DE1911687B2

DE1911687B2 - Verfahren der angewandten Geophysik zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden elektromagnetischen Wechselfeldes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1911687B2
Application number: DE1911687A
Authority: DE
Inventors: Anthony Rene Willowdale Ontario Barringer (Kanada)
Original assignee: Barringer Research Ltd
Current assignee: Smiths Detection Toronto Ltd
Priority date: 1968-03-09
Filing date: 1969-03-07
Publication date: 1973-12-13
Also published as: US3594633A; DE1966639A1; JPS5344121B1; SE355418B; SE376312B; GB1261732A; DE1966639B2; DE1911687A1; DE1911687C3; FR2003593A1; JPS5017921B1

Description

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linien welle iiher Tausende von Kilometern ausheilen niedrigen Frequenzen /wischen 15 und 150 in. Die

und dahei abhängig von der Frequenz und der Leit- McBvon ichtung wird beispielsweise in eir.ei Höl'.e

fähigkeit des Bodens lief in lIcii Erdboden eindringen. von 45 his 450 in über den Boden geflogen. Die ge-

Da-i unbeeinflußte, unveränderte elekironiagne- wühlte Höhe hängt du ν on ab, ob Karte» niii speziellen

fische Feld diener Sender am Mcl.'on ist im allgemein en ö Einzelheiten oder oh nur Übersichtskarten hergestellt

nicht hekamit. doch v.ird durch die Ausnutzung der werden sollen. Die Eilindimg läßt sich, auf geolo-

lertikalen elekirisi-hen Ee!dkompor,enie, die prak- aisi-hem Gebiet beispielsweise zur Kartographieiung

lisch von den Inhomogenitäten im Erdboden nicht von Verwerfungen, Verbindungsschicluen und leit-

tieciniliißt wird, eine Ausnutzung dieser elektro- fähigen K. ,nzonen in geeigneten Schichten ver-

magn-Mischen Felder für geophysikalische Messungen ic wenden. Ferner kann das Verfahren zur Suche von

möglich. Waf.serqucllen benutzt werden. Eine weitere An-

Vorteiihafterwci.se werden Signale proportional zu weiuningsmöülichkeit besteht in der Bestimmung von

den Amplituden der ersten Komponente des magne- großen Leitfähigkeitsbereichen in Süß- oder SaL-

tischen Feldes und der vertikalen elektrischen Feld- v\asser.

lomponente erzeugt, und aus dem Signal der ersten 15 Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Komponente des magnetischen Feldes wird eine- Aiisführungsbeispiele zeigenden Figuren näher er-

Signalkomponente abgetrennt, die gegenüber dem läutert.

Signal, das proportional zur Amplitude der vertikalen Fig. 1 zeigt schematised die tvpische Antenner.-

«lektrischen Feldkomponente ist. 90 phasetner- anordnung gemäß der Erfindung bezogen auf die

schoben ist. 20 Flugrichtung:

Zur Durchführung des erfmdungsgemäßen \ er- F i g. 2 zeigt ein BiO'^chailhild einer einlachen

!'ahrens kann tine Vorrichtung mit einer ersten, im Anordnung zur Messung der Phasen- und der Ver-

wcsenilichen nicht auf elektrische Feldkomponcnten scl'iebungskomponente des magnetischen leides:

ansprechenden Empfangsantenne mit naehgesclial- F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung

tetem Verstärker zum Empfang eines Signals in =5 zur Messung der horizontalen und vertikalen Kompo-

Abhängigkeit von der Amplitude einei ersten Rieh- nenle des elektrischen Feldes und der Phasen- und

lungskomponente des magnetischen Felde> dienen, die der Verschiebungskomponenii¹ des magnetisclien

sich auszeichnet durch eine zweite Empfangsantenne Feldes;

ZUi Aufnahme eines in fester Phasenbeziehung zur F i g. 4 zeigt das Blockschaltbild für eine Anorcl-

vertikalen elektrischen Feldkomponente stellenden 30 nung mit drei senkrecht zueinander angeordneten

Signals, durch einen ersten, mit der ersten Empfangs- magnetischen Dipolantennen und einer horizontalen

antenne verbundenen Phasendetektor, der zur Er- elektrischen Antenne.

/eugung einer ersten Spannung, deren Amplitude Die Erfindung, beruht im wesentlichen auf folgenden

proportional zur Amplitude des in fester Phasenbe- Grundlagen:

Ziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponeme 35 Die Bodenwelle hat ihre Ursache in Hochfrequenzstehenden Teils der ersten Komponente des magne- strömen, die in der Antenne der Funkstation fließen, tischen Feldes ist, mit einem Signal von der zweiten Die Bodenwelle ist eine elektromagnetische Welle Empfangsantenne bez.iigsgesteucrt ist, und durch eine mit abwechselnden senkrecht zueinander gerichteten mit dem ersten Phasendeteklor verbundene Anordnung elektrischen und magnetischen Feldkomponentep. zur Messung der ersten Spannung. 40 Die elektrische Feldkomponente ist normalerweise

Eine weiter ausgestaltete Vorrichtung zcich.net sich vertikal polarisiert, jedoch dicht am Boden etwas aus durch eine weitere Empfangsantenne zur Auf- nach vorn geneigt, so daß sie in eine große vertikale nähme eines in fesler Phasenbeziehung zu einer und eine kleine horizontale Komponente zerlegt horizontalen elektrischen Feldkomponeme mit vor- werden kann. Die magnetische Feldkomponente verbestimmter Richtung stehenden Signals, durch einen -15 läuft normalerweise horizontal Lind im rechten Winkel mit der zweiten Empfangsantenne verbundenen 90°- zur Richtung des Senders. Weiden Leiter im Boden Phasenschieber, durch einen mit der zweiten Emp- vom magnetischen Feld durchsetzt, so fließen in ihm fangsantenne verbundenen, vom Phasenschieber be- Wirbelströme, die ein sekundäres Feld erzeugen, das zugsgesteuerten Phasendeteklor zur Erzeugung einer sowohl horizontale und vertikale Komponenten an Spannung, deren Amplitude propotional der Ampli- 50 der Oberfläche als auch solche Komponenten auflüde des Teils der horizontalen elektrischen Feld- weist, die in Phase mit der Bodenwelle und die 90 komponente ist, der sich in Phase mit der vertikalen phasenverschoben gegenüber der Bodenwelle sind, elektrischen Feldkomponente befindet, und durch Da die magnetische Feldkomponente der Bodenwelle eine mit dem Phasendeteklor verbundene Anordnung normale-weise horizontal gerichtet ist, erfolgt keine zur Messung der Spannung. 55 Koppelung mit horizontal verlaufenden leitfähigen

Die Messung und Auswertung der horizontalen Schichten und eine maximale Koppelung mil vertikal

Komponente des elektrischen Feldes ist besonders bei verlaufenden leitfähigen Schichten. Daher entsteht

homogenem odei horizontal geschichtetem Boden das sekundäre Feld hauptsächlich, wenn im Erdboden

zweckmäßig und kann zur Herstellung von Karten geneigte Leiter vorhanden sind. Obwohl vorzugsweise

der Widerstanclsverteilung benutzt werden. Bei einer 60 sowohl die Phasenkomponente als auch die Ver-

derartigen Messung spielt die Änderung der Antennen- schiebungskomponente gemessen wird, wurden auch

neigung der Antenne für die horizontale elektrische bereits erfolgreich Vermessungen durchgeführt, bei

Feldkomponente praktisch keine Rolle, denn das denen nrr die Verschiebungskomponente gemessen

Ausgangssignal der Antenne hängt lediglich von der wurde.

Impedanz des darunter liegenden Bodens ab. fi5 Jede einzelne Wirbelstromkomponente kann als

Die Eiiulringt!?fe des ausgenutzten elektromagne- magnetischer Dipol angeschen werden. Das Ver-

tischen Feldes hängt von der Leitfähigkeit des Bodens iiiessungsllugzeug befindet sich notwendigerweise im

und der Frequ^pliz ab. Üblicherweise liegt sie bei Nahl'eld jedes magnetischen Dipols, da der Abstand

zwischen I lug/eng und magnetischem Dipol immer nur einen Bruchteil der Wellenlänge der vom Sender ausgestrahlten Signale ist. Im Nuhfcld eines magnetischen Dipols überwiegt das magnetische Feld gegenüber dem elektrischen l-'ekl. Daher wird die Phase (und zu einem etwas geringeren (!rad die Amplitude) der vertikalen elektrischen Fcldkomponente nur ganz geiingfügig von den vorhandenen geneigten Leitern beeinllul.lt, während die magnetische Feldkomponente sehr stark verändert wird. Somit stellt die vertikale elektrische Feldkomponcnte eine ideale Bezugsgröße zur Messung von Phasen- und Amplitiidcnündcrungcn des sekundären Feldes dar.

In der Anordnung gemäü F i g. I wird die vertikale Komponente des elektrischen l'cldes mit Hilfe einer vertikalen Stabantenne 10 gemessen, die auf übliche Weise am Flugzeug oder einem anderen Vermcssi'iigsfahrzcug angebracht ist. Das horizontale magnetische Feld wird mit einer horizontalen magnetischen Antenne 11, beispielsweise einer elektrostatisch gesehiimten Spule auf einem Ferritstall, gemessen. Vorzugsweise befindet sich die Antenne II in einer Hülse aus Fiberglas (manchmal als »Stachel« bezeichnet), die sich vom hinteren Teil des Flugzeuges weg erstreckt, um die Antenne 11 vom Metall des Flugzeuges abzutrennen. Eine horizontale elektrische Antenne 12 aus einem langen Draht wird vom Flugzeug geschleppt. Sie wird zur Messung der horizontalen Komponente des elcktiischcn Feldes benutzt. Die horizontale magnetische Antenne Il erstreckt sich rechtwinklig zur Flugrichtung (durch Pfeil 13 angedeutet).

Man erkennt, daß zur Messung des gesamten horizontalen magnetischen Feldes eine zusätzliche horizontale magnetische Antenne benutzt werden kann, die rechtwinklig zur dargestellten angeordnet ist, und daß zur Messung des gesamten dreidimensionalen magnetischen Feldes eine vertikale magnetische Antenne hinzugefügt werden kann.

In F i g. 2 ist eine einfache Anordnung zur Messung der Phasen- und der Vei Schiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes bezogen auf dss vertikale elektrische Feld dargestellt. Das vertikale elektrische Feld wird von der Antenne 10 ausgewertet, die mit üblichen Mitteln auf die gewünschte Frequenz, z.B. 17,8 kHz, abgestimmt ist. Das Ausgangssignal der elektrischen Antenne 10 wird einem abgestimmten Verstärker 15 zugeführt. Das horizontale magnetische Feld wird von der horizontalen magnetischen Antenne 11 aufgenommen, die mit einem Vei stärker 16 verbunden und ebenso wie der Verstärker 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. Die Phasendetektoren 17 und 18 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 als der Spulenwiderstand ist), während die Spannung an der elektrischen Antenne 10 in Phase mit dem elektrischen Feld ist, muß das Ausgangssignal des Verstärkers 15 um 9(T phasenverschoben werden, um eine Bezugsspannung für den Phasendetektor 17 zu erhalten. Dies erfolgt durch ilen zwischen Verstärker 15 und Pliascndctcktoi 17 geschalteten Phasenschieber )9. Das Ausgangs signal des Phascndetektors 17 besteht daher au< Komponenten, die in Phase mit dem elektrischer S Feld sind. Der Ausgang des Verstärkers 15 ist zui Erzeugung einer Bezugsgröße für die Bestimmung der Verschicbungskomponenle direkt mit dem Phasen· detektor 18 verbunden. Die Ausgangssignalc dei Phascndclcklorcii 17 und 18 werden jeweils dem Auf-

ό zeichner 20 zugeführt. Alle Schaltungselemente um!

die Antennen sind von üblicher Bauart. Durch Analyse der aufgezeichneten Daten lassen sich Amplitude unc Phasenverschiebung des sekundären Feldes berechnen Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 wird sowoh die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes als auch die Phasen- und die Verschicbungskomponentc des horizontalen magnetischer l'cldes gemessen. Die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes, die mit der von Flugzeug geschleppten Drahtantenne gemessen wird, wird von Leitfähigkeitsänderungen im homogener oder horizontal geschichteten Boden, jedoch nicht von magnetischen Feldkomponcntcn beeinflußt, die nicht mit den horizontalen Leitern gekoppelt sind

=5 Das Verhältnis von horizontaler Komponente de:· elektrischen Feldes, die parallel zui Ausbreitiingsriclitimg der Bodenwelle über dem horizontalen Boden ist. zu vertikaler Komponente des elektrischen FeUk-ist proportional zur Quadratwurzel aus dem Widerstand des Erdbodens unterhalb des Flugzeuges odor Fahrzeuges, aus dem die Messung gemacht wird, iim.1 die Messung ist verhältnismäßig unabhängig von dei Flughöhe.

Man erkennt, daß gemäß F i g. 3 die Messung ik-i

Phasen- und der Verschicbimgskoniponcntc do> horizontalen magnetischen Feldes genau wie gemiil· F i g. 2 erfolgt (die entsprechenden Beztigszeiclicii sind gleich). Der wesentliche Unterschied bcsiii.l jedoch in einem zusätzlichen Kanal zur Messung .u-i

horizontalen Komponente des elektrischen IcUk-. Die horizontale lange Drahtantenne 12 ist mit c?i. -m Verstärker 21 verbunden, dessen Ausgangssignal ei ι..111 Phasendetektor 22 zugeführt wird. Der Ph;r-,\idetektor 22 erhält eine Bezugsspannung vom Au-ILhJj

des Phasenschiebers 19, so daß das AusgangsMuiin! des Phasendetektors aus einer Spannung bestehi. uü gegenüber der Spannung an der vertikalen clcktnV ei Antenne 10 um 90° phasenverschoben ibt. Die \ v gangssignale der Phasendetektoren 17. 18 und 21

so werden dem Aufzeichner 23 zugeführt.

Die horizontale Antenne 12 ist von üblicher Rauart und weist einen kleinen Halteschacht od. ä. auf um die Antenne etwa horizontal zu halten. Da nur die phasenverschobene horizontale Komponente gc-

messen wird, beeinflussen geringe Abweichungen \or der Horizontalen die Amplitude der aufzuzeichnenden Komponente nicht.

Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung ähnelt dei Anordnung gemäß F i g. 3, jedoch sind zwei zusatz-

liehe magnetische Antennen vorgesehen, um Dater über die drei zueinander senkrechten Komponenter des gesamten magnetischen Feldes zu erhalten. Die mit F i g. 3 übereinstimmenden Teile sind mit der gleichen Bezugszeichen versehen und werden nichi

^S5 näher beschrieben. Zusätzlich vorgesehen ist die ir Flugrichtung angeordnete horizontale magnetisch« Antenne 24 and die vertikal angeordnete magnetisch« Antenne 25. Diese Antennen 24 und 25 sind jeweils

mit Verstärkern 26 und 27 verbunden, deren Ausgangssignale jeweils den Phascndelcktoren 28. 29 und 30, 31 zugeführt werden. Den Phascndclcklorcn 29. 31 wird, ähnlich wie vorstellend fiit den Phascndctcktor 17 beschrieben, vom Ausgang des Phasenschiebers 19 eine licziigsspannung zugeführt, so daß sich ihre Atisgangssignalc in Phase mit ilem vertikalen elektrischen KcIi' befinden. Den Phascndctcktorcn 28. 30 wird vom Verstärker 15. ähnlich wie dem Phascndctcktor 18. eine Hezugsspannung zugeführt, wodurch ihre Ausgangssignalc um 90° gegenüber dem vertikalen elektrischen Feld verschoben sind.

Die mit der Anordnung gemäß F i g. 4 ermittelten Daten können zur Bestimmung der Erstreckungsrichtung und des Neigungswinkels eines geneigten Leiters ausgewertet werden. Diese Auswertung erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Computer, der deiait programmiert wird, daß er die Richtung und Amplitude der Phasen- und der Verschiebungskomponente ermittelt, die das gesamte horizontale magnetische Feld darstellen (dabei werden die Daten der beiden horizontalen Kanäle benutzt) oder die das gesamte räumliche magnetische Feld darstellen (dabei werden die Daten aller drei Kanäle benutzt), wobei die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der aufgezeichneten Signale gezogen wird. Es ist erwünscht, mindestens den Vektor des gesamten horizontalen magnetischen Feldes zu ermitteln, da dieser verhältnismäßig unabhängig von Kursänderungen des F.'jgzeuges ist.

Die von den vorstehend beschriebenen Anordnungen ermittelten Daten werden auf übliche Weise aufgezeichnet, beispielsweise mit einem Streifenschreiber oder auf einem Magnetband. Nach der Aufzeichnung der Daten ist eine Bearbeitung erforderlich, um die Richtung und Amplitude des gemessenen magnetischen Feldes in geeigneten Abständen entlang einer Strecke zu bestimmen. Dies erfolgt zweckmäßigerweise mit einem Digitalrechner.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Boden mit Strömen im Boden verbunden, die mit gleicher Frequenz wie die Wellen radial vom Sender weg und auf diesen zu fließen. Die Stromdichte im Boden wird von örtlichen leitfähigen Inhomogenitäten gestört, wodurch Verformungen in dem von den magnetischen Antennen gemessenen magnetischen Feld entstehen. Diese Verformungen haben die Neigung, sekundäre Felder zu verdecken, die von Erzlagern ausgehen, so daß es häufig erwünscht ist, sie auszuschalten. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Stromschichten im Boden in einem großen Bereich der Bodenleitfähigkeit mit einer Abweichung von 2° oder weniger eine Phasenverschiebung von fast 45° gegenüber dem elektrischen Feld haben. Falls die magnetische Feldkomponente bei einem Winkel von 90° bis zum Phasenwinkel der Stromschicht im Boden (d. h. bis zu einem Winkel von 135° bezogen auf das vertikale elektrische Feld) synchron abgetastet wird, so gelangt keine der zur Stromschicht im Boden gehörenden magnetischen Feldkomponenten durch den synchron arbeitenden Detektor, und das resultierende Signal ist frei von Komponenten infolge der Bodenströme. Diese Betriebsweise kann mit einem Computer erreicht werden: es kann jedoch auch ein 45°-Phasenschieber in der Anordnung vorgesehen werden. Die in den Anordnungen (z. B. F i g. 3 oder 4) gesammelten Daten enthalten jedoch alle erfoi derlichen Informationen, und es ist /weckmäßiger, die VciiirbeiUmg im Laboratorium vorzunehmen, statt die im Vermessungsflugzeug zu befördernde Anordnung komplizierter zu machen.

Die relative l'nabhängigkcit der Phase der vertikalen elektrischen I'eldkomponentc von örtlichen Änderungen der Leitfähigkeit im Hoden ist unabhängig von tier Frequenz. Deshalb wird die obere [•Ycqiicnzgrcnzc üblicherweise durch die gewünschte

jo F.iiidringticfc bestimmt. Verhältnismäßig oberflächliche Unregelmäßigkeiten können unter Verwendung höherer Frequenzen erforscht werden. Die Verwendung hoher Frequenzen (z. B. bis 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung begrenzter ist. Diese Schwierigkeiten können bis zu einem gewissen Grade durch die Verwendung lokaler, weniger Kilometer vom Vermessungsbereich angeordneter Sender vermieden werden. Die folgende Tabelle gibt den Standort einiger typischer VLF-Sender an:

Sender	Ort	Frequenz
NAA	Cutler, Maine	17.8 kHz.
₃o NSF	Annapolis, Maryland	2L4kHz
NPG	Seattle, Washington	18.6 kHz
WWVL	Fort Collins, Colorado	20.OkHz
GBR	Rugby, England	16,OkHz

Die Erfindung soll hauptsächlich im Fernfeld des Senders, d. h. mehr als fünf Wellenlängen entfernt arbeiten. Im Nahfeld ändert sich die Phasendifferenz zwischen der vertikalen elektrischen Feldkomponente und der horizontalen magnetischen Feldkomponente mit dem Abstand vom Sender, jedoch bleibt die vertikale elektrische Feldkomponente verhältnismäßig unbeeinflußt von Änderungen der Bodenleitfähigkeit. Soll also beim Arbeiten im Nahfeld des Senders die vertikale elektrische FeldkomponentP als Bezugsgröße benutzt werden, so muß die genaue Lage des Senders bekannt sein, und es müssen entsprechende Einstellungen vorgenommen werden, um die entfernungsabhängige Phasenänderung der vertikalen elektrischen Feldkomponente auszugleichen.

Es ist erwünscht, einen VFL-Sender (oder eine andere Quelle) mit einem solchen Standort zu wählen, daß die Richtung der sich durch die Erde ausbreitenden magnetischen Feldkomponente möglichst rechtwinklig zur Haupterstreckungsrichtung der im zu vermessenden Gebiet liegenden Erzlager verläuft. Dies ist nicht immer zu erreichen, und die Haupterstreckungsrichtung ist nicht immer vorher bekannt. Dann empfiehlt es sich, zwei gleiche erfindungsgemäße Vorrichtungen zu benutzen, die auf verschiedene VFL-Sender abgestimmt sind. Die beiden Sender werden so gewählt, daß sich die erzeugten magnetischen Feldkomponenten im Vermessungsbereich möglichst rechtwinklig schneiden.

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 Qm etwa 120 m, bei einem Erd-

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widerstand von IOOUm etwa 40 in und hei einem firdwiderstand von 1012m etwa 10 in. Über einem horizontal geschicliiclcm Erdboden, dessen Schichttiefe geringer als die Eiiulringticfc ist, laut sich das vertikale Schichtprolil durch Messung tier Bodcnimpcdan/en bei zwei oder mehr wesentlich unterschiedlichen Wellenlängen ermitteln. So kann die Messung '. 15. bei IX und bei 18OkIIz vorgenommen werden, wobei man sich um den Faktor 3 unlcischeidende Eindringtiefcn erhält. Jc mehr F-Yeqiicnzcn verwendet weiden, desto genauer läßt sich das Schichtprolil ei mitteln. Nach oben ergibt sich eine Frcqucnzgrcnze durch das schnelle Abklingen der Bodenwelle bei hohen Frequenzen und durch den verstärkten Einfluß von komplexen Impedanzen.

In den bisher beschriebenen Anordnungen wurden zur Durchführung des crfindungsgemäßen Verfahrens Bodenwellen von VFL-Sendcrn 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 \L·. bis in den VHF-Bcreich. Bei einem Abstand von nicht weniger als wenige hundert Kilometer von einem gegebenen Blitzsehlag 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 Ausbreitungsmöglichkeitcn, und es können Signale viele tausend Kilometer von ihren Scndcqucllcn entfernt empfangen werden. Benutzt man eine Blitzentladung als Quelle für die Bodenwelle, so kennt man nicht die genaue Richtung dieser Quelle. Diese Schwierigkeit kann jedoch dadurch umgangen werden, daß man das gesamte horizontale magnetische Feld mißt, wie dies an I land von F i g. 4 beschrieben wurde. Die beschriebene Anordnung kann herab bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 2 kHz benutzt werden, wenn die Entladung mindestens 400 km entfernt ist.

Wie bereits beschrieben, ist die Phasendifferenz zwischen der vertikalen elektrischen Fcldkomponentc und der horizontalen magnetischen lcldkomponcntc ίο bei einem Abstand von weniger als etwa 5 Wellenlängen von der Quelle abhängig vom Abstand. Bei Verwendung natürlicher elektromagnetischer Felder (z. B. von Blitzentladungcn) ist es erwünscht, mit so hohen Frequenzen (etwa 10 kHz) zu arbeiten, daß die statistische Wahrscheinlichkeit groß ist, daß der Abstand von der Quelle größer als 5 Wellenlängen i.=t. Falls besonders niedrige Frequenzen für die Untersuchung von Bereichen benutzt werden, z. B. in der Größenordnung von 50 Hz oder weniger, ist dafür zu sorgen, daß Signale, die von Quellen in einem Abstand von weniger als 5 Wellenlängen stammen, unterdrückt werden.

Die von der beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung gesammelten Daten sind gut für die Veras arbeitung im Computer geeignet. Falls gewünscht, kann eine gewisse Datenverarbeitung im Vermessungsflugzeug durchgeführt werden, so daß dem Computer nur noch die Analyse der Daten bleibt. So ist es beispielsweise möglich, die von dei vertikalen elektrischen Antenne und von den magnetischen Antennen aufgefangenen Signale gleichzeitig aufzuzeichnen, ohne daß dabei im Flugzeug Phasendetektoren verwendet werden, und diese Daten später einem Computer zuzuführen, der daraus die Phasen- und Verschiebungskomponente des magnetischen Feldes bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 9 ! 1 Patentansprüche:

1. Verfahren der angewandten Geophysik zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden elektromagnetischen Weehselfeldes, das \oii einer entfernten Quelle abgestrahlt wird und eine horizontale magnetische Feldkoniponente sowie eine \ertikale, elektrische Feklkomponente enibäli, wobei kontinuierlich entlang eines \orbestimmten Weges bzw. an bekannten Punkten des Weges ein erstes Signal mit fester Piiasenbeziehung zu mindestens einer ersten Komponente des magnetischen Feldes aufgenommen und aufgezeichnet wird, dadurch ge ken η zeich-η e t. daß gleichzeitig ein zweites Signal mit fester Phasenbeziehung zur \ertikalen elektrischen Feldkomponente aufgenommen und aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, da' Signale proportional zu den Ampliluden der eisten Komponente des magnetischen Felde·* und der vertikalen elektrischen Feldkomponente erzeugt werden und daß aus diesem Signal der ersten Komponente des magnetischen Feldes eine Signalkomponente abgetrennt wird, die gegenüber dem Signal, das proportional zur Amplitude der vertikalen elektrischen Feklkomponente ist, um 90 phasenverschoben ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ersten, iiii wesentlichen nicht auf elektrische Feldkomponcnien ansprechenden r.mpfai ^santenne mit nachgeschaltetem Verstärker zum Empfang eines Signals in Abhängigkeit von der Amplitude einer ersten Richtungskomponente des magnetischen Feldes, gekennzeichnet durch eine zweite Empfanasantenne (10) zur Aufnahme eines in fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente stehenden Signals, durch einen ersten, mit der ersten Empfangsantenne (11) verbundenen Phasendetektor (17), der zur Erzeugung einer ersten Spannung, deren Amplitude proportional zur Amplitude des in fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feklkomponente stehenden Teils der ersten Komponente des magnetischen Feldes ist, mit einem Signal von der zweiten Empfangsantenne (10) bezugsgesteuert ist, und durch eine mit dem ersten Phasendetektor (17) verbundene Anordnung (20) zur Messung der ersten Spannung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine weitere Empfangsantenne (12) zur Aufnähme eines in fester Phasenbeziehung zu einer horizontalen elektrischen Feldkomponente mit vorbestimmter Richtung stehenden Signals, durch einen mit der zweiten Empfangsantenne (10) verbundenen 90°-Phasenschieber (19), durch einen mit der zweiten Empfangsantenne (10) verbundenen, vom Phasenschieber (19) bezugsgesteuerten Phasendetektor (22) zur Erzeugung einer Spannung, deren Amplitude proportional der Amplitude des Teils der horizontalen elektrischen Feldkomponente ist, der sich in Phase mit der vertikalen elektrischen Feklkomponente befindet, und durch eine mit dem Phasendetektor (22) verbundene Anordnung (23) zur Messung der Spannung.

Die IZrlindiiiig bezieht sich auf ein Verfahren der angeuandten Geoplnsik zur Messung der Verformten a eines in den Erdboden eindringenden elektromagnetischen Wechselndes, das \on einer entfernte!] Quelle abgestrahlt wird und eine horizontale magnetische reidkomporicnte sowie eine vertikale, elekirische Feldkomponenie enthalt, wobei kontinuierlich entlang eines \orhesiimmten Weges bzw. an bekannten Punkten des Weges ein erstes Signal mit fester Phascnbeziehung /u mindestens einer ersten Komponente des magnetischen Feldes aufgenommen und imigezeichnet wird.

Bei den bisher bekannten Verlahren dieser Art (britische Patentschriften 697 933, 813 577, S27 842)

wurden in einen¹ Flugzeug ein oder mehiere Sender über den zu untersuchenden Boden bewegt und die magnetische Komponente des sich bildenden elektromagnetischen Feldes mittels mit dem Flugzeug transportierter Antennen gemessen. Die Mitführung djs

oder der Sender im Meßflugzeug ist erforderlich, da für die Durchführung der Messung das unveränderte, j η beeinfluß te elektromagnetische Feld bekannt scm muß. da sonst die durch den Erdboden hervorgerufenen Veränderungen nicht festgestellt werden können.

Somit ist dieses bekannte Verfahren verhältnismäßig umständlich, da Sender und Empfänger im Flugzeug mitseführt werden müssen, was einen komplizierten Meßauf bau erfordert und insbesondere zu Abschirmproblemen führt.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Ermittlung der Zusammensetzung \on Bodenschichten (britische Patentschrift 985 500) erzeugt ein besondeier Sender ein um eine vertikale Achse mit der Winkelgeschwindigkeit der gewünschten Frequenz

3:- rotierendes Magnetfeld, und mit einer anderen Antenne wird die Phasenlage des empfangenen Feldes bestimmt, um daraus auf die Zusammensetzung des Bodens zu schließen. In diesem Fall ist also außei der Meßantenne auch ein besonderer Sender mit speziellen Eigenschaften erforderlich.

Es is! demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren zu schaffen, das keinen speziellen Sender benötigt, dessen ungestörtes elektromagnetischcs Wechselfeld am Meßort bekannt ist.

Diese Aufgabe wird erlindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß gleichzeitig ein zweites Signal mit fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente aufgenommen und aufgezeichnet wird.

Es ist an sich bereits bekannt, daß die vertikale elektrische Feklkomponente eines elektromagnetischen Feldes nur sehr geringfügig von örtlichen Änderungen der Leitfähigkeit im Boden beeinflußt wird, während die magnetische Feklkomponente sowohl in Phase als auch in Amplitude sehr stark durch vorhandene geneigte leitfällige Schichten und etwas weniger stark durch Impedanzänderungen des Bodens beeinträchtigt wird.

Durch die erfmdungsgemäße Messung eines der vertikalen elektrischen Feklkomponente zugeordneten Signals wird es überraschenderweise möglich, entfernt vom Meßort und auch entfernt von der für die Messung benutzten Empfangsantenne stehende Sender für elektromagnetische Felder zu benutzen, die an sich für andere Zwecke vorgesehen sind.

So gibt es beispielsweise eine große Anzahl von sehr leistungsstarken Funksendern, die im Bereich ven 14 bis 30 kHz arbeiten und deren Signale sich als