diese Technologie entwickelt sich rasant weiter. Ähnlich wie die Welle der Digitalkameras sucht die LIDaR-Technologie mit kleineren Geräten relativ schnell nach hochauflösenden Fotos. Wie bei UAVs ist es aufgrund der Schnelligkeit der Evolution kaum möglich, Aussagen zum Stand der Technik zu machen.

Aus Wiki: LIDaR (Light Detection and Ranging oder Laser Imaging Detection and Ranging) ist eine optische Fernerkundungstechnologie, die die Entfernung oder andere Eigenschaften von Zielen messen kann, indem sie das Ziel mit Laserlicht beleuchtet und das rückgestreute Licht analysiert.

Was ist hier das Endergebnis? Wie wird diese Forschung den Menschen helfen?

Fast alles, was wir täglich verwenden, hat etwas, das in einer Ressource der Erde gefunden wurde. Das ist wahr, egal ob es sich um das Wasser, das wir trinken, um die Autos, die wir fahren, um den Kraftstoff, den wir in die Autos gießen, um die Straßen, auf denen wir fahren, um Elektrizität, um alles Plastik handelt (denken Sie an die Menge an Plastik in einem Krankenhaus). All diese Dinge haben etwas von der Erde, oft aus unterirdischen Ressourcen.

Wie gut wir diese unterirdischen Ressourcen lokalisieren und ausbeuten können, hängt davon ab, wie gut wir die geologischen Systeme unseres Planeten kennen.

Dabei helfen Aufschlussaufnahmen. Sie sind oft die aufschlussreichsten aller geologischen Daten, die wir verwenden, um mehr über das geologische System zu erfahren. Welche Methoden wir auch immer anwenden können, um die Sicht auf die freigelegten geologischen Aufschlüsse zu verbessern, desto besser lernen wir das System kennen und desto besser wissen wir, wo diese Systeme an anderen Orten zu finden sind. Und das bedeutet mehr Ressourcen für die Menschen.