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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g. GRUPPE

CONRAD SCHLUMBERGER in PARIS.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 6. November 1912 ab.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Beschaffenheit des Erdbodens mittels Elektrizität. Das Verfahren besteht im wesentlichen aus folgenden Maßnahmen: I. Man bestimmt zunächst auf dem Erdboden im Umkreise von zwei Punkten A und B (Fig. ι und 2), zwischen denen ein konstanter oder veränderlicher Potentialunterschied besteht, eine Anzahl von Kurven gleichen

ίο Potentials. Die Karte der so erhaltenen Äquipotentialkurven, die einer topographischen Karte mit Höhenlinien ähnlich sieht, ermöglicht die Feststellung der Verteilung des elektrischen Stromes im Erdinnern zwischen den Punkten A und B, soweit dies überhaupt durch Beobachtungen an der Erdoberfläche möglich ist. Insbesondere gibt die. Karte Anhaltspunkte über- die ungleiche Beschaffenheit des Erdbodens in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit, aus der man dann auf die Beschaffenheit des Erdbodens Schlüsse ziehen kann.

Um zwischen den Punkten A und B des Bodens einen Potentialunterschied zu erzeugen, bedient man sich einer geeigneten elektrischen Stromquelle D, z. B. einer Gleichstromdynamomaschine. Die Pole dieser Stromquelle verbindet man durch eine isolierte Leitung L mit zwei in A und B eingerichteten Erdan-Schlüssen. Diese bestehen beispielsweise aus je einer Gruppe von Metallpflöcken, die in den Boden gesteckt und mit der Leitung. L verbunden sind.

Zur Ermittlung der Kurven gleichen Potentials benutzt man eine transportable Lei-'tung I (Fig. 1), in die ein Apparat eingeschaltet ist, der imstande ist, elektrische Ströme anzuzeigen, beispielsweise ein Galvanometer. Die Leitung I endet in die zwei Elektroden e und e', die mit dem Boden in Berührung gebracht werden. Hierbei verfährt man wie folgt. Man nimmt einen beliebigen Punkt M des Bodens (Fig. 2) und befestigt in diesem die Elektrode e. Mit der anderen Elektrode e' berührt man nun den Boden in verschiedenen Punkten, wie z. B. in P, Q, R . . . ., indem man jedesmal das elektrische Meßinstrument beobachtet. Dieses erfährt eine Ablenkung unter der Einwirkung des Potentialunterschiedes zwischen A und B, sobald der mit der Elektrode e' berührte Punkt des Bodens nicht das, gleiche Potential hat wie der Punkt M₁ in dem die ' ^ andere Elektrode e festliegt. Sobald man indesseh mit der Elektrode e' einen Punkt des Erdbodens berührt hat, der ein gleiches Potential wie der Punkt M besitzt, findet eine Ablenkung des Galvanometers nicht mehr statt.

In Fig. 2 der Zeichnung ist angenommen, daß Q ein auf diese Weise bestimmter Punkt von gleichem Potential wie M sei. der zwischen den Punkten P und R liegt, die an dem Galvanometer entgegengesetzt gerichtete Ablenkungen ergeben.

Auf die gleiche Weise bestimmt man noch -eine genügende Anzahl anderer Punkte gleichen Potentials, z. B. Q', Q", durch deren Verbindung auf einer Geländekarte man dann die Äquipotentialkurve erhält.

Bei der praktischen Ausführung des beschriebenen Verfahrens sind verschiedene störende Momente zu berücksichtigen.

Wenn man mit zwei gewöhnlichen Elektro- j den, z. B. Metallstangen, die durch einen Lei- | ter miteinander verbunden sind, den Erdboden in zwei verschiedenen Punkten berührt, so entsteht ein galvanisches Element, indem der feuchte Boden die Rolle des Elektrolyten spielt. Die elektromotorische Kraft eines solchen Elementes beträgt etwa ι Volt, weil die Metallstäbe niemals genau miteinander übereinstimmen und sich unter der Einwirkung eines noch so geringen Stromes polarisieren. Es ist also unter diesen Umständen nicht möglich, in die Leitung ein empfindliches Galvanometer einzuschalten, ohne daß dieses erheblich abgelenkt oder sogar beschädigt wird. Man kann also kleine Potentialunterschiede auf der Erdoberfläche mit dieser Anordnung , überhaupt nicht beobachten.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, werden die Elektroden e und e' in besonderer Weise derart ausgebildet, daß sie unpolarisierbar sind.' Beispielsweise bestehen sie aus einer Kupferstange, die in eine konzentrierte Lösung von Kupfersulfat eintaucht, die sich .25 in einem porösen Gefäß befindet. Lediglich dieses poröse Gefäß kommt in Berührung mit dem Boden. Selbstverständlich kann der Stab, der die Elektrode bildet, auch aus einem anderen Metall bestehen und in eine Lösung eines geeigneten Salzes dieses Metalles eintauchen. Mit dieser Einrichtung gelingt es, die elektromotorische Kraft des durch die Leitung, die beiden Elektroden und den Erdboden gebildeten Elementes so weit herabzudrücken," daß sie nur noch wenige Millivolt beträgt. Dieser Wert bleibt auch im wesentlichen konstant, da der durch die Elektroden e und β' während der Berührung mit dem Boden hindurchgehende Strom diese Elektroden weder polarisiert noch sonstwie merklich verändern kann.

~ Eine zweite Störung kann entstehen durch die Erdströme, die unaufhörlich durch die Erdkruste hindurchgehen und die auch ohne Anlegung einer durch die Stromquelle D erzeugten Potentialdifferenz in den Punkten A und B dem Galvanometer g Ablenkungen erteilen wurden, und zwar um so größere, je langer die Leitung I ist.

· Die aus solchen Erdströmen sowie auch aus der zwischen e und e' noch übrigbleibenden geringen elektromotorischen Kraft von einigen Millivolt entstehenden Beobachtungsfehler werden dadurch beseitigt, daß man die Potentialdifferenz zwischen A und B periodisch umkehrt und am Galvanometer nur diejenigen Ablenkungen beobachtet, die durch diese Umkehrung entstehen, und die sich stets leicht infolge ihrer regelmäßigen Wiederkehr von den durch die Erdströme hervorgerufenen Abweichungen unterscheiden lassen. .

II. Wenn die Karte der Kurven gleichen Potentials zeigt, daß ein gewisser Teil des Erdbodens eine besonders gute Leitfähigkeit besitzt, so kann man mit Hilfe der Polarisationserscheinungen ermitteln, ob diese besonders gute Leitfähigkeit von der Gegenwart von Mineralien mit metallischer Leitfähigkeit herrührt, oder ob sie lediglich auf einem höheren Gehalt an Wasser oder auf der besonderen Beschaffenheit des Wassers beruht. Im allgemeinen ist der Erdboden nur infolge seiner Feuchtigkeit leitend; es handelt sich also um eine lediglich elektrolytische Leitfähigkeit. Indessen besitzen auch gewisse, wenn auch nicht zahlreiche Mineralien, wie

z. B. Magnetit, Pyrit oder Bleiglanz eine metallische Leitfähigkeit. Befindet sich also ein durch diese Mineralien gebildetes Lager in einem von einem elektrischen Strom in standig gleicher Richtung durchflossenen Gebiet, so findet eine Elektrolyse des im Boden ententhaltenen Wassers auf der Oberfläche des Erzlagers statt. Diese Elektrolyse polarisiert das Erzlager und verwandelt es in ein Sekundärelement, das sich von selbst entlädt, sobald der polarisierende Strom unterbrochen wird. Während der Dauer dieser Entladung kann man also im Boden und besonders an der Oberfläche des Bodens Potentialunterschiede feststellen.

Letzteres geschieht nun bei dem vorliegenden Verfahren in folgender Weise. Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, die in einem senkrechten Schnitt durch den Erdboden und '95 in einem Grundriß ein Erzlager E mit metallischer Leitfähigkeit schematisch veranschaulichen, wird auch hier wieder eine von einer Stromquelle D gespeiste Leitung L an die beiden Punkte A und B des Erdbodens angelegt. Nach einiger Zeit wird der auf diese Weise erzeugte, das Erzlager polarisierende Stromkreis unterbrochen und man beobachtet nun schnell mittels der mit dem Galvanometer G und den unpolarisierbaren Elektroden versehenen Leitung I, ob der Boden merkbare Potentialunterschiede aufweist. Ergeben sich solche Potentialunterschiede, so zeichnet man wieder die Kurven gleichen Potentials auf (Fig. 4), die im allgemeinen aus zwei Gruppen bestehen, von denen die eine den positiven und die andere den negativen Pol des Sekundärelements einhüllt, das durch das polarisierte Erzlager gebildet wird. Dabei ist zu bemerken, daß die durch Polarisation erzeugten Potentialunterschiede immer sehr klein bleiben und niemals etwa 1,5 Volt überschreiten können. Infolgedessen ist die Anwendung von besonderen unpolarisierbaren Elektroden bei einem solchen Versuche unentbehrlich.

III. Auf den mit den Kurven gleichen Potentials versehenen Karten empfiehlt es sich,

diese Kurven zur besseren Unterscheidung und Beurteilung ihrer Bedeutung dem Werte ihres Potentials nach zu numerieren/ in ähnlicher Weise wie man die Niveaukurven einer topographischen Karte ihrer Höhe entsprechend numeriert. .Dafür ist am besten eine relative Numerierung anzunehmen. Das Potentialgefälle zwischen zwei beliebigen Äquipotentialkurven ist nämlich in der Praxis während

ίο eines Versuches immer mehr oder weniger veränderlich, so daß es ungenau wäre, dieses Potentialgefälle in absoluten Einheiten, etwa in Volt, auszudrücken. Anderseits genügt es vollständig, die relativen Potentialgefälle zwi-

.15 sehen den verschiedenen Kurven zu kennen. Um diese relativen Potentialgefälle zu messen, findet die in Fig. 5 veranschaulichte Methode Anwendung.

Das Potential einer beispielsweise in der

Nähe des Erdpunktes A ermittelten Äquipotentialkurve α wird willkürlich mit 100 bezeichnet, und das Potential einer von dem Punkt A ziemlich weit abliegenden Kurve β wird willkürlich mit O bezeichnet. ' Das Potenti al gefälle zwischen α und β beträgt also 100 Einheiten. Eine zwischen α und β liegende Kurve γ erhält als Nummer nun diejenige Zahl, die das Potentialgefälle zwischen γ und ß, mit der erwähnten Einheit berechnet, ausdrückt. Diese Zahl läßt sich durch einen Versuch ermitteln, zu dessen Ausführung eine Schaltung nach Art der Wheatstoneschen Brückenschaltung Verwendung findet (Fig. 5). Man legt zwischen die Kurven eine Leitung, die einen großen Widerstand W, beispielsweise von 100000 Ohm enthält. Ein Nebenstrom geht durch diese Brücke von α nach ß, an der entlang das Potential proportional dem Widerstand sinkt. ' Man verbindet nun einen beliebigen Punkt der Kurve 7 mit einem Punkt« des Widerstandes W, wobei in die Verbindungsleitung ein Galvanometer g eingeschaltet ist, und verschiebt -den Punkt λ; an dem Widerstand W entlang, bis das Galvanometer auf Null zeigt. Beispielsweise sei angenommen, daß in diesem Augenblick der Punkt χ die 100 000 Ohm des Widerstandes so teilt, daß zwischen χ und β ein Widerstand von 35 000 Ohm verbleibt, so beträgt das Potentialgefälle zwischen χ und β ³⁵/₁₀₀ des gesamten Potentialgefälles zwischen α und ß. Kurve γ erhält dann die Nr. 35.

Um auch bei den zuletzt beschriebenen Methoden die unter I. erwähnten Störungen zu vermeiden, muß man auch zum Abtasten der Kurven α, β und γ die beschriebenen unpolarisierbaren Elektroden verwenden und die Galvanometerablenkungen mit Hilfe von Stromumkehrungen zwischen A und B beobachten.

Das Verfahren der Numerierung läßt sich auch für die Kurven gleichen Potentials anwenden, die infolge der Polarisationserscheinungen beobachtet werden, wenn auch die vollständige Beseitigung von Fehlern in diesem Falle nicht möglich ist, da man den Entladestrom des Erzlagers nicht beliebig ändern kann.

IV. Mit Hilfe der so erhaltenen Potentialkarten kann man nun Schlüsse auf die innere Leitfähigkeit und daraus wieder auf die geologische Beschaffenheit des Erdbodens ziehen.

Die Potentialkarte ist unabhängig erstens von der mittleren spezifischen Leitfähigkeit des Bodens, zweitens von der Potentialdifferenz zwischen A und B, die somit konstant oder veränderlich sein kann, und drittens von der Beschaffenheit der Erdanschlüsse. Dies bezieht sich sowohl auf die Gestalt der Kurven gleichen Potentials als auch auf ihre Numerierung, so daß also die Potentialkarte ■eines bestimmten Geländes in der Nähe der beiden Punkte A und B vollständig unabhängig ist von Zufälligkeiten der Versuchsanlage.

Die Äquipotentialkurven sind nun weiter nichts als die Schnittlinien der Erdoberfläche mit Äquipotentialflächen, die sich im Erdinnern ausbreiten.' Bei homogenem Erdboden lassen sich diese Flächen theoretisch berech- ' nen, so daß man also auch die Potentialkurven der Erdoberfläche durch solche theoreti- go sehen Berechnungen für homogenen Boden erhalten kann. Nimmt man an, was für das vorliegende Verfahren der praktischen Ausführung entspricht, daß die Punkte A und B sehr weit voneinander entfernt liegen, und betrachtet man nur die in der Nähe eines dieser beiden Punkte gelegenen Potentiale, so ergibt sich, daß die Kurven gleicher Potentiale bei homogenem Boden Kreisen sehr nahe kommen, die um den Punkt A oder B als Mittelpunkt geschlagen sind. Die Flächen gleichen Potentials, die sich im Erdboden erstrecken, bilden dementsprechend die Oberfläche von Halbkugeln.

Angenommen nun, der Boden sei nicht mehr homogen, sondern enthalte etwa in der Nähe des Punktes A eine leitende Masse Z (Fig. 6 und 7), so sind die Flächen gleichen Potentials nicht mehr Halbkugeln, sondern erleiden in der Nähe von Z Ablenkungen, wie sie die Fig. 6 und 7 erkennen lassen. Diese Ablenkungen der Flächen gleichen Potentials machen sich naturgemäß auch in den Kurven gleichen Potentials an der Erdoberfläche bemerkbar, sobald die Masse Z überhaupt noch im Bereich der Äquipotentialflächen liegt. Die Ablenkungen der Äquipotentialkurven an der Erdoberfläche sind in der Regel so, daß die Kurven, die über den dem Punkt A zugekehrten Teil der leitenden Masse Z gehen, nach dem Punkt A hin eingebaucht werden, während die über das entgegengesetzt liegende

Claims

Ende der Masse Z gehenden Kurven nach j außen ausgebaucht werden. Die über die j Mitte der Masse gehenden Kurven erhalten nur eine verhältnismäßig geringe Ablenkung. Die Gestalt der nach dem vorliegenden Ver-• fahren ermittelten Kurven gleichen Potentials läßt also die Lage und Ausdehnung einer leitenden Masse im Erdboden erkennen. Die Tiefenlage, der leitenden Masse kann man

ίο durch folgende Betrachtung schätzen: Die Äquipotentialkurven von kleinem Radius gehören zu kleinen Kugelflächen, die also verhältnismäßig wenig tief in den Boden dringen und die deshalb durch tiefliegende Massen nicht beeinflußt werden. Die tiefliegenden Massen beeinflussen also nur die Kurven von großem Radius.

Es sei noch bemerkt-, daß zur Ausführung des Verfahrens eine Apparatur genügt, die sich bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit in durchaus normalen und für die Praxis ohne besondere Maßnahmen brauchbaren Grenzen bewegt. So genügt z. B. zur Erzeugung der Potentialdifferenz zwischen α und β eine Dynamomäschine von 1 bis 2 Kiliowatt, die einen Gleichstrom von 200 bis 400 Volt liefert. In ähnlichen gangbaren Grenzen bewegen sich die j übrigen Verhältnisse.

g₀ ' Patent-Ansprüche:

i. Verfahren zur Bestimmung der Beschaffenheit des Erdbodens mittels Elektrizität, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialkurven um zwei Punkte (A und B) der Erdoberfläche, an welche eine konstante oder veränderliche Potentialdifferenz angelegt ist, bestimmt und mit den theoretisch für homogenen Boden berechneten Äquipotentialkurven verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten der an die Punkte (A und B) angelegten Potentialdifferenz Kurven gleichen Potentials festgestellt werden, die durch die Polarisation an den Grenzen eines Erzlagers entstehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Erdungspunkten (A und B) fließende Strom periodisch kommutiert wird, um Störungen durch Erdströme, Polarisation an den Elektroden u. dgl. zu vermeiden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiale des Erdbodens mittels einer beweglichen Leitung bestimmt werden, in die ein Galvanometer eingeschaltet ist, und die zwecks Herstellung eines unpolarisierbaren Erdanschlusses beiderseits Metallstäbe trägt, die in eine in porösen Behältern enthaltene Lösung eines Metallsalzes eintauchen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das relative Potentialgefälle zwischen den Äquipotentialkur- ven in bezug auf das Potentialgefälle zwischen zwei festen Punkten des Erdbodens mittels einer geeigneten Meßmethode (z. B: nach Art der Wheatstoneschen Brücke) bestimmt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.