DE19510114A1 - Einrichtung zum Messen magnetischer Remanenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für magnetometrische Untersuchungen in Geologie, Archäologie und Bodenkunde sowie in der Klima-, Meeres- und Umweltforschung.

Bei derartigen Untersuchungen werden an Hand von Messungen der magnetischen Remanenz im Untersuchungsmaterial (Gestein, Sedimente, Böden, Eis usw.), die auf Anteile spezifischer Eisenminerale und deren aktuellen Zustand zurückzuführen ist, spezifische Parameter erfaßt, die Erkenntnisse z. B. über Ausgangsgesteine, Umweltbedingungen und Verwitterungsabläufe sowie über Sedimentationsprozesse und Transportmechanismen vermitteln.

An die Magnetometer werden hohe Anforderungen gestellt. Die niedrigen Magnetisierungswerte des Untersuchungsmaterials und die Notwendigkeit, sie - punktuell wie auch in ihrem räumlichen Verlauf - mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, machen eine extreme Empfindlichkeit und eine hohe räumliche Auflösung bei den Messungen zu den wesentlichen Kriterien. An einem Beispiel wird dies deutlich: Bei künstlicher Volumenmagnetisierung von Gesteinen werden 10 bis 10 000 mA/m erreicht; ihre natürliche Magnetisierung liegt bei 0,01 bis maximal 100 mA/M. Dagegen sind in der Industrie Werte zwischen 1 und 1000 kA/m üblich.

Für Messungen an stärkermagnetischen Sedimenten haben sich sog. Spinner-Magnetometer (üblicherweise Saturationskern- Magnetometer mit rotierender Probe und Signalstapelung) durchgesetzt.

Für schwachmagnetische Sedimente werden Dreikomponenten- SQUID-Magnetometer mit Helium-Kühlung verwendet. Sie zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit, aber auch durch hohe System- und Betriebskosten aus und sind und wegen ihrer Komplexität fast ausnahmslos auf den stationären Laboreinsatz beschränkt.

Beide Gerätetypen sind technisch weitgehend ausgereift und im Handel erhältlich. In den letzten Jahren wurden auf dieser Basis wiederholt auch Anlagen für Ganzkernmessungen konzipiert. Bei der Ganzkernmessung werden die Gesteins- und Sedimentkerne durch eine ringförmige Anordnung mehrerer Sensoren geschoben und, über den Kernquerschnitt integrierend, mit einer räumlichen Auflösung bis hinunter zu 2 bis 3 cm vermessen. In ähnlicher Weise werden künstliche Labormagnetisierungen (zur Messung der isothermalen rema­ nenten und der anhysteretischen Magnetisierung) aufgeprägt: Der Kern wird vor der Messung axial durch ortsfeste eisenfreie Feldspulen (Solenoide) bewegt.

Zum bekannten Stand der Technik zählen des weiteren Vibrationsmagnetometer. Sie werden überwiegend für Hysterese- Untersuchungen an Einzelproben verwendet, genügen jedoch vielfach nicht den mit Messungen an schwachmagnetischen Sedimenten verbundenen Anforderungen.

Speziell in der prospektierenden Archäomagnetik werden für Geländemessungen im Erdmagnetfeld Protonen-Präzisions- Magnetometer und Cäsium-Absorptionszellen-Magnetometer in Gradientenanordnung eingesetzt. Bei ihnen beträgt die Ortsauflösung im Minimum etwa 50 cm.

Die hier beschriebenen Methoden und Anordnungen sind sämtlich wenig geeignet, die in natürlichen Substraten vorhandenen Informationen mit den Mitteln der Magnetometrie ausreichend detailliert zu erfassen, um sie der Forschung zugänglich zu machen.

Ein Ziel dieser Forschung ist die Aufstellung wissen­ schaftlich verwertbarer Materialkurven (Erwerbskurven der isothermalen und anhysteretischen magnetischen Remanenz, Gleichfeld- und Wechselfeld-Entmagnetisierungskurven) durch eine geeignete Oberflächenmagnetisierung und durch deren magnetische Vermessung mit hoher Auflösung.

Die räumliche und zeitliche Auflösung sedimentmagnetischer Messungen wird bisher entscheidend durch den möglichen Probennahme-Abstand begrenzt. Untersuchungen mit einem Meßpunktabstand unter 1 cm und Flächenanalysen an Kernhälften und an Sediment- und Bodenprofilen sind äußerst zeit- und kostenaufwendig und deshalb gegenwärtig trotz der interessanten Perspektiven praktisch nicht zu realisieren. Da der übliche Untersuchungsprozeß auf einem schrittweisen Auf- und Entmagnetisieren von Einzelproben in unterschiedlich starken magnetischen Gleich- und bzw. oder Wechselfeldern basiert, besteht ein erheblicher Teil des gesamten Arbeits­ aufwands (etwa 1 Stunde je Probe) darin, die Proben zwischen dem Auf- und dem Entmagnetisierungssystem und dem Magnetometer hin und her zu transportieren.

Des weiteren ist die räumliche Auflösung der Messungen durch die Probenabmesssungen begrenzt. Man geht bis heute davon aus, daß zur Magnetisierung des Probenmaterials homogene Magnetfelder (erzeugt durch Helmholtz-Spulen, gepulste Solenoide oder durch Elektromagnete) sowie zum Messen der magnetischen Remanenz räumlich integrierende magnetische Sensoranordnungen und eine Abschirmung erforderlich sind (Messung des Dipol-Anteils des Proben-B- Feldes unter Abschirmung des Umgebungsfelds). Dies hat zur Folge, daß das zu untersuchende Material in den homogenen Bereich der Magnetisierungs- wie auch der Meßeinheit gebracht werden muß. Daraus können sich ganz einfach Platzprobleme ergeben, die sich negativ auf den Meßvorgang, den Feldbereich und die örtliche Auflösung auswirken.

Es wurde schon erwähnt, daß die Sedimentkerne wie die Einzel­ proben zur Remanenzmessung zwischen der Magnetisierungs- und der Meßeinheit hin und her bewegt werden müssen. So sind speziell für Untersuchungen vollständiger Bohrkerne, durch den notwendigen Verbund der Module und durch Transport­ vorrichtungen, große und kostenaufwendige stationäre Anlagen mit aufwendiger Abschirmung nicht zu umgehen. Die Kerne in Einzelproben zu zerlegen, wäre zu arbeitsintensiv und ist bei wertvollem Material nicht zulässig, weil in aller Regel weitere Untersuchungen vorgenommen werden, für die der Kern im Ursprungszustand vorliegen muß.

Ebenso sind gegenwärtig in-situ-Messungen künstlich erzeugter magnetischer Remanenz an Sedimenten, Böden und an archäo­ logischen Objekten aus Gründen des apparativen Aufwands noch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste und kompakte Einrichtung zur kontinuierlichen hochauflösenden Oberflächenmessung an waagerechten und an senkrechten, vorzugsweise fest positionierten Sedimentkernhälften und Eiskernen sowie an örtlichen Bodenprofilen und an archäo­ logischen Objekten zu schaffen, die leicht transportiert und auch außerhalb einer Laborumgebung eingesetzt werden kann. Dabei sollen der betrachtete Feldbereich der Untersuchungen (bis etwa 1 Tesla) und die Dynamik der Remanenzmessung von etwa 1 mA/m bis 10 A/m gegenüber bekannten Verfahren erhalten bleiben und der Einfluß des Umgebungsfeldes (Erdfeld, Laborfeld) auf die Messungen weitgehend eliminiert werden, ohne daß aufwendige Abschirmungsmaßnahmen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsdetails und -varianten.

Mit der Erfindung wird ein für gesteinsmagnetische Untersuchungen neues Prinzip eingeführt und realisiert, das Prinzip der ruhenden Probe und des in einem definierten Meßabschnitt alternierend ablaufenden Magnetisierungs- und Meßvorgangs. Die Messungen können weitgehend unabhängig von Form und Ort des Prüfungsmaterials erfolgen. Erforderlich ist allein eine hinreichend ebene Oberfläche geringer Rauhigkeit; eine weitere Bearbeitung oder ein Aufteilen in Einzelproben entfällt. So bleibt z. B. der Bohrkern für Folgeuntersuchungen in seiner Struktur erhalten, und andererseits können erstmals auch sehr große Objekte in ihrer natürlichen Lage (Bohrloch, Aufschlüsse, Grabungen) untersucht werden.

Mit ausgeführten erfindungsgemäßen Anordnungen konnte die räumliche Auflösung in überraschender Weise auf unter 0,5 cm verbessert werden, und es wurde z. B. bei 1 cm Meßpunktabstand und 30 Meßschritten je Remanenzkurve eine Arbeitsgeschwindigkeit von 1 m/Stunde erzielt.

Auf der Oberfläche des Prüfmaterials werden Magnetisierungs­ muster erzeugt, die kleinen Volumina (etwa 2 bis 10 mm in Länge, Breite und Tiefe) zugeordnet werden können und deren Diskretisierung und Charakterisierung ermöglichen. Durch die Erzeugung einer relativ homogenen wirksamen Feldamplitude bei inhomogener, sich kleinräumig ändernder Feldrichtung erhält man im Prüfungsmaterial eine lokale magnetische Remanenz, deren Streufeld an der Oberfläche einen starken lateralen Feldgradienten aufweist. Diese Erscheinung wird erfindungs­ gemäß genutzt, um den Einfluß des Erd- und des Umgebungsfelds zu unterdrücken. Als Meßfühler wird deshalb vorzugsweise eine Gradientensonde (Gradiometer) mit kleiner Basislänge verwendet. SQUID-Gradiometer aus Hochtemperatur-Supraleitern sind nach heutigem Wissens stand für diesen Zweck ideal geeignet, weil mit ihnen sehr kleine örtliche Magnetfeld­ gradienten schnell statisch gemessen werden können. Darüber hinaus ist die Kühlung dieser Supraleiter gegenüber der Kühlung der herkömmlichen SQUID mit Helium bedeutend einfacher, und es läßt sich ein kleinerer Abstand zwischen Sensor und Prüfungsmaterial realisieren.

Die besondere Ausbildung des Felds und die Nutzung des Gradiometerprinzips machen andere - d. h. die üblichen - Maßnahmen zur Abschirmung gegen äußere Felder überflüssig.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1. Erfindungsgemäße Magnetisierungs- und Meßsonde

• a) Längsschnitt
• b) Schnitt A-A
• c) Schnitt B-B

Dabei sind:

1 Sondengehäuse,
2 Antriebseinheit,
3 Zahnriemen,
4 Gleitelement,
5 Führung,
5.1 Zentrierbügel,
6 Magnetisierungsmodul,
6.1 Schnittkern,
6.2 Pulsspule,
6.3 Hall-Element,
7 Meßmodul,
7.1 SQUID,
7.2 Kühlmittel,
7.3 Kryostat,
8 Leitungen für Stromversorgung, Steuerung und Meßsignal.

Das Magnetisierungsmodul 6 und das Meßmodul 7 sind innerhalb des Sondengehäuses 1 mit Gleitelementen 4 in der Führung 5 beweglich gelagert und werden bei Meßbetrieb mit Hilfe der Antriebseinheit 2 über den Zahnriemen 3 tandemartig in Wirk­ richtung bewegt. Die Schnittkerne 6.1 des Magnetisierungs­ moduls und das SQUID 7.1 im Meßmodul sind so angeordnet, daß ihr Abstand von der Oberfläche des Prüfmaterials - durch die Wandung des Sondengehäuses hindurch - maximal 2 mm beträgt. Dabei läßt man die Einrichtung mit der Gehäusewandung an bzw. auf dem Prüfmaterial aufliegen. Der Kryostat 7.3 des hier erläuterten Ausführungsbeispiels ist für den Horizontal­ betrieb ausgelegt.

Die mechanischen Funktionselemente einschließlich des Gehäuses bestehen aus nichtmagnetisierbaren Werkstoffen. Dabei kann es günstig sein, für das Sondengehäuse z. B. ein transparentes Material zu wählen - man hat dann die Möglichkeit einer Funktions-Sichtkontrolle.

In der Zeichnung wird nur das Sondengehäuse mit den darin befindlichen Baugruppen gezeigt. Die Sonde ist durch das Leitungssystem 8 mit den peripheren Funktionseinheiten der Meßeinrichtung verbunden, die ihrerseits zu einem transpor­ tablen Modul zusammengefaßt werden können.

Die Zeichnungen machen deutlich, daß die Sonde robust ausgeführt werden kann und daß trotzdem eine kompakte und - das ist für Messungen in Bohrlöchern wichtig - schlanke Bauweise möglich ist. Dabei bietet sich der Einbau in ein rohrförmiges Gehäuse aus verschiedenen - mechanischen wie prüftechnologischen - Gründen als besonders vorteilhaft an. Bei einer ausgeführten Variante hat das Sondengehäuse einen Außendurchmesser von 10 cm und eine Länge von 200 cm.

Charakteristisch für die Erfindung ist, daß der Prüfvorgang in lineare Abschnitte aufgeteilt wird, die sich aus dem axialen Gehäusemaß und dem gemeinsamen Weg der Module 6 und 7 in Wirkrichtung im Gehäuse ergeben.

Folgende Varianten sind möglich:

• a) Man kann durch Translation der Sonde in Achsrichtung Meßabschnitte beliebig linear aneinanderreihen.
• b) Durch seitliches Verschieben der Sonde, orthogonal zur Sondenachse - z. B. auf Schienen - sind präzise Flächen­ messungen möglich.

Dabei werden die Pulsspulen 6.2 über das Hall-Element 6.3 geregelt und im intermittierenden Betrieb jeweils nur kurzzeitig, für etwa 10 ms je Meßschritt, eingeschaltet.

Mit der Elfindung läßt sich auch ein Reversier-Betrieb in den beiden möglichen Wirkrichtungen entlang der Sondenachse realisieren: Dazu ordnet man im Gehäuse 1 hintereinander ein Magnetisierungsmodul 6, ein Meßmodul 7, ein weiteres Meßmodul 7 und ein zweites Magnetisierungsmodul 6 an, wobei jeweils die zwei nicht benachbarten Module im Wirkzusammenhang stehen und sich in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung im Gehäuse in Funktion befinden oder abgeschaltet sind. Das Prinzip ist auch mit nur einem Meßmodul 7 zwischen zwei Magnetisierungs­ modulen 6 denkbar.

Claims (7)

1. Einrichtung zur vorzugsweise kontinuierlichen Untersuchung von Material mit magnetisierbaren Bestandteilen, wie Gesteine, Sedimente, Böden und Eis, durch Messung magnetischer Remanenz, wobei das Material zunächst mit einer Magnetisierungsanordnung einem magnetischen Feld ausgesetzt und anschließend mit einer Meßvorrichtung die im Material verbleibende magnetische Remanenz abgefragt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Die Magnetisierungsanordnung besteht aus einem Elektro­ magneten (6.1, 6.2), der mit geringem Abstand über die Oberfläche des zu prüfenden Materials bewegt wird, sowie einer regelbaren, vorzugsweise bipolaren Stromquelle, über die die Amplitude und der zeitliche Ablauf der Magnetisierung gesteuert werden,

wobei die wirksame Amplitude des magnetisierenden Felds im Meßbereich weitgehend homogen, die Feldrichtung jedoch inhomogen und kleinräumig veränderlich ist, so daß das Streufeld jeder lokalen magnetischen Remanenz an der Oberfläche des Prüfungsmaterials einen starken lateralen Gradienten aufweist,

• - die Meßanordnung basiert auf einem hochempfindlichen Meßfühler mit kleiner Basislänge, vorzugsweise einem SQUID-Gradiometer (7.1) aus Hochtemperatur-Supraleiter- Material, das mit dem gleichen kleinen Abstand wie der Elektromagnet (6.1, 6.2) über die Prüfmaterial- Oberfläche geführt wird,
• - zur Halterung und Bewegung des Magnetisierungsmoduls (6) und des Meßmoduls (7) über der Prüfmaterial-Oberfläche dient ein Positioniersystem aus Materialien mit der relativen Permeabilitätszahl um 1, die nicht permament magnetisierbar sind, vorzugsweise bestehend aus einem allseitig geschlossenen Sondengehäuse (1), in dem das Magnetisierungsmodul (6) und das Meßmodul (7) mit einstellbarem Abstand zueinander in einer Führung (5) gelagert sind und über eine Antriebseinheit (2) synchron bewegt werden,

wobei die Moduln (6, 7) innerhalb des Sondengehäuses über ein von den durchschnittlichen Erfordernissen des praktischen Meßbetriebs bestimmtes Streckenmaß, vorzugsweise etwa 1 m, verfahrbar sind und im übrigen das Sondengehäuse (1) als Ganzes in Richtung seiner Längsachse wie auch orthogonal dazu für entsprechende Meßvorgänge definiert bewegbar ist.

2. Einrichtung zur Remanenzmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen für Betrieb und Regelung des Magnetisierungsmoduls (6), der Meßumformer und die Ausgabeeinheit für das Meßmodul (7) sowie die Antriebssteuerung für das Modulpaar (6, 7) zu einem separaten, transportablen Modul zusammengefaßt sind, das mit dem Sondengehäuse (1) über Leitungen (8) verbunden ist.

3. Einrichtung zur Remanenzmessung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für das Modulpaar (6, 7) im Sondengehäuse (1) vorzugsweise über einen Zahnriemen (3) oder über eine Gewindespindel (4) oder über einen Druckmittel-betätigten Kolben erfolgt.

4. Einrichtung zur Remanenzmessung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Vergrößerung des Meßbereichs

• - in Achsrichtung durch stirnseitiges Aneinanderreihen des durch das Gehäusemaß jeweils vorgegebenen Meßabschnitts und damit lineare Addition oder
• - seitlich durch achsorthogonale Verschiebung des Sonden­ gehäuses (1) und Magnetisierung und Messung in einem Flächenraster.

5. Einrichtung zur Remanenzmessung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Sondengehäuse (1) zwei Paarungen (6, 7) aus je einem Magnetisierungs- und einem Meßmodul angeordnet sind, wobei die Meßmodule (7) zwischen den Magnetisierungsmodulen (6) positioniert sind, oder es ist ein Meßmodul (7) zwischen zwei Magnetisie­ rungsmodulen (6) angeordnet, und der Meßbetrieb wird abwechselnd in beiden Achsrichtungen des Sondengehäuses (1) vorgenommen.