DE2552055B2 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen geochemischen Erkundung von mineralischen oder kohlenwasserstoffhaltigen Ablagerungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur schnellen geochemischen Erkundung von mineralischen oder kohlenwasserstoffhaltigen AblagerungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen geochemischen Erkundung
von mineralischen oder kohlenwasserstoffhaltigen Ablagerungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
bzw. des Anspruchs 7.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits bekannt (CA-PS 9 32 252, CAPS 9 35 366 und CAPS 9 44 607), und mit ihnen werden durch Wind sowie durch Konvektionsströme in die Luft hochgetragene atmosphärische Gas-, Dampf- oder Teilchenproben gesammelt, konzentriert und analysiert, und die Zusammensetzung der Proben läßt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des darunterliegenden Erdbodens zu.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits bekannt (CA-PS 9 32 252, CAPS 9 35 366 und CAPS 9 44 607), und mit ihnen werden durch Wind sowie durch Konvektionsströme in die Luft hochgetragene atmosphärische Gas-, Dampf- oder Teilchenproben gesammelt, konzentriert und analysiert, und die Zusammensetzung der Proben läßt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des darunterliegenden Erdbodens zu.
In der unteren Troposphäre und insbesondere im Bereich von wenigen hundert Metern über der
Erdbodenoberfläche entsteht jedoch eine andauernde Vermischung der Atmosphäre, wobei die Luft in
Erdbodennähe durch Wind und Konvektionsströme aufgewirbelt wird und eine Vermischung von gasförmigen
Bestandteilen mit entsprechend der Bodenzusammensetzung zusammengesetzten Gas-, Dampf- oder
Teilchenproben erfolgt. In größeren Höhen ist diese Vermischung geringer, so daß die Luft dort reiner ist.
Beim Auftreffen einer Luftströmung auf Erdbodenhindernisse, beispielsweise Häuser, Bäume oder Berge,
werden Luftwirbel erzeugt, deren Wirbelstärke durch
«ο die Form und Größe der Hindernisse bestimmt ist.
Starke Steigströmungen treten somit beim Auftreffen von Wind auf Berge auf, während verhältnismäßig
kleine Wirbelströmungen von Bäumen hervorgerufen werden.
Bei turbulenter Diffusion aufgrund von Konvektionsprozessen
weist die Erdbodenoberfläche ausnahmslos Strukturen mit unterschiedlicher Wärmeabsorption und
-emission auf und bei Sonneneinstrahlung erfolgt eine von Ort zu Ort verschiedene Absorption der thermisehen
Energie sowie deren unterschiedliche Wiederabstrahlung. Eine räumlich unterschiedliche thermische
Wiederabstrahlung vom Erdboden bewirkt eine unterschiedliche Erwärmung der bodennahen Atmosphäre,
was zur Ausbildung von Thermiksäulen führt. Derartige Thermiksäulen sind dem Segelflieger bekannt. Sie
haben einen sich mit zunehmender Höhe vergrößernden Durchmesser und stellen an der Erdbodenoberfläche
gebildete aufwärts gerichtete Luftströmungen von Gasen oder Dämpfen mit festen Teilchen dar, die eine
größere Staubkonzentration als die Umgebungsluft besitzen. Sie haben außerdem häufig einen größeren
Dampfgehalt als die Umgebungsluft, da Wasserdampf durch Verdunstung oder durch Transpiration von
Pflanzen im wesentlichen an der Erdbodenoberfläche gebildet wird.
Die Bildung von Thermiksäulen in Erdbodennähe hängt von verschiedenen meteorologischen Faktoren
ab, beispielsweise von der Sonneneinstrahlung, dem
vertikalen Temperaturgefälle, der Feuchtigkeit oder der
Windgeschwindigkeit Die stärksten Thermiksäulen bilden sich bei starker Sonneneinstrahlung und bei
einem überadiabatischen TemperaturabfalL Unter solchen Bedingungen steigen Thermiksäubn mit Geschwindigkeiten
von mehreren Metern je Sekunde auf und bilden thermische Turbulenzen, die auf tieffliegende
Flugzeuge wesentlich einwirken. Derartige Thermiksäulen tragen gasförmige und teilchenförmige Bestandteile
in weniger als 30 Sekunden bis zu Höhen von etwa 60 Metern. Sie wandern vom Wind getrieben über eine
beträchtliche Entfernung und heben beim Überstreichen des Erdbodens kontinuierlich Erdbodenstaub in die
Atmosphäre hinauf.
Infolge der so entstehenden Vermischungen läßt sich mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht
feststellen, ob die gesammelten Gas-, Dampf- oder Teilchenproben tatsächlich aus den direkt unter der
Sammelstelle liegenden Bodenflächen stammen oder bereits längere Zeit in der Atmosphäre bewegt werden,
also von weit entfernten Stellen des Bodens stammen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur schnellen geochemischen Erkundung zu schaffen, mit
dem sich zuverlässige Aufschlüsse über Bodenzusammensetzungen erreichen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren gemäß Herstellungsanspruch.
Die erfindungsgemäß aus Steigströmungen entnommenen atmosphärischen Proben geben einen besseren
Aufschluß über die Art des darunterliegenden Erdbodens als Luftproben aus der Umgebungsluft, da die
Wahrscheinlichkeit größer ist, daß sie erst kurz vorher
vom Erdboden aufgewirbelt wurden, also nicht bereits vor dem Aufsammeln mehrere Stunden oder Tage im
Luftstrom mitgetragen wurden und daher von einem vom Aufnahmeort der Proben weit entfernten Ort
stammen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnteransprUchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine Schemazeichnung einer Ausführung der Erfindung.
Fig.2 ein Blockschaltbild einer Steuerung sowie
einer weiteren elektronischen Schaltung der Ausführung gemäß F i g. 1.
F i g. 3 eine Draufsicht auf ein in Verbindung mit der Ausführung gemäß F i g. 1 verwendetes Band.
Die von einem nicht dargestellten Flugzeug durch eine Leitung 10 auf die in den CA-PS 9 32 252, 9 35 366
und 9 44 667 beschriebene Weise angesaugte atmosphärische Luft wird in einen Anreicherungsapparat 11,
beispielsweise einen Zyklonenscheider geleitet, der in der einströmenden Luft einen so starken Wirbel bildet,
daß in der Luft vorhandene Teilchen nach außen gegen die Wand des Zyklonenscheiders gedruckt werden,
wobei die angereicherten Teilchen das Bestreben haben, zum Scheitel des Zyklonenscheiders zu wandern,
während die verhältnismäßig reine Luft durch ein axiales Rohr 12 ausströmt.
Ein so mit Teilchen angereicherter Luftstrom wird durch eine sich in zwei Leitungszweige 13a und 13£>
verzweigende Leitung geleitet, welche in einem Gehäuse 14 in zwei Kammern 15 und 16 münden. Die
Kammern 15 und 16 stehen außerdem jeweils mit Leitungen 17 und 18 in Verbindung, die jeweils zu einem
Anschluß eines Zweiweg-Magnetventils 19 führen. Der Strömungsausgang des Magnetventils 19 steht über eine
Leitung 20 mit einer Saugpumpe 21 in Verbindung, welche je nach Stellung des Magnetventils 19 entweder
in der Leitung 17 oder 18 und der zugehörigen Kammer 15 oder 16 einen Unterdruck erzeugt Der Auslaß der
Säugpumpe 21 steht über eine Leitung 22 mit der Atmosphäre in Verbindung.
Die beiden Kammern 15 und 16 verjüngen sich in der Nähe ihres Bodens und sind an ihrer Unterseite offen.
Die Unterseite des Gehäuses 14 steht mit einem Band 23
ίο in Berührung, das beispielsweise in der CA-PS 1 66 975
beschrieben ist Das Band 23 liegt auf einem Tisch 27 und kann beispielsweise von einer nicht dargestellten
Vorratsrolle auf eine ebenfalls nicht gezeigte Aufnahmerone laufen. Der Bandtransport kann kontinuierlich
oder schrittweise erfolgen. In Fig. 1 ist eine Bewegungsrichtung
des Bandes 23 senkrecht zur Zeichenebene dargestellt Es besteht vorzugsweise aus dünnem,
starkem, nicht reagierendem Kunststoffharz, beispielsweise Mylar, das zur Aufnahme der aus den Kammern
15 und 16 abgegebenen Teilchen mit Klebstoff beschichtet ist
Die unteren Enden der Leitungszweige 13a und 13£>
sind offen und münden in der Nähe der offenen Böden der Kammern 15 bzw. 16 und das Band 23 liegt an dem
unteren Ende des Gehäuses 14, so daC die aus den Leitungszweigen 13a und 13b austretende Luft eine
scharfe Richtungsänderung durchführen muß, wie es F i g. 1 zeigt
Der den im Luftstrom mitgerissenen Teilchen innenwohnende Impuls bewirkt deren Geradeausfliegen
durch die offenen Enden der Kammern 15 und 16, so daß sie auf der Klebeschicht des Bandes 23 abgelagert
werden. Nach einer Sammelzeit von beispielsweise 5 Sekunden wird das Band 23 ein kleines Stück
weitertransportiert, so daß ein neuer Oberflächenbereich des Bandes 23 zur Aufnahme der aus den
Kammern 15 und 16 austretenden Teilchen unter den Bodenöffnungen der Kammer liegt.
In jeder Lage des Bandes 23 werden je nach Stellung
In jeder Lage des Bandes 23 werden je nach Stellung
■»ο des Magnetventils 19 Teilchen an ein oder zwei
Ablagerungsstellen auf dem Band aufgebracht, also an den unter den offenen Enden der Kammern 15 und 16
liegenden Bereichen, und die Teilchenkonzentration hängt jeweils unter anderem von der Saugzeit auf die
t5 jeweilige Kammer 15 und/oder 16 ab.
Fig.3 zeigt die beschriebenen Ablagerungsstellen
schematisch als Punkte oder kreisförmige Gebiete 24a und 24b, wobei die Konzentration der Teilchen zur
Veranschaulichung übertrieben dargestellt ist. Die Gebiete 24a entsprechen den aus der Kammer 15
ausgetretenen und vom Band 23 aufgenommenen Teilchen, während die Gebiete 246 den Teilchen aus der
Kammer 16 entsprechen. Die Gebiete 24a entsprechen den in ruhiger Luft oder in einer Fallströmung
aufgenommenen Teilchen.
Das Magnetventil 19 ist von einem elektrischen Signal aus einer elektronischen Steuerschaltung 25
steuerbar, die von einem Fühler 26 angesteuert wird. Wird eine Steigströmung festgestellt, dann liefert der
Fühler 26 ein Signal an die Steuerschaltung 25, die das Magnetventil 19 öffnet, so daß die Kammer 16 über die
Leitung 18 durch die Pumpe 21 abgesaugt wird. Fällt das Steuersignal ab, dann geht das Magnetventil 19 in seine
andere Schaltstellung über, in der die Pumpe 21 die Kammer 15 über die Leitung 17 absaugt. Die
Ansprechzeit des Magnetventils 19 soll äußerst klein sein, da die Anstiegszeiten für die vom Fühler 26
erzeugten Steuerimpulse üblicherweise in der Größen-
Ordnung von zwanzig Millisekunden oder weniger liegen. Viele Steigströmungen dauern weniger als fünf
Sekunden an, und falls das Band 23 beispielsweise langer als fünf Sekunden in einer Lage gehalten wird, kann es
vorkommen, daß das Magnetventil während dieses Zeitraums mehrere Male zwischen seinen zwei Schaltstellungen
hin und her geschaltet wird, wodurch Teilchen in beiden Gebieten 24a und 24b gemäß F i g. 3
abgelagert werden.
Das Auftreten von Steigströmungen ist durch einen oder mehrere der folgenden einzeln oder zusammen
auftretenden physikalischen Größen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Vertikalbeschleunigung, Teilchendichte,
Leitfähigkeit, Radonkonzentration und vertikaler atmosphärischer elektrischer Potentialgradient nachweisbar.
Unter normalen Temperaturabnahmebedingungen in der Atmosphäre nimmt die Atmosphärentemperatur
mit zunehmender Höhe ab und eine Steigströmung liefert folglich Luft von höherer Temperatur in einen
Bereich von geringerer Lufttemperatur. Mit einem geeigneten Temperaturfühler, beispielsweise einem
Thermistor (ein Halbleiterelement, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
veränderbar ist), kann somit eine Steigströmung angezeigt werden. Bekannte Schaltungen weisen bereits
Temperaturänderungen von 0,01° in einem Bruchteil einer Sekunde nach. Kleinste Änderungen der Atmosphärentemperatur
sind somit andauernd am Einlaß oder in der Nähe des Einlasses der Leitung 10 während
des Fluges nachweisbar.
Teilchenkonzentrationen können mit bekannten auf Streulicht ansprechende Sensoren nachgewiesen werden.
Die Teilchenkonzentration in der Atmosphäre steigt normalerweise in geringen Höhen bis zu 60 m bei
Anwesenheit einer Steigströmung an. Die Beziehungen von steigender und abnehmender Teilchenkonzentration
sowie von steigender oder fallender Atmosphärentemperatur weisen besonders deutlich darauf hin, daß
Teilchen in einer Steigströmung vom Boden aufgenommen wurden. Ein bevorzugtes Steuersignal für das
Magnetventil 19 wird somit durch Multiplikation eines der Teüchenkonzentration entsprechenden ersten Signals
und eines der Umgebungstemperatur entsprechenden zweiten Signals erhalten. Das auf diese Weise
erhaltene zusammengesetzte oder Summensignal dient zur Ansteuerung des Magnetventils 19.
Eine weitere physikalische Größe oder ein weiterer Parameter zum Nachweis einer Steigströmung ist die
Feuchtigkeit Zum Nachweis von vom Boden aufsteigender feuchter Luft dient ein schnell ansprechender so
Feuchtigkeitsdetektor, beispielsweise ein Lyman-alpha Kurzwellen-UV-Absorptionsdetektor. Ein anderer Pa
rameter von Steigströmungen ist die Leitfähigkeit de
Luft. Sie ist in einer Näherung umgekehrt proportiona zum vertikalen elektrischen Potentialgradienten de
Teilchen. Der Gradient ist bei Steigströmungen, dii üblicherweise mit einer zunehmenden Teilchenbeladunj
verbunden sind, wesentlich erhöht. Ein anderer Parame ter ist die Vertikalbeschleunigung. Sie wird mit einen
Beschleunigungsmeßgerät festgestellt und in Verbin dung mit einer anderen physikalischen Größe zu
Ansteuerung des Magnetventils herangezogen. Eil weiterer Parameter ist außerdem die Radonkonzentra
tion, denn die Erde sendet eine kontinuierlich« Radon-Strahlung aus, deren Konzentrationsänderungei
auf Steigströmungen hinweisen.
Die Erfindung ist nicht nur zu geochemischei Untersuchungen des Erdbodens, sondern auch zi
Erkundungen über dem Meer geeignet, wobei Turbulen zen vergleichbare vertikale Steigströmungen liefern
Derartige Steigströmungen sind auf die beschrieben« Weise nachweisbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zu geochemischen Erkundung eines Bodenbereiches voi
Luft aus, sondern auch von Landfahrzeugen ode Schiffen aus durchführbar, wobei die atmosphärischei
Proben in verhältnismäßig geringen Höhen, beispiels weise wenige Meter über dem Erdboden oder de
Meeresoberfläche genommen werden. Selbst bei diesel Höhen können jedoch beträchtliche Querströmungei
von Gasen, Dämpfen oder Teilchen auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorzugswei se in Verbindung mit der Aufnahme von Teilchei
beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß e auch zur Aufnahme von Gas- oder Dampfprobei
geeignet ist. Zur Aufnahme von Gas- oder Dampfpro ben ist das unter den Kammern liegende Band mit eine
besonderen Absorptionsschicht versehen, in der eini zur Analyse ausreichende Gas- oder Dampfmengi
eingefangen wird. Zur Aufnahme von dampfförmige! Kohlenwasserstoffen wie Methan und Äthan verwende
man beispielsweise ein Band mit einer Molekularsiebe schichtung, wobei es zur sicheren Absorption de
Kohlenwasserstoffe im Molekularsieb auf eine nieden Temperatur gekühlt ist. Durch Erwärmen sind dii
Kohlenwasserstoffe anschließend aus dem Band ent fernbar, und die Ablagerungsstellen können durcl
hochempfindliche Geräte wie Massenspektromete oder Gaschromatographen analysiert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zur schnellen geochemischen Erkundung
von mineralischen oder kohlenwasserstoffhaltigen Ablagerungen, durch Sammeln von atmosphärischen
Gas-, Dampf- oder Teilchenproben und Analysieren auf bestimmte Elemente oder Verbindungen,
dadurch gekennzeichnet, daß außer den atmosphärischen Gas-, Dampf- oder Teilchenproben in der Nähe des Aufnahmeortes
dieser Gas-, Dampf- oder Teilchenproben Luftproben aus Steigströmungen entnommen und getrennt
von den atmosphärischen Gas-, Dampf- oder Teilchenproben analysiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Feststellung des Auftretens einer zu entnehmende Luftproben enthaltenden Steigströmung
mindestens eine der physikalischen Größen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Vertikalbeschleunigung,
Teilchendichte, Leitfähigkeit, Radonkonzentration und vertikaler elektrischer Potentialgradient
der Atmosphäre gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der physikalischen Größen
gemessen und ihnen entsprechende erste und zweite elektrische Signale erzeugt und zu einem Summensignal
zusammengefaßt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als eine der zum Summensignal beitragenden physikalischen Größen die Temperatur
verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als eine der zum Summensignal
beitragenden physikalischen Größen die Teilchenkonzentration verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als eine der zum Summensignal
beitragenden physikalischen Größen die Vertikalbeschleunigung verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer
Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von atmosphärischen Teilchen, mit Einrichtungen zum Aufbringen
der Teilchen auf ein bewegbares Band und mit Analysiereinrichtungen zur Analyse der Teilchen auf
einen Gehalt an bestimmten Elementen oder Verbindungen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von mindestens einer der für eine
Steigströmung charakteristischen Größen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Vertikalbeschleunigung, Teilchendichte,
Leitfähigkeit, Radonkonzentration und vertikaler elektrischer Potentialgradient in der
Atmosphäre sowie durch eine mit dem Signal steuerbare Einrichtung zur jeweiligen Zufuhr von
der Steigströmung entommenen Teilchen zu Ablagerungsstellen auf dem Band, die sich in einem
Abstand von Ablagerungsstellen für nicht der Steigströmung entnommenen Proben befinden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Aufbringen der Teilchen auf das Band (23) ein Gehäuse (14) mit einer
ersten und einer zweiten Kammer (15, 16) aufweist, deren Einlaßöffnungen (13a, 136,) mit einer Teilchensammeieinrichtung
(11) verbunden sind und deren Auslaßöffnungen in der Nähe des Bandes (23) im Abstand voneinander liegen, daß an die Kammern
(15, 16) eine Saugpumpe (21) angeschlossen ist und
daß die mit dem Signal steuerbare Einrichtung zum Verbinden jeweils einer der Kammern (15; 16) mit
der Saugpumpe (21) zwischen dieser und den Kammern (15,16) angeordnet ist
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Einrichtung von
einem Summensignal aus zwei elektrischen, aus auf eine Steigströmung hinweisenden physikalischen
Größen gebildeten Signalen ansteuerbar ist
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