DE2702332A1

DE2702332A1 - Verfahren zur chemischen und mineralogischen analyse des erdbodens

Info

Publication number: DE2702332A1
Application number: DE19772702332
Authority: DE
Inventors: Carl Ruprecht Steinmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1977-01-21
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE2702332C3; DE2702332B2

Description

Verfahren zur chemischen und mineralogischen Analyse
des Erdbodens (Zusatz zu Patent 2 517 631) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen und mineralogischen Analyse des Erdbodens unter Ausnutzung des durch die Kristallgittertigenschaften bedingten mineralcharakteristischen Verhaltens, nach Patent 2 517 631.
Bei dem Verfahren des Hauptpatentes wird zur Analyse der Erdoberfläche Laserlicht auf die Erdoberfläche gestrahlt und das optisch-selektive Reflexionsverhalten ermittelt. Auf diese Weise ist eine chemische und mineralogische Untersuchung der Erdoberfläche vom Flugzeug oder von einem Erdsatelliten aus möglich.
Bei Erdbohrungen zu wissenschaftlichen Zwecken oder zur Gewinnung von Bodenschätzen ist es häufig erforderlich, das Jeweils durchbohrte Gestein zu bestimmen. Dies geschieht durch Kernbohrungen, bei denen mit einer ringförmigen Bohrkrone ein Ringloch gebohrt wird, in dessen Mitte. ein Kern stehen bleibt. Dieser Kern wird nach oben gefördert, um analysiert zu werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und teuer, weil das gesamte Bohrgestänge hochgezogen und anschliessend wieder abgesenkt werden muss.
Ausserdem ist es bekannt, den aus Spülmittel und Gestein bestehenden Bohrschmant zu untersuchen, wobei Jedoch nicht ohne weiteres zu erkennen ist, welchen Schichten das nach oben gespülte Material Jeweils angehört, weil die Aufstiegsgeschwindigkeit der Teilchen von der Form, Grösse und Zirkulationsgeschwindigkeit der Spülung abhängen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine genaue chemische und mineralogische Analyse des Erdbodens ohne Probenentnahme und somit ohne aufwendige Fördermassnahmen möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass in einem Bohrloch Laserlicht im Bereich der charakteristischen spektralen Reflexionsstellen gegen die Bohrlochwand gestrahlt und das optisch-selektive Reflexions- oder Absorptionsverhalten (Reststrahlen) ermittelt wird.
Das erfindungsgemässe Analyseverfahren ermöglicht eine Gesteinsanalyse im Bohrloch ohne Probenentnahme. Das Gestein verbleibt also an Ort und Stelle, wodurch seine Tiefe sehr genau bestimmt werden kann. Es unterliegt auch keinen Veränderungen und kann daher im Ursprungszustand analysiert werden. Wegen der ausgeprägten optischen Eigenschaften der Minerale sind Gesteinsidentifizierungen mit grosser Genauigkeit durchführbar.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine in das Bohrloch absenkbare Kapsel einen Laser enthält, dessen Strahlung durch ein Fenster der Kapsel auf die Bohrlochwand gerichtet ist und dass in dem Strahlenweg der von der Bohrlochwand kommenden Laserstrahlung ein Strahlungsdetektor angeordnet ist.
Da der Laser bekanntlich monochromatisches Licht, d.h.
Licht einer Wellenlänge, liefert, wird exakt das Reflexions- oder Absorptionsverhältnis für die Jeweilige Wellenlänge ermittelt. Vorzugsweise verwendet man einen Laser mit innerhalb des Messbereiches veränderbarer Emissionsfrequenz, um das spektrale Reflexionsverhalten des untersuchten Gesteins zu ermitteln.
Bei Lasern mit veränderbarer Emissionsfrequenz ändert sich in der Real die Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Frequenz der emittierten Strahlung. Auch die Empfindlichkeit des verwendeten Strahlungsdetektors kann in Abhängigkeit von der Strahlungsfrequenz variieren. Um derartige frequenzabhängige Einflüsse auszuschalten, ist in zweckmässiger Weiterbildung der Erfindung im Strahlenweg der Laserstrahlung ein Strahlteiler angeordnet, der einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl erzeugt, der Meßstrahl und der Referenzstrahl werden in separaten Modulationseinrichtungen unterschiedlich moduliert und anschliessend gemeinsam dem Strahlungsdetektor zugeführt, dem Strahlungsdetektor ist eine Demodulationseinrichtung nachgeschaltet, die die von den beiden Strahlen erzeugten elektrischen Signale trennt,und die beiden elektrischen Signale werden einem Ratiometer zugeführt, das das Amplitudenverhältnis zwischen Meßstrahlsignal und Referenzstrahlsignal bildet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch das Bohrloch mit darin befindlicher Kapsel in aurgebrochenem Zustand, Fig. 2 zeigt in vergrössertem Maßstab die optische Einrichtung zur Erzeugung und Auswertung des Meßstrahles und des Referenzstrahles und Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des elektrischen Systems, das der optischen Einrichtung nach Fig. 2 zugeordnet ist.
Gemäss Fig. 1 wird in ein Bohrloch 10 eine Kapsel 11 hinab-gelassen. Das Zugseil 12 enthält die Kabel für die Stromversorgung der in der Kapsel berindlichen elektrischen Einrichtungen und die Meßsignalleitung, die die ermittelten Messwerte nach oben leitet.
In der Seitenwand der Kapsel 11 befindet sich ein Fenster 15, durch das ein Meßstrahl 14 senkrecht gegen die Wand des Bohrloches gerichtet wird. Auf der dem Fenster 13 gegenüberliegenden Seite besitzt die Kapsel eine Andruckfeder 15, die sich elastisch an der Bohrlochwand abstützt und dafür sorgt, dass das Fenster 13 sich stets wenigstens annähernd in gleichem Abstand von der Bohrlochwand befindet. Die Kapsel 11 ist vollständig dicht abgeschlossen und mit Ausnahme des Fensters 13 undurchsichtig. In ihrem Innern befindet sich ein Gasmolekttl-oder Halbleiterlaser 16, dessen Laserstrahl 17 nach unten gerichtet ist und auf einen unter 450 gegenUber der Vertikalen geneigten Strahlteilerspiegel 18 trifft. Der an dem Spiegel 18 reflektierte (horizontale) Laserstrahl bildet den Meßstrahl. Er geht durch eine Sammellinse 19 und anschliessend durch das Fenster 19 hindurch. An der Bohrlochwand wird der Meßstrahl reflektiert und mit verringerter Intensität durch das Fenster 13 und die Linse 12 auf den Strahlteilerspiegel 18 geworfen. Hier wird der Meßstrahl geteilt. Die eine Hälfte seiner Strahlung trifft auf eine Linse 20, die auf den optischen Detektor 41 fokussiert ist. Die nndere Hälfte des Meßstrahles wird auf den Laser zurtickreflektiert und wird nicht ausgewertet. DerJenige Strahlungsanteil des Laserstrahles 17, der durch den Strahlteiler 18 hindurch-geht, bildet den Referenzstrahl 21. Dieser wird durch einen Umlenkspiegel 22 abgelenkt und senkrecht auf einen vertikal ausgerichteten Spiegel 23 geworfen. Von diesem wird er auf den Spiegel 22 reflektiert und zum Strahlentetier 18 zurückgeworfen. Die eine Hälfte des Referenzatrahles gelangt vom Strahlteiler 18 durch die Linse 20 zum optischen Detektor 41, während die andere Hälfte durch den Strahlteiler 18 hindurchgeht und nicht an der Auswertung teilnimmt.
Zwischen dem Strahlteiler 18 und der Linse 19 sowie zwischen den Spiegeln 22 und 23 befindet sich eine Chopperscheibe 24 mit horizontal ausgerichteter Achse, die zwei Lochkreise mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Die Löcher eines Jeden Lochkreises befinden sich in gegenseitigem Abstand voneinander.
Durch die Löcher 25 des einen Lochkreises geht der Meßstrahl 14 hindurch und durch die Löcher 26 des anderen Lochkreises geht der Referenzstrahl 21 hindurch.
Die Löcher beider Lochkreise sind umfangsmässig gegeneinander versetzt oder sie haben unterschiedliche Anzahlen. Die Lochscheibe 24 wird von einem Choppermotor 27 gedreht.
Durch die Löcher des Lochkreises 25 wird der Meßstrahl 14 in bestimmter Weise moduliert, d.h. er wird in einem bestimmten Rhythmus Jeweils unterbrochen. In gleicher Weise wird durch die Löcher des lochkreises 26 der Referenzstrahl moduliert.
Beide Strahlen treffen auf den optischen Detektor 21, dem gemäss Fig. 3 ein Verstärker 28 nachgeschaltet ist, der das aus dem modulierten Meßsignal und dem modulierten Referenzsignal erzeugte Gesamt signal verstärkt und an den Lock-in-Verstärker 29 weiterleitet. Der Lock-in-Verstärker 29 besitzt zwei Steuereingänge 30,31, an die von dem Chopper 24,27 elektrische Signale gelegt werden, die der durch die Lochreihe 25 bzw. durch die Lochreihe 26 erzeugten Frequenz entsprechen. Die Modulationsfrequenz des Meßstrahles 14 (Lochreihe 25) liegt am Steuereingang 30, während am Steuereingang 31 die Modulationsfrequenz des Referenzstrahles 21 (Lochkreis 26) liegt. In dem Lock-in-Verstärker 29 werden nun,gesteuert durch die an den Leitungen 50 und 31 anstehenden Frequenzen, das Meßsignal und das Referenzsignal der Eingangsleitung 32 voneinander getrennt. Das Meßsignal wird an Leitung 3) und das Referenzsignal an Leitung 34 erzeugt. Beide Leitungen werden Je einem Eingang eines Ratiometers 55 zugeführt, das das Verhältnis Meßsignal:Referenzsignal bildet und den Verhältniswert an eine Anzeigevorichtung 56 weiterleitet.
Durch die Referenzstrahlerzeugung und die anschliessende Verhältnisbildung wird der Absolutwert der Amplitude des Laserstrahles 17 eliminiert. Die Intensität des Laserstrahles 17 kann sich daher ohne das Meßergebnis zu beeinflussen, z.B. in Abhängigkeit von der Jeweiligen Strahlungsfrequenz, verändern.

Claims

AnsprtIche 1. Verfahren zur chemischen und mineralogischen Analyse des Erdbodens unter Ausnutzung des durch die Kristallgittereigenschaften bedingten mineralcharakteristischen Verhaltens, nach Patent 2 517 631, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bohrloch Laserlicht im Bereich der charakteristischen spektralen Reflexionsstellen gegen die Bohrlochwand gestrahlt und das optischselektive Reflexions- oder Absorptionsverhalten (Reststrahlen) ermittelt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in das Bohrloch (10) absenkbare Kapsel (11) einen Laser (16) enthält, dessen Strahlung (17) wenigstens zu einem Teil durch ein Fenster (13) der Kapsel auf die Bohrlochwand gerichtet ist,und dass in dem Strahlenweg der von der Bohrlochwand zurückgeworfenen Laserstrahlung (14) ein Strahlungsdetektor (41) angeordnet ist,
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlenweg der Laserstrahlung (17) ein Strahlteiler (18) angeordnet ist, der einen Meßstrahl (14) und einen Referenzstrahl (21) erzeugt, dass der Meßstrahl und der Referenzstrahl in separaten Modulationseinrichtungen (25,26) unterschiedlich moduliert und anschliessend gemeinsam dem Strahlungsdetektor (41) zugeführt werden, dass dem Strahlungsdetektor eine Demodulationseinriehtung (29) nachgeschaltet ist, die die von den beiden Strahlen (14,21) erzeugten elektrischen Signale trennt,und dass die beiden elektrischen Signale (33,34) einem Ratiometer (35) zugeführt werden, das das Amplitudenverhältnis zwischen Meßstrahlsignal und Referenzstrahlsignal bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (16) ein Halbleiterlaser oder ein Gasmoleküllaser mit innerhalb des Meßbereiches veränderbarer Emissionsfrequenz ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel (11) eine Vorrichtung (15-).aufweist, die das Fenster (15) in vorgegebenem Abstand von der Rohrwand hält.