DE1966639B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung geophysikalischer Messungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur geophysikalischen Messung unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes, das von einer entfernten Quelle abgestrahlt wird und zu einem wesentlichen Teil in einen oberflächennahen Bodenbereich eindringt, wobei der zu untersuchende Bereich systematisch überdeckt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung geophysikalischer Messungen unter Ausnutzung eines von einer entfernten Quelle abgestrahlten elektromagnetischen Feldes, das vertikale und horizontale elektrische Komponenten enthält. Zu diesem Zweck werden insbesondere die von entfernten Funkstationen abgestrahlten Signale benutzt, und zwar vorzugsweise solche sehr niedriger Frequenz (VLF).

In den letzten Jahren wurden von der US-Navy und anderen Organisationen in der ganzen Welt eine Anzahl von sehr leistungsstarken Funksendern aufgebaut, die im Bereich von 14 bis 3OkHz arbeilen. Die von diesen Stationen abgestrahlten Signale breiten sich als Bodenwelle über Tausende von Kilometern aus und dringen, unabhängig von der Frequenz und der Leitfä-639

higkeit des Bodens, verhältnismäßig tief in den Erdboden ein. Die Bodenwelle erzeug« in geneigien leitfähigen Schichten, z. B. geologischen Verwerfungen, Kohlenstofflagern, Verbiiidungsschichten, sulfidischen Erzen und ähnliche, Wirbelströme und ist außerdem mit kleinen Strömen verbunden, die in homogenen, horizontal geschichteten Bereichen radial zum Sender fließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bestimmung des Widerstandes des Erdbodens ohne Verwendung eines speziellen Senders, dessen ungestörtes elektromagnetisches Wechselfeld am Meßort bekannt ist, zu ermöglichen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß, wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf folgenden Grundlagen: Die Bodenwelle hat ihre Ursache in Hochfrequenzströmen, die in der Antenne der Funkstation fließen. Die Bodenwelle ist eine elektromagnet! sehe Welle mit abwechselnden, senkrecht zueinander gerichteten elektrischen und magnetischen Feldkomponenten Dre elektrische Feldkomponente ist normalerweise vertikal polarisiert, jedoch dicht am Boden etwas nach vorn geneigt, so daß sie in eine große vertikale und eine kleine horizontale Komponente zerlegt werden kann. Die magnetische Feldkomponente verläuft normalerweise horizontal und im rechten Winkel zur Richtung des Senders. Werden Leiter im Boden vom magnetischen Feld durchsetzt, so fließen Wirbelströme, die ein sekundäres Feld erzeugen, das sowohl horizontale und vertikale Komponenten an der Oberfläche als auch solche Komponenten aufweist, die in Phase mit der Bodenwelle und die 90" phasenverschoben gegenüber der Bodenwelle sind. Da die magnetische Feldkomponente der Bodenwelle normalerweise horizontal gerichtet ist, erfolgt keine Kopplung mit horizontal verlaufenden leitfähigen Schichten und eine maximale Kopplung mit vertikal verlaufenden leitfähigen Schichten. Somit entsteht das sekundäre Feld hauptsächlich, wenn im Erdboden geneigte Leiter vorhanden sind. Obwohl vorzugsweise sowohl die Phasenkomponente als auch die Verschiebungskomponente gemessen wird, wurden auch bereits erfolgreich Messungen durchgeführt, bei denen nur die Verschiebungskomponente gemessen wurde.

Jede einzelne Wirbelstromkomponente kann als magnetischer Dipol angesehen werden. Das Vermessungsflugzeug befindet sich notwendigerweise im Nahfeld jedes magnetischen Dipols, da der Abstand zwischen Flugzeug und magnetischem Dipol immer nur einen Bruchteil der Wellenlänge der vom Sender ausgestrahlten Signale ist. Im Nahfeld eines magnetischen Dipols überwiegt das magnetische Feld gegenüber dem elektrischen Feld. Daher wird die Phase (und zu einem etwas geringeren Grad die Amplitude) der vertikalen elektrischen Feldkomponente nur ganz geringfügig von dem vorhandenen geneigten Leitern beeinflußt, während die magnetische Feldkomponente sehr stark verändert wird. Somit stellt die vertikale elektrische Feldkomponente eine ideale Bezugsgröße zur Messung von Phasen- und Amplitudenänderungen des sekundären Feldes dar.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Mit der Erfindung läßt sich die Leitfähigkeit des Bodens bestimmen, so daß beispielsweise Karten der Widerstandsverteilung hergestellt werden können.

Die erzielte Eindringtiefe hängt von der Leitfähigkeit

df- Bodens und der Frequenz ab. Üblicherweise liegt sie bei niedrigen Frequenzen zwischen 15 und 150 m. Die Meßvorrichtung wird in einer Höhe vc.-i etwa 45 bis 450 m über den Boden geflogen. Die gewählte Höhe hängt davon ab, ob Karten mit speziellen Einzelheiten oder ob nur Übersichtskarten hergestellt werden sollen. Die Erfindung läßt sich auf geologischem Geb^:»t beispielsweise zur Kartographierung benutzen. Ferner kann sie zur Suche von Wauserquellen angewendet werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Bestimmung von großen Leitfähigkeitsbereichen in Süß- oder Salzwarser.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert.

F i g. I zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Messung der horizontalen und vertikalen Komponente des elektrischen Feldes und der Phasen- und der Verschiebungskomponente des magnetischen Feldes,

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild für eine Anordnung mit einer horizontalen elektrischen Antenne und drei senkrecht zueinander angeordneten magnetischen Dipolantennen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 werden sowohl die vertikale Komponente und die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes als auch die Phasen- und Verschiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes gemessen. Die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes, die mit der vom Flugzeug geschleppten Drahtantenne gemessen wird.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 werden sowohl die vertikale Komponente und die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes als auch die Phasen- und Verschiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes gemessen. Die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes, die mit der vom Flugzeug geschleppten Drahtantenne gemessen wird, wird von Leitfähigkeitsänderungen im homogenen oder horizontal geschichteten Boden, jedoch nicht von magnetischen Feldkomponentt-n beeinflußt, die nicht mit den horizontalen Leitern g koppelt sind. Das Verhältnis von horizontaler Komponente des elektrischen Feldes, die par. U-I zur Ausbeutungsrichtung der Bodenwelle über dem horizontalen Boden ist, zur vertikalen Komponente des elektrischen Feldes ist proportional zur Quardratwurzel aus dem Widerstand des Erdbodens unterhalb des Flugzeuges oder Fahrzeugs, aus dem die Messung gemacht wird, und die Messung ist verhältnismäßig unabhängig von der Flughöhe.

Man erkennt, daß die vertikale elektrische Feldkomponente mit einer Stabantenne 10 ausgewertet wird, die mit üblichen Mitteln auf die gewünschte Frequenz, z. B. 17,8 kHz abgestimmt ist. Das Aus^angssignal der Antenne 10 wird einem abgestimmten Verstärker 15 zugeführt. Die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes wird mittels einer horizontalen langen Drahtantenne 12 gemessen, die mit einem Verstärker 21 verbunden ist, dessen Ausgangssignal einem Phasendetektor 22 zugeführt wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 13 wird einerseits unmittelbar angezeigt und andererseits dem Phasenschieber 19 zugeführt und um 90" phasenverschoben. Der Phasenschieber 19 liefert eine Bezugsspannung für den Phasendetektor 22, so daß dessen Ausgangssignal aus einer Spannung besteht, die gegenüber der Spannung an der vertikalen Antenne 10 um 90° nhasenverschoben ist. Dieses Ausgangssignal wird ebenso wie das Ausgangssignal des Verstärkers 15 dam Aufzeichner 23 zugeführt.

Zur Messung des horizontalen magnetischen Feldes wird tiieses von der horizontalen -magnetischen Antenne U aufgenommen, die mit einem Verstärker 16 verbunden und ebenso wie dieser auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist. Um Phasen- und Verschiebungskomponenten des magnetischen Feldes zu erhalten, ist der Ausgang des Verstärkers 16 in zwei Klemmen aufgeteilt, die jeweils mit einem Phasendetektor 17 und 18 verbunden sind. Diese erhalten jeweils Signale, die entweder in Phase mit oder um 90° phasenverschoben gegenüber der Spannung an der Antenne 10 sind. Da die Spannung an der magnetischen Antenne 11 um 90° phasenverschoben gegenüber dem magnetischen Feld ist ( wenn der Eingangswiderstand des Verstärkers wesentlich größer ist als der Spulenwiderstand), während die Spannung an der elektrischen Antenne 10 in Phase mit dem elektrischen Feld ist, wird der Phasendetektor 17 auch mit dem Ausgangssignal des Phasenschiebers i9 angesteuert, während der Ausgang des Verstärkers 15 zur Erzeugung einer Bezugsgröße für die Bestimmung der Verschiebungskomponente direkt mit dem Phasendetcktor 18 verbunden ist. Die Ausgangssignale der Phasendetektoren 17 und 18 werden jeweils dem Aufzeichner 23 zugeführt.

Die so gelieferte Aufzeichnung ermöglicht die Bestimmung der gewünschten Größen.

Die Anordnung der F i g. 2 ähnelt der Anordnung gemaß F i g. I, jedoch sind zwei zusätzliche magnetische Antennen vorhanden, um Daten über die drei zueinander senkrechten Komponenten des gesamten magnetischen Feldes zu erhalten. Zusätzlich vorhanden ist eine in Flugrichtung angeordnete horizontale magnetische Antenne 24 und eine vertikal angeordnete magnetische Antenne 25. Diese Antennen 24 und 25 sind jeweils mn Verstärkern 26 und 27 verbunden, deren Ausgangssignale jeweils Phasendetektoren 28, 29 und 30, 31 zugeführt werden. Den Phasendetektoren 29. 31 wird, ahn lieh wie vorstehend für den Phasendetektor 17 beschrieben, vom Ausgang des Phasenschiebers 19 eine Bezugsspannung zugeführt, so daß sich ihre Ausgangssignale in Phase mit dem vertikalen elektrischen Feld befinden. Den Phasendetektoren 28, 30 wird vom Verstärker 15, ähnlich wie dem Phasendetektor 18, eine Bezugsspannung zugeführt, wodurch ihre Ausgangssignale um 90° gegenüber dem vertikalen elektrischen Feld verschoben sind.

Die mit der Anordnung gemäß Fig.4 ermittelten Daten können zur Bestimmung der Erstreckungsrichtung und des Neigungswinkels eines geneigten Leiters ausgewertet werden. Aus den beiden elektrischen Feldkomponenten lassen sich wiederum Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit des Bodens ziehen.

Die relative Unabhängigkeit der Phase der vertikalen elektrischen Feldkomponente von örtlichen Änderungen der Leitfähigkeit im Boden ist unabhängig von der Frequenz. Deshalb wird die obere Frequenzgrenze üblicherweise durch die gewünschte Eindringtiefe bestimmt. Verhältnismäßig oberflächliche Unregelmäßigkeiten können unter Verwendung höherer Frequenzen erforscht werden. Die Verwendung hoher Frequenzen (z. B. 1 MHz und möglicherweise höher) ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Einfluß verhältnismäßig tief liegender Leiter ausgeschaltet werden soll. Im hohen Frequenzbereich klingt die Bodenwelle jedoch viel schneller ab, so daß die Reichweite der Vorrichtung begrenzter ist. Diese Schwierigkeiten können bis zu

einem gewissen Grad durch die Verwendung lokaler, wenige Kilometer vom Vermessungsbereich angeordneter Sender vermieden werden.

Die Eindringtiefe hängt von der Frequenz und von der Leitfähigkeit der Bodenschichten ab. Bei homogenem Erdboden beträgt bei einer Frequenz von 18 kHz die berechnete Eindringtiefe bei einem Erdwiderstand von 1000 Ω m etwa 120 m, bei einem Erdwiderstand von 100Qm etwa 40 m und bei einem Erdwiderstand von 10 Ω m etwa 10 m. Über einem horizontal geschichteten Erdboden, dessen Schichttiefe geringer als die Eindringtiefe ist, läßt sich das vertikale Schichtprofil durch Messungen der Bodenimpedanzen bei zwei oder mehr wesentlich unterschiedlichen Wellenlängen ermitteln.

So kann die Messung z.B. bei 18 und bei 18OkHz vorgenommen werden, wobei sich um den Faktor 3 unterscheidende Eindringtiefen ergeben. Je mehr Frequenzen verwendet werden, desto genauer läßt sich das Schichtprofil ermitteln. Nach oben ergibt sich eine Frequenzgrenze durch das schnelle Abklingen der Bodenwelle bei hohen Frequenzen und durch den verstärkten Einfluß von komplexen Impedanzen.

Bislang wurden Bodenwellen von VLF-Sendern benutzt; es ist jedoch auch möglich, die Erfindung mit Feldern zu benutzen, die bei Blitzentladungen entstehen. Während eines Blitzschlages fließen extrem große Ströme in annähernd vertikaler Richtung entlang einer ionisierten Bahn. Dieser Strom erzeugt einen elektromagnetischen Stoß mit einem sehr breiten Frequenzband von etwa 3 Hz bis in den UKW-Bereich. Bei einem Abstand von nicht weniger als wenige 100 Kilometer von einem gegebenen Blitzschlag tritt die hauptsächliche Energie in der Nähe von 8 bis 500 Hz und 5000 Hz bis 20 kHz auf. In diesen Frequenzbändern bestehen in der Ionosphäre gute Ausbreitungsmöglichkeiten, und es können Signale viele 1000 Kilometer vor ihren Sendequellen entfernt empfangen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: 19

1. Verfahren zur geophysikalischen Messung unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes, das von einer entfernten Quelle abgestrahlt wird und zu einem wesentlichen Teil in einen oberflächennahen Bereich eindringt, wobei der zu untersuchende Bereich systematisch überdeckt wird, d a durch gekennzeichnet, daß entlang einer vorbestimmten Bahn ein erstes Bezugssignal mit fester Phasenbeziehung zur Phase der vertikalen elektrischen Feldkomponente empfangen und aufgezeichnet wird und daß gleichzeitig ein zweites Signal, dessen Amplitude proportional zur Amplitude einer horizontalen Komponente des elektrischen Feldes ist, empfangen und aufgezeichnet wird und von dem zweiten Signal eine Komponente abgetrennt wird, die gegenüber dem ersten Signal um 90° phasenverschoben ist. so daß die phasenverschobene Komponente, bezogen auf da* erste Signal, vorhandene Inhomogenitäten der Leitfähigkeit anzeigt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Empfangseinrichtung (10, 15) zum Empfang eines Signals mit fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente, durch eine zweite Empfangseinrichtung (12, 21) zum Eimpfang eines Signals mit fester Phasenbeziehung zu einer horizontalen elektrischen Feldkomponente, die eine vorbestimmte Richtung hat, durch einen mit der ersten Empfangseinrichtung verbundenen 90°-Phasenschieber (19), durch einen ersten mit dem Phasenschieber verbundenen und unter dessen Einfluß stehenden ersten Phasendetektor (22) zur Erzeugung einer ersten Spannung, deren Amplitude proportional zur Amplitude eines Teils der um 90° gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente verschobenen horizontalen elektrischen Feldkomponente ist, und durch eine mit dem ersten Phasendetektor (22) verbundene Meßanordnung (23) zur Messung der ersten Spannung.