The seismic structure (Vp, Vp/Vs, and Qp anomalies) contributes to the physical properties and the lithology of rocks and possible fluid distribution in the region. The Vp model images the geometry of the Tarutung and the Sarulla basins. Both basins have a depth of around 2.0 km. High Vp/Vs and high attenuation (low Qp) anomalies are observed along the Sarulla graben associated with a weak zone caused by volcanic activities along the graben. Low Vp/Vs and low conductivity anomalies are found in the west of the Tarutung basin. This anomaly is interpreted as dry, compact, and rigid granitic rock in the region as also found by geological observations. Low Vp, high Vp/Vs and low Qp anomalies are found at the east of the Tarutung basin which appear to be associated with the three big geothermal manifestations in Sipoholon, Hutabarat, and Panabungan area. These anomalies are connected with high Vp/Vs and low Qp anomalies below the Tarutung basin at depth of around 3 - 10 km. This suggests that these geothermal manifestations are fed by the same source of the hot fluid below the Tarutung basin. The hot fluids from below the Tarutung basin propagate to the more dilatational and more permeable zone in the northeast. Granite found in the west of the Tarutung basin could also be abundant underneath the basin at a certain depth so that it prevents the hot fluid to be transported directly to the Tarutung basin. High seismic attenuation and low Vp/Vs anomalies are found in the southwest of the Tarutung basin below the Martimbang volcano. These anomalies are associated with hot rock below the volcano without or with less amount of partial melting. There is no indication that the volcano controls the geothermal system around the Tarutung basin. The geothermal resources around the Tarutung basin is a fault-controlled system as a result of deep circulation of fluids. Outside of the basin, the seismicity delineation and the focal mechanism correlate with the shape and the characteristics of the strike-slip Sumatran fault. Within the Tarutung basin, the seismicity is distributed more broadly which coincides with the margin of the basin. An extensional duplex system in the Tarutung basin is derived from the seismicity and focal mechanism analysis which is also consistent with the geological observations. The vertical distribution of the seismicity suggests the presence of a negative flower structure within the Tarutung basin. / Indonesien zählt zu den weltweit führenden Ländern bei der Nutzung von geothermischer Energie. Die geothermischen Energiequellen sind im Wesentlichen an den aktiven Vulkanismus gebunden, der durch die Prozesse an der indonesischen Subduktionszone verursacht wird. Darüber hinaus sind geotektonische Strukturen wie beispielsweise die Sumatra-Störung als verstärkende Faktoren für das geothermische Potenzial von Bedeutung. Bei der geophysikalischen Erkundung der indonesischen Geothermie-Ressourcen konzentrierte man sich bisher vor allem auf die Magnetotellurik. Passive Seismologie wurde dahingegen ausschließlich für die Überwachung von im Betrieb befindlichen Geothermie-Anlagen verwendet. Jüngste Untersuchungungen z.B. in Island und in den USA haben jedoch gezeigt, dass seismologische Verfahren bereits in der Erkundungsphase wichtige Informationen zu den physikalischen Eigenschaften, zum Spannungsfeld und zu möglichen Fluid- und Wärmetransportwegen liefern können. In der vorgelegten Doktorarbeit werden verschiedene moderne Methoden der passiven Seismologie verwendet, um beispielhaft ein neues, von der indonesischen Regierung für zukünftige geothermische Energiegewinnung ausgewiesenes Gebiet im nördlichen Teil Sumatras (Indonesien) zu erkunden. Die konkreten Ziele der Untersuchungen umfassten (1) die Ableitung von 3D Strukturmodellen der P- und S-Wellen Geschwindigkeiten (Parameter Vp und Vs), (2) die Bestimmung der Absorptionseigenschaften (Parameter Qp), und (3) die Kartierung und Charakterisierung von Störungssystemen auf der Grundlage der Seismizitätsverteilung und der Herdflächenlösungen. Für diese Zwecke habe ich zusammen mit Kollegen ein seismologisches Netzwerk in Tarutung (Sumatra) aufgebaut und über einen Zeitraum von 10 Monaten (Mai 2011 – Februar 2012) betrieben. Insgesamt wurden hierbei 42 Stationen (jeweils ausgestattet mit EDL-Datenlogger, 3-Komponenten, 1 Hz Seismometer) über eine Fläche von etwa 35 x 35 km verteilt. Mit dem Netzwerk wurden im gesamten Zeitraum 2568 lokale Erdbeben registriert. Die integrierte Betrachtung der Ergebnisse aus den verschiedenen Teilstudien (Tomographie, Erdbebenverteilung) erlaubt neue Einblicke in die generelle geologische Stukturierung sowie eine Eingrenzung von Bereichen mit einem erhöhten geothermischen Potenzial. Das tomographische Vp-Modell ermöglicht eine Bestimmung der Geometrie von Sedimentbecken entlang der Sumatra-Störung. Für die Geothermie besonders interessant ist der Bereich nordwestlich des Tarutung-Beckens. Die dort abgebildeten Anomalien (erhöhtes Vp/Vs, geringes Qp) habe ich als mögliche Aufstiegswege von warmen Fluiden interpretiert. Die scheinbar asymetrische Verteilung der Anomalien wird hierbei im Zusammenhang mit der Seismizitätsverteilung, der Geometrie der Beben-Bruchflächen, sowie struktur-geologischen Modellvorstellungen diskutiert. Damit werden wesentliche Informationen für die Planung einer zukünftigen geothermischen Anlage bereitgestellt.

Black shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used for comparative purposes. The seismic field data was analyzed with traveltime tomography, surface wave inversion and seismic interferometry to obtain the P-wave and S-wave velocity models of the subsurface. The P-wave velocity models which were determined for all three profiles clearly locate the Alum Shale layer between the Komstad Limestone layer on top and the Læså Sandstone Formation at the base of the models. The black shale layer has P-wave velocities around 3 km/s which are lower compared to the adjacent formations. Due to a very good agreement of the sonic log and the vertical velocity profiles of the two seismic lines, which are directly crossing the borehole where the sonic log was conducted, the reliability of the traveltime tomography is proven. A correlation of the seismic velocities with the content of organic carbon is an important task for the characterization of the reservoir properties of a black shale formation. It is not possible without calibration but in combination with a full 2D tomographic image of the subsurface it gives the subsurface distribution of the organic material. The S-wave model obtained with surface wave inversion of the vibroseis data of one of the profiles images the Alum Shale layer also very well with S-wave velocities around 2 km/s. Although individual 1D velocity models for each of the source positions were determined, the subsurface S-wave velocity distribution is very uniform with a good match between the single models. A really new approach described here is the application of seismic interferometry to a really small study area and a quite short time interval. Also new is the selective procedure of only using time windows with the best crosscorrelation signals to achieve the final interferograms. Due to the small scale of the interferometry even P-wave signals can be observed in the final crosscorrelations. In the laboratory measurements the seismic body waves were recorded for different pressure and temperature stages. Therefore, samples of different depths of the Alum Shale were available from one of the scientific boreholes at the study location. The measured velocities have a high variance with changing pressure or temperature. Recordings with wave propagation both parallel and perpendicular to the bedding of the samples reveal a great amount of anisotropy for the P-wave velocity, whereas the S-wave velocity is almost independent of the wave direction. The calculated velocity ratio is also highly anisotropic with very low values for the perpendicular samples and very high values for the parallel ones. Interestingly, the laboratory velocities of the perpendicular samples are comparable to the velocities of the field experiments indicating that the field measurements are sensitive to wave propagation in vertical direction. The velocity ratio is also calculated with the P-wave and S-wave velocity models of the field experiments. Again, the Alum Shale can be clearly separated from the adjacent formations because it shows overall very low vP/vS ratios around 1.4. The very low velocity ratio indicates the content of gas in the black shale formation. With the combination of all the different methods described here, a comprehensive interpretation of the seismic response of the black shale layer can be made and the hydrocarbon source rock potential can be estimated. / Schwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen an Bohrkernen aus dem Alaunschiefer durchgeführt. Die seismischen Messprofile befanden sich so nah wie möglich an zwei wissenschaftlichen Bohrungen, die für Vergleichszwecke genutzt wurden. Um die P- und S-Wellengeschwindigkeitsmodelle des Untergrundes zu erhalten wurden die seismischen Felddaten mittels Laufzeittomographie, Oberflächenwelleninversion und seismischer Interferometrie ausgewertet. Die P-Wellenmodelle, die für alle drei seismischen Profile erstellt wurden, zeigen den Alaunschiefer zwischen dem Komstad Kalkstein, der den Alaunschiefer überdeckt, und der Læså Sandsteinformation, die die Basis der Modelle bildet. Für die Schwarzschieferschicht ergeben sich mit rund 3 km/s deutlich geringere P-Wellengeschwindigkeiten als für die umgebenden Gesteine. Zwei seismische Profile liegen direkt an einer der Bohrungen, für die verschiedene Bohrloch-Logs durchgeführt wurden. Der Vergleich des Sonic-Logs mit den vertikalen Geschwindigkeitsprofilen beider Modelle am Bohrpunkt zeigt eine sehr gute übereinstimmung aller Geschwindigkeiten. Dies ist ein Indiz für die Plausibilität der durchgeführten Laufzeittomographie. Um die Reservoireigenschaften der Schwarzschieferschicht einordnen zu können, wurde versucht, die seismischen Geschwindigkeiten mit dem Gehalt an organischem Material zu korrelieren. Ohne geeignete Kalibrierung ist diese Korrelation schwierig, kann aber mit Hilfe der Tomographieergebnisse ein zweidimensionales Abbild der Verteilung des organischen Materials im Untergrund liefern. Auch das S-Wellengeschwindigkeitsmodell, welches mit der Oberflächenwelleninversion der Vibroseisdaten erstellt wurde, bildet den Alaunschiefer gut ab. Hierbei zeigen sich S-Wellengeschwindigkeiten um 2 km/s. Obwohl jeweils nur 1D-Modelle für jede Quellposition bestimmt wurden, ergibt sich für die gesamte Untergrundstruktur des untersuchten Profils ein einheitliches Bild der Geschwindigkeiten. Einen sehr neuen Ansatz bildet die Anwendung der seismischen Interferometrie auf ein sehr kleines Untersuchungsgebiet und über einen sehr kurzen Zeitraum. Neu ist außerdem, dass für die Bestimmung der endgültigen Interferogramme nur Zeitfenster der Kreuzkorrelationen ausgewählt werden, in denen die Signalqualität hinreichend gut ist. In den berechneten Kreuzkorrelationen sind sogar P-Wellen enthalten, was auf die geringen Abstände der seismischen Rekorder zurück zu führen ist. Bei den Labormessungen wurden die Raumwellen für verschiedene Drücke und Temperaturen aufgezeichnet. Die Messungen der Geschwindigkeiten sowohl parallel als auch senkrecht zur Schichtung der Proben zeigen eine starke Anisotropie für die P-Welle. Dagegen scheint die S-Wellengeschwindigkeit fast unabhängig von der Ausbreitungsrichtung der Wellen zu sein. Auch das Verhältnis der Geschwindigkeiten weist starke Anisotropie auf. Für die Wellenausbreitung senkrecht zur Schichtung zeigen sich sehr niedrige Werte, die Werte für die Messungen parallel zur Schichtung sind dagegen deutlich erhöht. Ein interessanter Aspekt der aus den Labormessungen resultiert ist, dass die Geschwindigkeit der Messungen senkrecht zur Schichtung mit den Geschwindigkeitswerten der Feldmessungen übereinstimmen. Damit scheinen die Feldmessungen besonders die Ausbreitung der Wellen in vertikaler Richtung zu registrieren. Das Geschwindigkeitsverhältnis wurde auch mit den P- und S-Wellenmodellen der Feldexperimente berechnet. Auch hier hebt sich der Alaunschiefer mit deutlich verringerten Werten um 1.4 vom Umgebungsgestein ab. Solch geringe Werte für das Verhältnis der Geschwindigkeiten deutet auf den Gehalt von Gas im Schwarzschiefer. Mit der Kombination der verschiedenen Methoden ist es möglich, die seismische Antwort der Schwarzschieferschicht umfassend zu beschreiben und Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, ob die hier untersuchte Schwarzschieferschicht das Potenzial hat als Kohlenwasserstofflagerstätte zu fungieren.