»Ist da was? Was ist da?« Dank klassischer Verfahren der Reflexionsseismik können Geophysiker in den Erduntergrund hinein-»hören«. Mithilfe des Echos ihrer Signale ermitteln sie Lage und Art von Gesteinsschichten. Bei der Berechnung gehen allerdings auch Daten verloren, die für weitergehende Analysen genutzt werden könnten. Eine neue, hocheffiziente Rechenmethode ermöglicht nun erstmals eine verlustfreie Datenmigration. Sie ermöglicht es den Geologen erheblich zuverlässiger abschätzen, ob z.B. die Poren einer geologischen Schicht mit Öl oder Gas gefüllt sind – oder doch nur mit Wasser.

Das Ausgangsverfahren ist bewährt: Vibrotrucks oder Spezialschiffe erzeugen auf der Erd- oder Wasseroberfläche Druckwellen, die sich bis in Tausende Meter Tiefe im Untergrund ausbreiten. Von den verschiedenen geologischen Schichten werden sie auf ihrem Weg stärker oder schwächer reflektiert. Viele, an der Oberfläche räumlich verteilt positionierte Empfänger (Geophone an Land oder Hydrophone im Wasser) fangen die zurückkehrenden Druckwellen auf. Anhand von Stärke, Winkel und Laufzeit der einzelnen Signale lässt sich schließlich ermitteln, wie der Untergrund geologisch aufgebaut ist. Von den Rohdaten bis zur Visualisierung der Strukturen im Untergrund ist es allerdings ein weiter Weg. Grund dafür ist nicht nur die Fläche des Untersuchungsgebiets.

Die Suche nach Bodenschätzen etwa erstreckt sich in der Regel auf Tausende Kubikkilometer. Für aussagekräftige Analysen muss dieses Gebiet aber auf wenige Meter genau dargestellt werden. Außerdem ist auch der Umfang der gewonnenen Daten und der damit verbundene Aufwand für wissenschaftlich exakte Berechnungen sehr groß: Die mithilfe der Reflexionsseismik erfassten Rohdaten umfassen Messwerte, die jeden Untergrundpunkt  mehrfach überdecken. Allein die originären »PreStack-Daten« der erfassten Messpunkte bewegen sich üblicherweise in der Größenordnung von mehreren Terabytes. Und jeder dieser Punkte erfordert eine Berechnung von fünf Dimensionen: die X- und Y-Koordinaten des Signalsenders gehören ebenso dazu wie die beiden Koordinaten des Signalempfängers und der Aufzeichnungszeit.

Berechenbarkeit versus Aussagekraft

Eine sinnvolle Interpretation dieser Rohdaten ist erst nach einer mehrstufigen Datenbearbeitung möglich. Wichtiges Instrument dabei ist die seismische Migration (»seismisches Imaging«). »Dieses Verfahren sortiert die vorverarbeiteten PreStack-Daten so um, dass das Ergebnis die Lage der Schichtgrenzen und Gesteinsstrukturen des Untergrunds zeigt«, erklärt Dr. Norman Ettrich vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Die Methoden, die bisher dafür eingesetzt wurden, konnten diese Aufgabe zwar mit einem »akzeptablen« Aufwand an Rechenleistung und Rechenzeit erfüllen und mit hoher Genauigkeit den Schichtenaufbau und die Gesteinsstrukturen visualisieren. Dennoch hatten sie einen entscheidenden Nachteil: um Rechenzeit zu sparen, mussten Abstraktionen in Kauf genommen werden, so dass die Ergebnisse keine konkreten Informationen zur Stärke der Reflexion an den einzelnen Punkten mehr enthalten. »Diese Amplituden-Werte sind jedoch eine wichtige Zusatzinformation für weitergehende Detailanalysen«, betont Ettrich. Denn nur mit diesen Daten ist es unter anderem möglich, in nachgeschalteten Auswertungsschritten näher abzuschätzen, ob die Poren einer Gesteinsschicht nur mit Wasser gefüllt sind - oder auf eine Lagerstätte für Öl oder Gas hindeuten.

Hochleistungsrechnen für verlustfreie Datenmigration

In Kooperation mit dem norwegischen Öl- und Gaskonzern Statoil ist es den Forschern des Fraunhofer ITWM gelungen, die Rohdaten der Geophysiker in eine hochgenaue Abbildung des Untersuchungsgebietes zu überführen und dabei für jeden Untergrundpunkt auch die gemessene Reflexionsstärke anzugeben.

Die Hürden, die sie dabei überwinden mussten, waren allerdings hoch: Für die Berechnung jedes der Milliarden von einzelnen Untergrundpunkten ist es notwendig, die gesamten Daten des mehrere Terabyte großen Rohdatensatzes mit einzukalkulieren. In einem herkömmlichen Computercluster wären damit die Rechner zu einem erheblichen Teil ihrer Leistung nur damit beschäftigt, die Daten einzulesen, bereitzustellen und wieder abzulegen. Wesentlich effizienter arbeitet dagegen die von den Forschern nun genutzte neue Migrationsmethode SF GRT. Sie basiert auf Erfahrungen aus dem High Performance Computing (HPC) und verwendet die am Fraunhofer ITWM entwickelte Parallelisierungsbibliothek GPI. Frei nach dem Prinzip »die koordinierte Rechenleistung vieler ist höher als die eines einzelnen, leistungsstarken Computers« lässt sich eine große Zahl einzelner Rechner zu einem besonders leistungsfähigen Cluster verknüpfen.

Die Forscher können so die gesamten »PreStack-Daten«  gleichzeitig in die Arbeitsspeicher der Clusterrechner laden. »Jeder einzelne Rechner kann mit unserer Methode direkt auf den gesamten Datensatz zugreifen und mit der vollen Leistung seines  Prozessors Berechnungen durchführen«, betont Ettrich. Zudem sei das Management der Zusammenarbeit zwischen den Rechenknoten des Clusters so organisiert, dass jeder Rechner auf die anderen Arbeitsspeicher zugreifen kann, ohne dass dafür deren Mitarbeit notwendig ist. »Es geht keine CPU-Zeit für administrative Aufgaben mehr verloren«, sagt Ettrich. Da also jeder Rechner parallel mit voller Arbeitsgeschwindigkeit an seiner eigenen Aufgabe rechnen kann, ist nun eine verlustfreie Datenmigration und somit die Erzeugung von Abbildungen des Erduntergrundes auch von sehr umfangreichen Datensätzen mit einem vertretbaren Aufwand an Recheninfrastruktur und Rechenzeit möglich. Durch die Interpretation derartiger Ergebnisse werden Bohrungen nach Erdöl in der Zukunft erfolgreicher sein. (stw)

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