DE1623123C3 - Geophysikalisches Erkundungsverfahren zur Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung und der Maße eines Erzkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein geophysikalisches Erkundungsverfahren der im Oberbegriff des vorste- jo henden Patentanspruches gekennzeichneten Gattung.

Ein derartiges Verfahren ist neben der sog. Widerstandsmethode unter dem Begriff der »induzierten Polarisation« bekannt aus dem Buch von Keller/ Frischknecht, »Electrical Methods in Geophysical Prospecting«, Pergamon Press, 1966, S. 1 - 15,436-486. Diese Methode der »induzierten Polarisation« besteht darin, daß man während eines festgelegten Zeitabschnittes bei einer bestimmten EMK über Stromelektroden einen Gleichstrom oder einen niederfrequenten Wechselstrom durch eine Meßstrecke im zu untersuchenden Erdboden leitet und die Teilungsgrenze zwischen den Bereichen mit verschiedener Leitfähigkeit bestimmt, wobei die Messung der sich durch Polarisationseffekte ergebenden Potentialdifferenzen zwischen den Meßelektroden in den Abschaltphasen des Speisestromes erfolgt. Bei Erregung des Polarisationsprozesses wird der Strom konstant gehalten. Nach der stromlosen Abschalt- bzw. Meßphase wird ein Rechteck-Stromimpuls mit entgegengesetzter Richtung angewandt. Die sich als Antwort auf diese Sprungfunktionen ergebenden Übergangsfunktionen für die Spannung zwischen den Meßelektroden werden unter Gleichrichtung ausgewertet. Der Wechselanteil der Gesamtspannung wird ausgefiltert. Die ständig anliegende Spannung wird gesondert ermittelt. Die Methode der »induzierten Polarisation« ist statistisch. Das heißt, daß die an unterschiedlichen Punkten des zu erforschenden Gesteins gemessenen Potentiale der »induzierten Polarisation« sich aus einer Vielzahl von Potentialen der elektrischen Polarisation der verschiedenen Objekte zusammensetzen, die sich in der Wirkungszone des polarisierenden Stromes befinden. Deshalb kann mit dem bekannten Verfahren auch bei mehrfacher Elektrodenverschiebung nicht die mineralogische Zusammensetzung des zu erforschenden Erzkörpers bestimmt werden. Insbesondere ist dies dadurch begründet, daß die Werte für das Verhältnis der gemessenen transienten Spannungen zur ständig anliegenden Spannung vom Gehalt der eingesprengten elektronenleitenden Mineralien und den texturstrukturellen Besonderheiten des Gesteines abhängen und nicht von der Zusammensetzung der Mineralien selbst. Im Zusammenhang damit haben ein und dieselben Gesteine unter verschiedenen geologischen Bedingungen verschiedene Werte, wodurch weder die Gesteine noch die sie bildenden Mineralien bestimmt werden können, so daß in den eingegrenzten Bereichen Bohrungen und Probenentnahmen notwendig sind, um die mineralogische Zusammensetzung eines Erzkörpers genau analysieren zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur geophysikalischen Erkundung von Erzlagerstätten anzugeben, das neben der bekannten Lagebestimmung die Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung und der Abmessungen von Erzkörpern in ihrer natürlichen Lagerung ermöglicht, ohne die Erzgänge zusätzlich durch Bohrlöcher, Verhieb, Schürfen u. dgl. zu durchörtern und ohne Kerngewinnung, auch wenn nur ein Zugang zum Erzkörper an einer beliebigen Stelle vorhanden ist.

Die Lösung besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs.

Jede elektrochemische Reaktion an einem Mineral läßt sich durch den Wert des Reaktionspotentials, der bezogenen Polarisationsspannung und durch den Wert der höchsten Stromdichte der Reaktion beschreiben. Da während der Messung die Stromstärke stetig vergrößert oder stetig verringert wird, werden bei der Untersuchung eines polymineralogischen Erzkörpers alle Reaktionen der vorhandenen Mineralien durchlaufen. Zur Erregung jeder Reaktion mit dem entsprechenden Reaktionspotential wird eine bestimmte Änderung der Stromstärke gebraucht. Durch Vergleich der aus der aufgenommenen Polarisationskurve ermittelten Werte mit den für Einzelreaktionen bekannten Werten lassen sich die Mineralien im Erzkörper nach Art und Menge bestimmen, wobei sich aus dem Reaktionspotential die Art und aus der Stromänderung für eine Reaktion die Menge ergibt. Aus der erfindungsgemäß gemessenen Polarisationskurve ist jede Reaktion einzeln, in Form von entsprechenden »Stufen« ersichtlich. Dabei markieren Polarisationskurvenabschnitte mit konstanter Steigung in ihrer Verlängerung zur Abszisse hin das jeweilige Reaktionspotential, die Differenz der Ordinatenwerte für benachbarte Stufen die jeweilige Stromänderung.

Die tatsächlich an den Meßelektroden für jeden Wert der Stromstärke gemessene Potentialdifferenz setzt sich aus der Summe der durchlaufenen Reaktionspotentiale und der Potentialdifferenz, die durch die ohmschen Spannungsabfälle in der Meßstrecke entsteht, zusammen. Es ist bekannt, diese Spannungsabfälle nach der Widerstandsmethode für die Bestimmung der Lage von Erzen auszuwerten (Keller/Frischknecht s.o.; Buch von L. W. S 0 r ο k i n, »Lehrbuch der geophysikalischen Methoden zur Erkundung von Erdölvorkommen«, VEB-Verlag Technik, Berlin, 1953; Buch von A. P. Krajew, »Grundlagen der Geolektrik«, VEB Verlag Technik, Berlin, 1957). Gemäß der Erfindung werden diese Spannungsabfälle jedoch- bestimmt, um durch Subtraktion von der gemessenen Potentialdifferenz die Reaktionspotentiale zu ermitteln.

Für die Ermittlung der Polarisationskurven ist es zweckmäßig, wenn die Stromstärke bei einer Stromrichtung zuerst so vergrößert wird, daß an einem Teil

der Grenze zwischen Erzkörper und Nebengesteinen kathodische Reaktionen und an dem anderen Teil der Grenze anodische elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden, wenn dann beim Durchleiten des Stromes in umgekehrter Richtung am ersten Teil der Grenze anodische und am zweiten Teil kathodische elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden und wenn die Potentiale der elektrochemischen Reaktionen an verschiedenen Stellen der Nebengesteine beim Durchleiten des Stromes in der einen und in der umgekehrten Richtung registriert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Polarisationskurven bei anodischer Polarisation nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 Polarisationskurven bei kathodischer Polarisation,

Fig.3 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel erhaltene Gesamtkurven von Reaktionen bei anodischer und kathodischer Polarisation,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Lage einer Sphäre eines Erzkörpers und der Meßpunkte an den Polarisationskurven nach F i g. 3,

F i g. 5 an einem der Punkte von F i g. 4 aufgenommene Summenkurven von Reaktionen bei kathodischer und anodischer Polarisation,

Fig.6 Kurven, die die Abhängigkeit der nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemessenen Scheinpotentiale von elektrochemischen Reaktionen vom Abstand der Meßpunkte vom Sphärenmittelpunkt illustrieren.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch einen Erzkörper Gleichstrom geleitet, der an der Grenze zwischen Erzkörper und Nebengesteinen nacheinander anfangs anodische und dann kathodische elektrochemische Reaktionen auslöst. Diese Reaktionen können auch in umgekehrter Reihenfolge verlaufen. Die Stromstärke wird stetig von null bis auf mehrere hundert Ampere vergrößert und in den verschiedenen Mineralien, die in den zu untersuchenden Erzen enthalten sind, wird eine Reaktion nach der anderen hervorgerufen. Der Verlauf jeder Reaktion ist durch ein bestimmtes Potential an der Grenze zwischen Erzkörper und Nebengesteinen und den Maximalstrom der Reaktion gekennzeichnet, der von der Fläche des betreffenden an der Oberfläche des Erzkörpers anliegenden Minerals abhängt. Durch Vergleich der Reaktionspotentiale mit früher bemessenen Tabellenwerten für verschiedene Mineralien wird die mineralische Zusammensetzung der zu untersuchenden Erzkörper ermittelt. Das Verhältnis der Maximalströme von Reaktionen an verschiedenen Mineralien entspricht dem Verhältnis ihrer Anzahl.

Die Summe der Maximalströme für alle Mineralien ist der Oberfläche des gesamten Erzkörpers proportional. Die Größe der Oberfläche wird unter Zuhilfenahme einer Proportionalitätszahl errechnet. Die bei der Messung an mehreren Bohrlöchern oder Abbaustellen festgestellten Unterschiede in der Größe der Oberfläche und der Zusammensetzung von Erzkörpern deuten darauf hin, daß die beim Durchörtern nachgewiesenen Erze zu verschiedenen Erzkörpern gehören.

Die Potentiale und die Maximalströme der Reaktionen lassen sich aus den Polarisationskurven bestimmen. Die Polarisationskurven zeichnet man unter gleichzeitiger Registrierung des durch den Erzkörper fließenden Stromes und des Potentials an der Erzkörpergrenzc auf. Bei der Messung des Erzkörperpotentials an der Grenze zwischen Erzkörper und Nebengesteinen wird der Spannungsabfall in den Nebengesteinen berücksichtigt.
Man zeichnet zwei Serien von Polarisationskurven auf: eine »anodische« und eine »kathodische« Kurvenserie. Die »anodische« Kurvenserie ergibt sich aus der Analyse von anodischen Reaktionen, die beim Anschluß des Körpers an den Pluspol der Stromquelle an der Körpergrenze entstehen. Die »kathodische« Kurvense-

K) rie kennzeichnet die kathodischen Reaktionen, die beim Anschluß des Körpers an den Minuspol der Stromquelle an der Körpergrenze hervorgerufen werden. Je nach der Vielfalt der mineralischen Bestandteile der Erze werden für jede Serie mehrere Polarisationskurven mit unterschiedlicher Geschwindigkeit der Stromstärkeänderung aufgezeichnet. Zwei Kurvenserien ermöglichen eine genauere Bestimmung der mineralischen Bestandteile und der Abmessungen des Erzkörpers.
Fig. 1 und 2 zeigen Polarisationskurven, die man bei dem Verfahren nach dem ersten Ausführungsbeispiel erhält.

Die Polarisationskurven 1 und 2 in F i g. 1 (bei anodischer Polarisation) sowie Γ und 2' in Fig. 2 (bei kathodischer Polarisation) sind eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des an der Grenze zwischen Erzkörper und Nebengesteinen entstehenden Potentials φ (in V) von der Stromstärke /(in mA).

Die gestrichelten Linien, die eine Verlängerung der geradlinigen Polarisationskurvenabschnitte darstellen, markieren auf der Potentialachse Potentialwerte φ + (bei anodischen Reaktionen) und φ- (bei kathodischen Reaktionen).

Die Geraden 1 und Γ kennzeichnen die anodischen und kathodsichen Reaktionen an einer Chalkosinader mit den für Chalkosin charakteristischen Reaktionspotentialen

( + 0,4)Vundg>_=(

Die Kurven 2 und 2', die sich bei einer Chalkosin-Pyritader mit einer Ausdehnung von 10 m ergaben, sind stufenförmig. Jede Stufe der Kurven entspricht einer bestimmten elektrochemischen Reaktion, die durch einen ihr eigenen Potentialwert φ₊ bzw. φ_ gekennzeichnet ist.

Für anodische Reaktionen erhält man Potentialwerte

von

,= +0,35

= +0,52 Vundg> _{+ 3}= +0,81 V.

Nach den Tabellenwerten entspricht das Potential φ₊ i=+0,35 V der Reaktion bei Chalkosin, und die Werte

φ _{+ 2}=+0,52 Vundqo + 3=+0,81 V

entsprechen den Reaktionen bei Pyrit. Für kathodische Reaktionen ergaben sich die Potentiale

φ_ι = +0,16 ν_;φ_₂= -0,53 V und<p-₃= - 1,9 V.

Anhand der Tabellenwerte wird in der untersuchten Erzader bei einem Potential von <p_i=+0,16V bo Chalkosin und bei Potentialen von

φ-₂= -0,53 V und φ-j= -1,9 V

Pyrit nachgewiesen.

Die Summe der Maximalströme für Chalkosin und Pyrit beträgt für kathodische Reaktionen 130 mA (in der

Zeichnung als gestrichelte Linie dargestellt). Unter

Berücksichtigung des Korrelationsfaktors, der den

Zusammenhang zwischen den-Maximalstromwerten der

ersten Reaktionen bei kathodischen Vorgängen und der Fläche, auf der sich die Reaktionen vollziehen, bei den jeweils gegebenen physikalischen und chemischen Bedingungen wiedergibt, ergibt sich eine Gesamtoberfläche der Erzader von ungefähr 140 m². Dementsprechend betragen die Abmessungen des Erzganges ca. 8x8 oder 8x9 m. Dieses Ergebnis entspricht ziemlich genau den tatsächlichen Abmessungen der untersuchten Erzader.

Beim Verfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Strom so durch einen Erzkörper geleitet, daß in der einen Stromrichtung an einem Teil der Erzkörpergrenze kathodische und an einem anderen Teil anodische elektrochemische Reaktionen hervorgerufen werden. Dann wird die Stromrichtung geändert und an den Grenzabschnitten, wo vorher kathodische Reaktionen vor sich gegangen sind, werden nun anodische Reaktionen und an den anderen Grenzabschnitten kathodische Reaktionen hervorgerufen. In jeder Stromrichtung wird die Stromstärke stetig vergrößert und zu den Reaktionen, die bereits im Gange sind, kommen nach und nach weitere Reaktionen hinzu. Bei jedem geänderten Stromwert werden die Potentiale an verschiedenen Stellen der Erzkörperumgebung gemessen, wobei man den Spannungsabfall in den Nebengesteinen berücksichtigt. Das jeweils gemessene Potential hängt von den an verschiedenen Stellen der Erzkörpergrenze infolge der sich vollziehenden kathodischen und anodischen Reaktionen auftretenden Potentialen sowie vom Abstand zwischen dem Erzkörper und dem Meßpunkt und von der Erzkörperform ab. Für jeden Wert der Stromstärke kann auch der Potentialgradient gemessen werden.

Anhand der gemessenen Stromstärke und Potentialwerte werden für jeden Meßpunkt in den Nebengesteinen Polarisationskurven aufgezeichnet, welche die an der Erzkörpergrenze ablaufenden kathodischen und anodischen Reaktionen kennzeichnen und Gesamt-Polarisationskurven von kathodischen und anodischen Reaktionen sind. Beim Vergleich dieser Polarisationskurven für jeden Meßpunkt beim Durchleiten des Speisestroms in der einen und in der entgegengesetzten Richtung ergeben sich getrennte »kathodische« und »anodische« Kurven, die sich auf ein und denselben Teil der Erzkörperoberfläche beziehen. Nach den einzelnen kathodischen und anodischen Kurven werden Scheinpotentiale φι von Reaktionen bestimmt, die, wie bereits erwähnt, von der Entfernung zwischen dem Erzkörper und dem Meßpunkt sowie von der Erzkörperform abhängen. Unter Berücksichtigung der bekannten Zusammenhänge zwischen der Potentialverteilung in der Erzkörperumgebung und der Erzkörperform sowie den Potentialwerten an der Erzkörperoberfläche ermittelt man nach den Werten der Scheinpotentiale von Reaktionen die Potentiale der Reaktionen an der Erzkörperoberfläche, d. h. die tatsächlichen Potentiale der Reaktionen sowie die Lage und die Form (Abmessungen) des untersuchten Erzkörpers.

Ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren wird durch einen Vergleich der tatsächlichen Potentiale der Reaktionen mit den Tabellenwerten die mineralische Zusammensetzung des Erzkörpers bestimmt.

Aus den einzelnen kathodischen und anodischen Polarisationskurven ermittelt man die Maximalstromwerte jeder Reaktion und auf Grund dieser Werte bestimmt man, ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens, den Anteil der einzelnen Erzkörpermineralien sowie die Oberflächengröße oder die Abmessungen der Oberflächenteile des Erzkörpers. In Fig.3 sind Gesamt-Polarisationskurven von kathodischen und anodischen Reaktionen 3,4,5,6 und 7 ^r) dargestellt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommen worden sind (die Koordinaten sind in gleicher Weise wie in Fig. 1 und 2 unterteilt). Die Kurven beziehen sich auf eine kupferne Sphäre in einer wäßrigen Lösung von

0,004 N-Na₂SO₄+ 0,002 N-NaCI

+ 0,002 N-CaCl₂H-O₁OISN-MgCO₃

mit Zusatz von CuSO₄. Die Sphäre befindet sich in einem homogenen elektrischen Stromfeld. Die Kurven

i^r> 3, 4, 5, 6 und 7 sind mit Hilfe verschiedener Meßpunkte 3', 4', 5', 6' und T der Sphärenumgebung von der Seite der kathodisch polarisierten Oberfläche her aufgenommen. Die Verteilung der Meßpunkte neben der Sphäre ist in F i g. 4 gezeigt. Die Kurven 8 und 9 (F i g. 5) sind vom Meßpunkt 5' aus gezogen, wobei die Kurve 8 zeigt, welches Bild sich bietet, wenn die am nächsten liegende Sphärenoberfläche kathodisch polarisiert wird, und die Kurve 9, wenn an dieser Oberfläche eine anodische Polarisation erfolgt.

2's Aus der Betrachtung der Gesamt-Polarisationskurven von kathodischen und anodischen Reaktionen (F i g. 3) kann man schließen, daß am Untersuchungsobjekt drei Reaktionen verlaufen, und zwar erfolgen bei einer Stromstärke bis 90 mA eine kathodische und eine

jo anodische Reaktion und bei einer Stromstärke über 90 mA kommt noch entweder eine kathodische oder eine anodische Reaktion hinzu. Ein Vergleich der von einem Meßpunkt (Fig. 5) bei kathodischer und anodischer Polarisation der am nächsten liegenden Oberfläehe des Objekts erhaltenen Polarisationskurven zeigt, daß die dritte Reaktion kathodisch ist, da ihre Intensität bei kathodischer Polarisation größer wird und bei anodischer Polarisation abnimmt. Daraus folgt, daß am Untersuchungsobjekt zwei kathodische Reaktionen und eine anodische Reaktion vor sich gehen, wobei die anodische Reaktion durch ein geringes Potential gekennzeichnet ist. Die Gesamt-Polarisationskurven fallen also bei kathodischer Polarisation der Oberfläche des untersuchten Objekts beinahe mit einzelnen (J

kathodischen Kurven zusammen und unterscheiden sich von diesen nur dadurch, daß noch eine anodische Reaktion hinzukommt.

Die Scheinpotentiale der anfänglichen kathodischen und der anodischen Reaktion für isometrische Körper werden annähernd berechnet. Dazu errechnet man den Anteil der entlang der Potentialachse erfolgenden Potentialverschiebung für eine anodische Reaktion bei kathodischer Oberflächenpolarisation. Erfahrungsgemäß beträgt dieser Anteil ein Viertel der Gesamtpotentialverschiebung für beide Reaktionen. Der ermittelte Wert wird von allen Scheinpotentialen der summierten Polarisationskurve subtrahiert, die bei kathodischer Polarisation der am nächsten liegenden Oberflächen aufgenommen wurde.

bo Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das Anfangspotential des Untersuchungsobjekts annähernd Null ist, wurden aus den nach dem beschriebenen Verfahren aufgenommen und in der Zeichnung dargestellten Kurven Scheinpotentiale φι der Reaktionen für jeden Meßpunkt ermittelt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden von vorgegebenen Entfernungen r (Fig.4) vom Objektmittelpunkt bis zu den Meßpunkten ausgegan-

gen. Im allgemeinen lassen sich diese Entfernungen bekanntlich leicht durch Messungen an am Objekt entlanggeführten Profilen bestimmen. Die für alle drei Reaktionen errechneten Werte φι sind auf einem Papier (F i g. 6) mit doppellogarithmischem Maßstab eingetragen, dessen Abszissenachse in r-Werte (in cm) und dessen Ordinatenachse in φι-Werte (in V) unterteilt sind. Die Kurve 10 kennzeichnet die Abhängigkeit der Werte φι von r bei der ersten kathodischen Reaktion, die Kurve 11 die gleiche Abhängigkeit für die zweite kathodische Reaktion und die Kurve 12 für die anodische Reaktion. Die Kurven 10, 11 und 12 haben einen für eine Sphäre charakteristischen Verlauf mit einem nach dem rechten oberen Quadranten konvexen Bereich bei kleinen r-Werten und mit einem fast linearen Kurvenbereich bei großen r- Werten, wobei der Tangens des Neigungswinkels ungefähr 2 beträgt. Aus dem Verlauf dieser Kurven ergibt sich, daß das Untersuchungsobjekt eine Sphäre darstellt. Auf die gezeichneten Kurven legt man eine für eine Sphäre berechnete Schablone und an den Schnittpunkten ihrer in Einheiten unterteilten Linien liest man am Koordinatengitter den Sphärenradius und die tatsächlichen Potentialwerte φι der Reaktionen ab. Im vorliegenden

Fall ergaben sich folgende Werte:

Ermittelte
Werte

Tatsächliche Werte

Sphärenradius 1,32—1,4 cm 1,5 cm

Potentiale der Reaktionen:

I. kathodische Reaktion (φ -1)—0,205 V — 0,2 V

II. kathodische Reaktion (g>_₂)-0,96V -1,0 V

I. anodische Reaktion (φ+) + 0,076 V + 0,1 V

Die ermittelten Potentialwerte entsprechen den Potentialen von elektrochemischen Reaktionen an Kupfer

[φ₊ =(0,0)-( + 0,l) ν_;φ_, = -0,2 V;<p_₂
= (-l,0)-(-l,l)V].

Daraus schließt man, daß die untersuchte Sphäre aus Kupfer besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, die mineralische Zusammensetzung, die Lage und die Abmessungen eines Erzkörpers in seiner natürlichen Lagerung zu ermitteln.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 709 582/19

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Geophysikalisches Erkundungsverfahren zur Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung und der Maße eines Erzkörpers mittels Durchleiten eines Gleichstroms von unterschiedlicher Stärke und Polarität zur Erregung von kathodischen elektrochemischen Reaktionen bei der einen Polarität oder anodischen elektrochemischen Reaktionen bei der anderen Polarität an der Grenze von Erzkörper und Nebengesteinen und Messung von Potentialdifferenzen mit Hilfe von Meßelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Polarität die Stromstärke des durch den Erzkörper fließenden Stromes stetig entweder erhöht oder verringert wird und gleichzeitig unter Abzug des Spannungsabfalls in den genannten Nebengesteinen aus den gemessenen Potentialdifferenzen zwischen den Meßelektroden die Abhängigkeit zwischen der Stärke des durch den Erzkörper fließenden Stromes und dem Potential des Erzkörpers in bezug auf die Nebengesteine in Form von Polarisationskurven registriert wird.

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