Globale Erforschung

Erderkundung - Elektrische und elektromagnetische Methoden

Elektrik undelektromagnetische Methoden

Bei der Mineralexploration werden eine Vielzahl elektrischer Methoden eingesetzt. Sie hängen von (1) elektrochemischer Aktivität, (2) Widerstandsänderungen oder (3) Permittivitätseffekten ab. Einige Materialien neigen dazu, natürliche Batterien zu werden, die natürliche elektrische Ströme erzeugen, deren Auswirkungen gemessen werden können. DasDie Selbstpotentialmethode beruht auf der Oxidation der oberen Oberfläche von Metallsulfidmineralien durch nach unten versickerndes Grundwasser, um eine natürliche Batterie zu werden. Strom fließt durch den Erzkörper und zurück durch das umgebende Grundwasser, das als Elektrolyt fungiert. Die Messung der natürlichen Spannungsunterschiede (normalerweise 50–400 Millivolt [mV]) ermöglicht die Erkennung kontinuierlicher Metallsulfidkörper, die rittlings auf dem Grundwasserspiegel liegen . Graphit, Magnetit, Anthrazit, einige pyritisierte Gesteine ​​und andere Phänomene können ebenfalls Eigenpotentiale erzeugen.

Arktis.  Grönland.  Nordpol.  Politische Landkarte: Grenzen, Städte.  Beinhaltet Locator.
Lesen Sie mehr zu diesem Thema
Arktis: Wissenschaftliche Erforschung
Ein wichtiges sekundäres Motiv in einem Großteil der bisher diskutierten Erkundungen war die reine wissenschaftliche Neugier, der Wunsch, dem allgemeinen ...

Der Durchgang eines elektrischen Stroms über eine Grenzfläche, bei der sich die Leitung von ionisch zu elektronisch ändert, führt zu einem Ladungsaufbau an der Grenzfläche. Diese Ladung baut sich kurz nach Beginn des Stromflusses auf und es dauert eine kurze Zeit, bis sie nach dem Unterbrechen des Stromkreises abfällt. Ein solcher Effekt wird in gemesseninduzierte Polarisationsverfahren und wird zum Nachweis von Sulfiderzkörpern verwendet.

Bei Widerstandsmethoden wird ein Strom von einem Generator oder einer anderen elektrischen Energie geleitetQuelle zwischen einem Paar Stromelektroden und Messung von Potentialdifferenzen mit einem anderen Elektrodenpaar. Verschiedene Elektrodenkonfigurationen werden verwendet, um den scheinbaren spezifischen Widerstand aus dem Spannungs- / Stromverhältnis zu bestimmen. Der spezifische Widerstand der meisten Gesteine ​​variiert mit der Porosität, dem Salzgehalt der interstitiellen Flüssigkeit und bestimmten anderen Faktoren. Gesteine, die nennenswerten Ton enthalten, haben normalerweise einen geringen spezifischen Widerstand. Der spezifische Widerstand von Gesteinen, die leitende Mineralien wie Sulfiderze und graphitierte oder pyritisierte Gesteine ​​enthalten, hängt von der Konnektivität der vorhandenen Mineralien ab. Widerstandsmethoden werden auch in Ingenieur- und Grundwasseruntersuchungen verwendet, da sich der spezifische Widerstand an den Grenzflächen Boden / Grundgestein, am Grundwasserspiegel und an einer Süß- / Salzwassergrenze häufig deutlich ändert.

Die Forscher können mithilfe von bestimmen, wie sich der spezifische Widerstand über einen bestimmten Bereich ändert Profilierungsverfahren, bei denen die Position einer Anordnung von Elektroden geändert wird, aber der gleiche Abstand zwischen den Komponentenelektroden beibehalten wird. Sounding Verfahren ermöglichen Ermittler genau zu bestimmen Variationen des spezifischen Widerstands mit der Tiefe. In diesem Fall wird der Elektrodenabstand vergrößert und entsprechend die effektive Tiefe des beitragenden Abschnitts. Verschiedene andere Techniken werden üblicherweise eingesetzt.Äquipotential Verfahren mit sich bringen Abbilden Äquipotentiallinien , die von einem Strom führen. Verzerrungen von einem systematischen Muster weisen auf das Vorhandensein eines Körpers mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand hin. DasBei der Mise-a-la-Masse-Methode wird eine Stromelektrode in einen Erzkörper eingebracht, um deren Form und Position abzubilden.

Der Stromdurchgang im allgemeinen Frequenzbereich von 500–5.000 Hertz (Hz) induziert auf der Erde langwellige elektromagnetische Wellen, die erheblich in das Erdinnere eindringen. Die effektive Penetration kann durch Ändern der Frequenz geändert werden.Wirbelströme werden dort induziert, wo Leiter vorhanden sind, und diese Ströme erzeugen ein magnetisches Wechselfeld , das in einer Empfangsspule eine Sekundärspannung induziert, die gegenüber der Primärspannung phasenverschoben ist. Elektromagnetische Verfahren umfassen die Messung dieser phasenverschobenen Komponente oder anderer Effekte, die es ermöglichen, Erzkörper mit niedrigem spezifischen Widerstand zu lokalisieren, in denen die Wirbelströme erzeugt werden.

Natürliche Ströme werden auf der Erde durch atmosphärische Störungen ( z. B. Blitzeinschläge) und Beschuss der oberen Atmosphäre durch den Sonnenwind induziert - ein radialer Fluss von Protonen, Elektronen und Kernen schwererer Elemente, die aus dem äußeren Bereich des Erdwinds austreten Sonne.Magnetotellurische Methoden messen orthogonale Komponenten der elektrischen und magnetischen Felder, die durch diese natürlichen Ströme induziert werden. Mit solchen Messungen können Forscher den spezifischen Widerstand als Funktion der Tiefe bestimmen. Die Eigenströme erstrecken sich über einen weiten Frequenzbereich und damit über einen Bereich effektiver Eindringtiefen. Im Zusammenhang mit den oben genannten Techniken steht dieTellurstrommethode, bei der die elektrischen Stromschwankungen gleichzeitig an zwei Stationen gemessen werden. Der Vergleich der Daten ermöglicht die Bestimmung von Unterschieden im scheinbaren spezifischen Widerstand mit der Tiefe an den beiden Stationen.

Elektrische Methoden dringen im Allgemeinen nicht weit in die Erde ein und liefern daher nicht viele Informationen über ihre tieferen Teile. Sie bieten jedoch ein wertvolles Werkzeug für die Erforschung vieler Metallerze.

Darüber hinaus werden in Bohrlöchern verschiedene elektrische Methoden angewendet. Das Selbstpotential (SP) -Protokoll gibt hauptsächlich den Tongehalt (Schiefer) an, da sich an der Schiefergrenze eine elektrochemische Zelle bildet, wenn sich der Salzgehalt der Bohrlochflüssigkeit (Bohrflüssigkeit) von dem des Wassers im Gestein unterscheidet. Widerstandsmessungen werden unter Verwendung mehrerer Elektrodenkonfigurationen und auch durch Induktion durchgeführt . Bohrlochmethoden werden verwendet, um die von einem Bohrloch durchdrungenen Gesteine ​​zu identifizieren und ihre Eigenschaften, insbesondere ihre Porosität und die Art ihrer interstitiellen Flüssigkeiten, zu bestimmen.

Radioaktive Methoden

Radioactive surveys are used to detect ores or rock bodies associated with radioactive materials. Most natural radioactivity derives from uranium, thorium, and a radioisotope of potassium (potassium-40), as well as from radon gas. Radioactive elements are concentrated chiefly in the upper portion of the Earth’s crust.

Radioactive disintegration, or decay, gives rise to spontaneous emission of alpha and beta particles and gamma rays. Detection is usually of gamma rays, and it is accomplished in most cases with a scintillometer, a photoconversion device containing a crystal of sodium iodide that emits a Photon (winziges Paket elektromagnetischer Strahlung), wenn es von einem Gammastrahl getroffen wird . Das Photon, dessen Intensität proportional zur Energie des Gammastrahls ist, bewirkt, dass eine benachbarte Photokathode Elektronen emittiert, wobei die genaue Anzahl von der Energie des Photons abhängt. Die Energie des Gammastrahls selbst wird durch die Art des radioaktiven Zerfalls bestimmt.

Where it can be assumed that a product element of a radioactive disintegration (a daughter isotope) is derived solely from the disintegration of a parent isotope that occurred after a rock’s solidification (i.e., as the rock cooled through its Curie point), the ratio of the parent/daughter isotopes present depends on the time since solidification. This often provides the basis for age determinations of rocks.

Information about the mineral composition and physical properties of a rock formation can be obtained by means of gamma-ray logging, eine Technik, bei der natürliche Gammastrahlenemissionen in Bohrlöchern gemessen werden. In den meisten Sedimentgesteinen ist beispielsweise Kalium-40 der Hauptemitter von Gammastrahlen. Da Kalium im Allgemeinen mit Tonen assoziiert ist, ermöglicht eine Aufzeichnung der Gammastrahlenemissionen die Bestimmung des Gehalts an Ton (Schiefer). Bei einer anderen verwandten Technik wird das ein Bohrloch umgebende Gestein von einer radioaktiven Quelle in der Protokollierungssonde bombardiert und die Auswirkungen der durch das Bombardement verursachten Reaktionen werden gemessen. In einem Dichteprotokoll werden Messungen von Gammastrahlen durchgeführt, die von der Gesteinsformation zurückgestreut werden, da ihre Intensität die Gesteinsdichte anzeigt. Eine Neutronenquelle wird in einer anderen Art von Bohrlochstamm verwendet, die zeigen soll, wie viel Flüssigkeit in einer Gesteinsformation vorkommt oder wie porös sie ist. Der Energieverlust von Neutronen steht in direktem Zusammenhang mit der Dichte der Protonen (Wasserstoffkerne) im Gestein, die wiederum den Wassergehalt (oder den Porositätsgrad) widerspiegelt. Diese Bohrlochprotokollierungstechniken werden häufig im Öl und verwendetnatural gas industries to assist in the exploration and determination of reservoirs.

Geothermal methods

Temperature-gradient measurements are sometimes made to detect heat-flow anomalies; however, most exploration for geothermal resources (e.g., superheated water and steam) is done with indirect methods. Resistivity or seismic methods, for example, may be used to map the magma chamber, which is the source of the heat, or to detect faults or other features that control the flow of hot subsurface water.

Geochemical methods

Since the early 1970s researchers have developed extremely sensitive methods of chemical analysis, providing the ability to detect minute amounts of materials. Many chemical elements are transported in very small quantities by fluids flowing in the Earth, so that a systematic measurement of such trace elements may help in locating their sources. Trace elements are sometimes associated with hydrocarbons (the principal constituents of petroleum, natural gas, and other fossil fuels); they can be utilized for identifying the specific types of hydrocarbons present in a given area. Geochemical soil maps of small areas or whole countries are used to locate industrial wastes, areas of soil contamination, and sites of pollution discharge to rivers.

Excavation, boring, and sampling

Eine direkte Probenahme, normalerweise mittels Bohrlöchern, ist erforderlich, um Erze, Brennstoffe und andere Materialien positiv zu identifizieren. Es ist auch notwendig, um ihre Menge zu bestimmen und Methoden zur Rückgewinnung auszuwählen. Die meisten tiefen Bohrlöcher werden von derRotationsverfahren , bei dem ein Bohrer gedreht wird, während Flüssigkeit („Bohrschlamm“) durch den Bohrer zirkuliert, um ihn zu schmieren und zu kühlen und um Steinschläge an die Oberfläche zu bringen, wo sie gesammelt und analysiert werden können. Flache Bohrlöcher in Hartgesteinsformationen werden manchmal von a gebohrtPercussion-Methode , bei der ein schweres Stück wiederholt angehoben und fallen gelassen wird, um Felsbrocken abzusplittern. Nach dem Bohren eines Bohrlochs werden verschiedene Werkzeuge - Sonden - in das Loch abgesenkt, um verschiedene physikalische Eigenschaften zu messen.