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Verfahren zur Aufindung von Bodenschätzen.
Im Erdreich eingelagerte Bodenschätze und die solche führenden Schichten von andern Erdschichten trennenden sogenannte Verwerfungen beeinflussen vielfach die Verteilung von im Erdreich fliessenden elektrischen Strömen, gleichviel ob es sich um Erdströme natürlicher Herkunft oder um kunst- lieh erzeugte Strome handelt.
Diese Tatsache hat man bereits zur Auffindung von Bodenschätzen benutzt. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein ebenfalls dem Zweck der Feststellung von Bodenschätzen und gegebenenfalls derjenigen von im Erdreich vorkommenden Verwerfungen dienendes Verfahren, welches bezweckt, die E ! gebnisse der vorbekannten Verfahren zu verbessern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass verschiedenartige Bodenbeschaffenheit in nebeneinanderliegenden Bodenabschnitten auf elektrische Ströme verschiedener Art in verschiedener Weise einwirkt.
Einlagerungen, welche in verschiedenen Tiefen verschiedene elektrochemische Eigenschaften besitzen, geben Anlass zu elektrischen Spannungsuntersehieden, welche sich durch Erdströme in der Umgebung der Einlagerung bemerkbar machen. Einlagerungen dieser Art sind z. B. solche von Schwefelkies.
Durch messende Verfolgung des Verlaufs derartiger spontaner Erdströme bzw. der damit ver- bundenen Spannungsverteilung im Erdboden kann man daher einen Hinweis auf das Vorhandensein solcher Einlagerungen erhalten.
Derartige Einlagerungen beeinflussen ausserdem auch die Stromverteilung in dem Stromlinienfelde von künstlich erzeugten durch das Erdreich geschidten elektrischen Strömen.
Einlagerungen anderer Art, welche selbst keinerlei Anlass zum Entstehen von Erdströmen geben, können sich durch Beeinflussung der räumlichen Verteilung künstlich erzeugter Erdströme bemerkbar machen. Von Interesse für die Erfindung sind hiebei besonders solche Einlagerungen, welche sich von ihrer Umgebung durch erheblich abweichendes ele. irisches Leitvermögen unterscheiden. Erzeinlagerungen von gutem elektrischen Leitvermögen, wie z. B. Einlagerungen von Bleiglanz, haben die Wirkung, die
Stromlinien aus der Umgebung in sich zusammenzuziehen. Nicht oder schlecht leitende Einlagerungen, wie Salz oder 01, ergeben eine Ausbauchung der Stromlinien.
Die leitenden Einlagerungen können im besonderen auch die Eigenschaft haben, magnetisierbar zu sein, wie z. B. Magneteisenstein. Solche Einlagerungen wirken auf gewöhnliche Wechselströme in der gleichen Weise ein wie nicht magnetische Einlagerungen von gleichem elektrischem Leitvermögen.
Auf hochfrequente Wechselströme dagegen wirken die magnetisierbaren Einlagerungen anders wie die zwar ebenso elektrisch leitenden, aber nicht magnetisierbaren Einlagerungen, nämlich so, dass sie in Folge ihrer magnetischen Erregung elektordynamisch auf die Stromfäden einwirken und sie von ihrer normalen
Lage ablenken, u. zw. in Abhängigkeit von der Stromstärke im Verlauf der Wechselstromkurve.
Hieraus ergibt sich, dass die Untersuchung des Erdreichs mit durch dasselbe hindurchgesehicktem gewöhnlichen Wechselstrom einerseits und mit hochfrequentem Wechselstrom anderseits die Möglichkeit eröffnet, nicht nur festzustellen, ob in dem untersuchten Gebiet Einlagerungen vorhanden sind, welche sich hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit von ihrer Umgebung namhaft unterscheiden, sondern auch zugleich festzustellen, ob diese Einlagerungen magnetisierbar sind oder nicht.
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der Untersuchung der Stromverteilung im Untergrunde nach drei Richtungen zugleich, nämlich hinsichtlieh der Beeinflussung von Gleichstrom, u. zw.
in diesem Falle, gleichviel ob es sich um natürliche Erdströme oder um künstlich erzeugte Ströme handelt, hinsichtlich der Beeinflussung von gewöhnlichem Wechselstrom und schliesslich hinsichtlich der Beeinflussung von hochfrequentem Wechselstrom. Dadurch, dass man das zu untersuchende Erdreich gleichzeitig mit den genannten drei Stromarten in Übereinanderlagerung beschickt, wird es möglich, die für jede der Stromarten im Untersuchungsfelde erforderlichen Beobachtungen gleichzeitig nebeneinander durchzuführen, so dass die Notwendigkeit entfällt, zunächst die Stromverteilung für eine Stromart im ganzen Felde festzustellen und darauf erst für die zweite und schliesslich für die dritte Stromart.
Soweit die Beschickung des Erdreichs mit künstlich erzeugtem Strom in Frage kommt, spielt auch die Art, wie der Strom dem Erdreich zugeführt wird, für die Sicherheit des Untersuehungsergebnisses eine wesentliche Rolle.
Es ist von grosser Wichtigkeit, dass die Stromverteilung im Erdreich möglichst gleichförmig ist, sei es dass Elektroden grosser Ausdehnung einander gegenübergestellt werden, sei es dass eine einzige Elektrode grosser Ausdehnung, die gegebenenfalls in eine Mehrzahl getrennter Elektroden aufgelöst sein kann, wesentlich zentriseh um eine Gegenelektrode angeordnet wird, so dass bei entsprechend geregelter Stromzuleitung zu den einzelnen Teilen der Ringelektrode ein ungefähr zentrisch symmetrisches Feld entsteht, d. h. ein Feld, dessen Äquipotentiallinien im gleichförmngen Untergrunde annähernd Kreise in konzentrischer Anordnung sind.
Die Durchführung der Erfindung soll nachstehend an der Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, wobei angenommen ist, dass die Untersuchung des Stromlinienverlaufs in der Weise wie sie gemäss-der Erfindung vor sich gehen soll, in einem Gebiet eifolgt, welches nach seiner geologischen Beschaffenheit bekannt ist. Es mag sich um ein Gebiet handeln, in welchem an einer Verwerfungsstelle zwei Bodenformationen verschiedener Alt zusammenstossen, von denen die eine beispielsweise aus porösem Sandstein mit salzhaltigem Grundwasser besteht, welche keine wirtschaftlich interessanten Einlagerungen aufweist und die andere aus Eruptivgestein mit linsenförmigen Einlagerungen, beispielsweise aus Schwefelkies und aus Magneteisenstein.
Fig. 1 stellt einen senkrechten Schnitt durch das zu untersuchende Erdreich dar. Fig. 2 ist ein Grundriss mit darin angedeuteten Elektrodensystemen zweier verschiedener Arten und einem System von Äquipotentiallinien, wie sie bei Einwirkung von künstlich erzeugtem Strom auf das Erdreieh eintreten.
Fig. 3 ist ein Grundriss, welcher den Verlauf der Äquipotentialkurven und den Einfluss von magnetisierbaren Massen auf den zeitlichen Stromverlauf im Boden für Hoehfrequenzbeschickung darstellt.
Fig. 4 zeigt ebenfalls im Grundriss eine Elektrodenanordnung besonderer Art mit ihr entsprechendem System von Äquipotentiallinien um eine der leitenden Erdeinlagerungen. Fig. 5 zeigt eine für die Untersuchung mit Gleichstrom besonders geeignete Elektrodenform.
Auf der Zeichnung bezeichnet 1 die Sandsteinformation mit salzhaltigem Grundwasser.,'3 bezeichnet
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sind Elektroden für die Beschickung des Bodens mit künstlichem Strom bezeichnet. e, t und g bezeichnen schematisch eine Gleichstrom-, eine gewöhnliche Wechselstrom-und eine Hochfrequenzwechselstromquelle und li, einen Umschalter, welcher gestattet, nach Belieben die eine oder die andere Stromquelle an die Elektroden c, cl anzuschliessen. Dieser Schalter gestattet vor Beginn der Untersuchung des Erdreichs selbst nach Belieben Strom von einer der Stromquellen e, t, 9 in das Erdreich zu schicken,
um die
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der Erduntersuchung selbst das Erdreich gleichzeitig im Stromkreise jeder der Stromquellen liegt.
Die Untersuchung führt man zweckmässig so aus, dass man zunächst sieh Gewissheit über die natürlichen Erdströme verschafft. Das geschieht durch Einsetzen von Abnahmeelektroden a, b in das Erdreich und Verfolgung der Spannungsverteilung zwischen diesen Elektroden. Wenn die Elektroden an sich in einem Gebiet gleicher Art in mässiger Entfernung voneinander befinden, dann treten nennenswerte
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Potentialverlauf längs der Erdoberfläche auf das Vorhandensein der Einlagerung 4 schliessen, welche ihrerseits wegen der elektrochemischen Verschiedenheit an ihrem oberen und unteren Ende Anlass zu
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Zur Abnahme der Gleichspannung muss man unpolarisierbare Elektroden verwenden. Eine geeignete Elektrodenform ist in Fig. 5 veranschaulicht. Danach besteht die Elektrode aus einem äusseren Gefäss 6, das mit verdünnter Salzlösung 7 gefüllt ist und worin ein inneres Gefäss 8 eingesetzt ist, worin sich eine konzentrierte Salzlösung 9 befindet, in welche ein Metallstab 10, z. B. amalgamiertes Kadmium oder Zink, hineinragt.
Die Gefässe 6 und 8 bestehen in ihrem unteren Teil aus porösem Material. Das Salz der konzentrierten Lösung im inneren Gefäss 8 ist ein Salz des Elektrodenmetalls ; die verdünnte Lösung 7 enthält das gleiche Salz und daneben Bodenflüssigkeit.
Die gleiche Abnahmeelektrode wendet man mit Vorteil auch zur Ableitung von künstlich im Erdreich erzeugten Gleichspannungen zu den Messinstrumenten an.
Wegen der starken Abhängigkeit der Spannung von der Temperatur empfiehlt es sich, die Elektrode 10 hohl auszubilden und die Temperatur im Innern derselben zu messen.
Bei der Beschickung des Erdreichs mit künstlichem Gleichstrom durch die mit den Elektroden c und d verbundene Gleichstromquelle e tritt zwischen den beiden Elektroden ein Spannungsgefälle auf, welches man in gleicher Weise wie die Spannung der natürlichen Erdströme durch die Abnabmeelek- troden a, b bzw. a', 7/ausmessen kann. Im Boden vorhandene leitende Körper, also die Schwefelkieseinlagerung 4 und Magneteisensteineinlagerung 5, ziehen dabei die Stromlinien an, so dass diese sich zusammenziehen. Dem entspricht ein Auseinanderweichen der überall senkrecht zu ihnen stehenden Äquipotentiallinien, welche in der Figur mit 11 bezeichnet sind.
Der durch das Erdreich geschickte Gleichstrom ührt infolge der damit verbundenen elektrochemischen Umsetzung zu Polarisationserscheinungen an der Grenze der Schwefelkieseinlagerung, welche sich nach Abschaltung des Gleichstroms in derselben Weise bemerkbar machen wie die natürlichen Erdspannungen. Das Auftreten solcher von den ursprünglich festgestellten Erdspannungen abweichender Erdspannungen nach erfolgter Beschickung des Erdreichs mit künstlichem Gleichstrom gibt einen Hinweis auf die Art und Form der Einlagerung.
Bei Beschickung mit gewöhnlichem Wechselstrom durch die Wechselstromquelle f ergibt sich in der Umgebung der Einlagerungen 4 und 5 ein ähnliches Äquipotentialliniensystem, wie bei Beschickung
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des Wechselstromes vollkommen fortfallen. Es ist aus diesem Grunde davon abgesehen, ein besonderes Äquipotentialliniensystem für den gewöhnlichen Wechselstrom in die Zeichnungsfigur einzuzeichnen.
Bei Beschickung des Erdreichs mit hochfrequentem Wechselstrom durch die Wechselstromquelle g macht sich der Unterschied in der Art der Einlagerungen 4 und 5 bemerkbar.
Die Einlagerung 4 bewirkt auch hier lediglich eine Zusammenziehung der Stromlinien, also eine Ausweitung der Äquipotentiallinien, im wesentlichen ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt.
Dagegen treten in der Umgebung der magnetisierbaren Einlagerung 5 wesentliche Abweichungen auf, wie durch den Unterschied des Linienverlaufs inFig. 3 gegenüber dem Linienverlauf in Fig. 2 angedeutet ist. Die Ausbauchung der Äquipotentiallinien nahe der Einlagerung 5 ist erheblich geändert infolge der elektrodynamischen Einwirkung der magnetischen Einlagerung 5 auf die Stromlinien.
Wenn ein derartig abweichender Verlauf der Äquipotentiallinien für niedrig frequenten Wechselstrom und für hochfrequenten Wechselstrom festgestellt wird, dann deutet das an, dass in der Nähe solcher Stellen magnetisierbare Einlagerungen vorhanden sind.
Bei der Untersuchung der Stromverteilung für hochfrequenten Wechselstrom muss man an solchen Stellen auch auf die Stromrichtung achten, welche in diesem Falle schwankt, da, sie von dem elektrodynamischen Effekt abhängt, der sich während jeder Periode des Wechselstrom mit der Stromstärke ändert. Die Stromrichtung kann dabei z. B. mit Hilfe einer einstellbaren Spule oder sogenannten Rahmenantenne bestimmt werden, wie man sie in der drahtlosen Telegraphie anwendet. Das geschieht so, dass die einstellbare Spule an der Erdoberfläche in das von den Bodenströmen erzeugte magnetische Feld eingekoppelt und der darin induzierte Strom beobachtet wird.
Wenn dann die Richtung des Bodenwechselstrom von der Phase ganz unabhängig ist, so erhält man bei einer ganz bestimmten Lage der Spule bei ihrer Drehung um eine in ihrer Windungsebene liegende Achse ein völliges Verschwinden des Induktionsstromes, nämlich dann, wenn die Ebene der Spulenwindungen zu der konstanten Stromrichtung im Boden in der Umgebung der Spule senkrecht steht.
Wenn es sich aber zeigt, dass der Induktionsstrom in der Spule sich nicht völlig zum Verschwinden bringen lässt, sondern dass ein gewisser Reststrom bei jeder Stellung der Spule im Raum übrig bleibt, dann geht daraus hervor, dass die Stromriehtung im Boden mit der Stromphase schwankt und man kann durch Studium der Abhängigkeit des Stromes von der Einstellung der Spulenebene im Raum die Abhängigkeit der Stromrichtung im Boden von der Phase ableiten, und daraus Schlussfolgerungen bezüglich der im Erdreich des untersuchten Gebiets vorhandenen magnetisierbaren Einlagerung ziehen.
Vorbedingung hiefür ist die Beschickung des Erdreichs mit hochgespanntem Wechselstrom.
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welche besonders dann empfehlenswert ist, wenn die elektrisch gut leitende Einlagerung, also die Schwc fel- kieseinlagerung 4. bereits bei einer Schürfung oder Bohrung angefahren ist, so dass man eine Elektrode
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werden.
In die nach den Elektroden & führenden Stromzweige sind Ausgleischswiderstände m1-m4 eingeschaltet. Diese werden so eingeregelt, dass jeder einzelnen Elektrode so viel Strom zugeführt wird, als der Grösse des ihr zugeordneten Sektors, von der Mittelelektrode aus gerechnet, entspricht. Bei homogenem Untergrund entsteht dann ein zentrisch symmetrisches Feld, bezogen auf die Elektrode t als Zentrum. Bei dieser Anordnung heben sich die etwa vorhandenen Einlagerungen mit abweichender elektrischer Leitungsfähigkeit besonders deutlich ab.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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