DE3690746C2 - Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerst{tten unterirdischer Mineralien - Google Patents

Description

Gebiet der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Geophysik und betrifft insbesondere Einrichtungen zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien, vorzugsweise Flüssigkeiten, z. B. Wasser oder Erdöl, welche die Erscheinung der magnetischen Kernresonanz ausnutzen, ohne Niederbringen von Bohrlöchern.

Stand der Technik

Ein bekanntes Verfahren zum unmittelbaren Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien, welches in der Praxis breit zur Anwendung kommt, ist das Niederbringen von Bohrlöchern mit Gesteinskernentnahme und -analyse und im Falle von flüssigen Mineralien die Ausrüstung des Bohrlochs mit einer Filtersäule und nachfolgender Abschätzung eines quantitativen Flüssigkeitsgehalts aus den Pumpversuchen.

Bekannt sind auch Direktverfahren und Vorrichtungen zur Bohrlochmessung (Karottage), die auf der Ausnutzung der Erscheinung der magnetischen Kernresonanz (NMR) beruhen (P. M. Borodin "Magnetische Kernresonanz im Erdfeld", erschienen 1967 im Verlag "Leningradsky universitet", Leningrad, siehe S. 171 bis 178).

Eine unerläßliche Bedingung für diese Verfahren ist eine schon im voraus abgeteufte Bohrung. In dieser Bohrung wird eine Mehrwindungsdrahtspule bewegt. Dabei wird dieser Spule zur Beobachtung eines NMR-Signals, das von einem in den vom Bohrloch durchdrungenen Flözen eventuell enthaltenen unterirdischen Mineral ausgestrahlt wird, ein leistungsstarker Gleichstromimpuls unbedingt zugeführt, damit die Atomkerne des gesuchten Minerals durch ein konstantes Magnetfeld, welches in seiner Größe das magnetische Erdfeld beträchtlich übersteigt, vorpolarisiert werden können. Gleichzeitig oder mit einer Verzögerung wird in diese Spule zur Erzeugung eines erregenden magnetischen pulsierenden Wechselfeldes im Lagerstättenbereich ein Wechselstromimpuls auf der Frequenz der Präzession der Atomkerne des gesuchten Minerals eingespeist.

Daraufhin werden die herausgeführten Wicklungsenden dieser Spule mittels eines Umschalters an den Eingang eines Empfängers angeschlossen. Beim Vorbeigehen der Mehrwindungsmeßdrahtspule am das gesuchte Mineral führenden Flöz wird ein NMR-Signal registriert. Nach der Eintauchtiefe dieser Spule zum Zeitpunkt der Registrierung des Signals wird die Lagerungstiefe und die Mächtigkeit des mineralführenden Flözes bestimmt sowie die Menge an Mineral in einem sehr schmalen, dem Bohrloch anliegenden Flözbereich, der drei Bohrlochhalbmesser nicht übersteigt, eingeschätzt.

Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Bohrlochuntersuchung (US-PS 32 34 454 Kl. G 01 V 3/14, bekanntgemacht 1966), die auf dem Verfahren beruht, welches die Erscheinung der magnetischen Kernresonanz ausnutzt. Dieses Verfahren umfaßt das Niederbringen eines Bohrlochs, Bewegen einer Meßdrahtspule im Bohrloch, Erregen eines magnetischen Gleichfeldes durch Hinleiten eines Gleichstromimpulses durch die Meßdrahtspule, Erregen eines magnetischen Wechselfeldimpulses durch Einspeisen eines Wechselstromimpulses vom Generator in die Meßdrahtspule und Empfangen eines NMR-Signals nach der Wiederherstellung der Empfindlichkeit des Empfängers.

Das in der bekannten Einrichtung angewandte Verfahren ermöglicht die Amplitudenänderung des magnetischen Wechselfeldes durch Steuerung der Amplitude des Wechselstromimpulses in der Meßdrahtspule. Dies gestattet Angaben über die Menge an Mineral im Flöz in einer Entfernung vom Bohrloch, die drei Bohrlochhalbmesser etwas übersteigt. Somit sinkt ein wenig der Einfluß der Ungleichmäßigkeit des magnetischen Erdfeldes, der unmittelbar am Bohrungsschacht wegen unvermeidlicher ferromagnetischer Einschlüsse, die durch den Bohrvorgang bedingt sind, immer stattfindet. Doch führt der Einsatz eines magnetischen Gleichfeldes zur Aufmagnetisierung der Gesteinsteilchen, die in das magnetische Gleichfeld der Erde eine zusätzliche Ungleichmäßigkeit hineinbringen und die Relaxationsgeschwindigkeit des NMR-Signals beeinflussen.

Die Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes bei Anwendung der bekannten Einrichtung wird im wesentlichen vom Durchmesser der Meßdrahtspule bestimmt, der seinerseits durch den Durchmesser des Bohrlochs begrenzt ist. Angaben über die Lagerungstiefe des Flözes des Speichergesteins für das gesuchte Mineral und über die Dicke dieses Flözes kann man bei der bekannten Einrichtung nur durch Bewegen der Meßdrahtspule im Bohrungsschacht erhalten. Der Gehalt an Mineral in einer Volumeneinheit des Gesteins wird doch in einem begrenzten bohrlochnahen Bereich abgeschätzt. Für die Erkundungstiefe ist im wesentlichen die Tiefe der abgeteuften Bohrung maßgebend. In der Einrichtung sind keine Mittel zur Einschätzung der Mineralisation einer unterirdischen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, vorgeschlagen.

Dem physikalischen und technischen Wesen nach kommt der erfindungsgemäßen Lösung eine Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Minerale, vorzugsweise flüssiger (US-PS Nr. 30 19 383, Kl. 324-0,5; G 01 V 3/14, bekanntgemacht 1962) am nächsten, die auf der Erregung und dem Empfang eines vom unterirdischen Mineral ausgestrahlten NMR-Signals ohne Niederbringen von Bohrlöchern beruht.

Die bekannte Einrichtung enthält eine Drahtschleife, einen steuerbaren Umschalter, dessen Ein/Ausgänge an die Drahtschleife geschaltet sind, einen Generator für Erregerimpulse, dessen Ausgang an den ersten Eingang des steuerbaren Umschalters angeschlossen ist, einen Empfänger, dessen Eingang an den Ausgang des steuerbaren Umschalters angeschlossen ist. Die Drahtschleife ist über einen ersten Anpassungstransformator mit dem steuerbaren Umschalter verbunden. An den Ausgang des steuerbaren Umschalters ist über einen zweiten Anpassungstransformator ein Verstärker angeschlossen. An den Ausgang des Verstärkers ist über den Umschalter ein Zweikanal- Magnettongerät mit Resonanzstromkreisen und Detektoren am Ausgang jedes Kanals zur Vorverarbeitung des Signals angeschlossen. Der Ausgang des Detektors jedes Kanals ist an einen Subtraktor angeschlossen, der die Ausgänge der Kanäle zusammenschaltet. Die Einrichtung weist auch - in Reihe geschaltet - einen Integrator und einen Selbstschreiber auf, wobei der Eingang des Integrators mit dem Ausgang des Subtraktors verbunden ist.

Der Erregungszyklus bei dieser Einrichtung wird durch Zuschalten der Drahtschleife an den Ausgang des Generators für Erregerimpulse mit Hilfe des steuerbaren Umschalters gesichert. Nach Beendigung des Erregungszyklus wird die Drahtschleife vom steuerbaren Umschalter an den Eingang des Verstärkers geschaltet, und der Empfangszyklus des Signals setzt ein. Dabei werden in einem der Kanäle der Vorverarbeitungseinrichtung verstärkte Signale der freien Präzession und einer Störung gespeichert. In dem anderen Kanal werden nur Störsignale gespeichert, so daß er später als der erste Kanal zur Funktion kommt d. h. zum Zeitpunkt, da das Signal der freien Präzession deutlich abfällt. Dann werden die in den Kanälen gespeicherten Signale gleichzeitig von den Magnetbändern abgelesen, durch die Resonanzstromkreise getrennt gesiebt, demoduliert und dem Subtraktor zugeführt, der aus der gleichgerichteten Spannung des ersten Kanals die am Ausgang des Detektors des zweiten Kanals erhaltenen Spannung subtrahiert. Dadurch bleibt am Ausgang des Subtraktors nur das nutzbare Nutzsignal der freien Präzession übrig. Bei mehrmaliger Wiederholung des Erregungs- und des Empfangszyklus wird das Signal vom Integrator gemittelt und mit dem Selbstschreiber registriert. Somit wird eine höhere Empfindlichkeit der Einrichtung erreicht. Mit dem gleichen Ziel löscht die Vorverarbeitungseinrichtung das auf den Magnetbändern aufgezeichnete Signal, wenn während des Empfangszyklus in der Drahtschleife eine Impulsstörung auftritt. Dazu sind in jedem Kanal der Vorverarbeitungseinrichtung Hilfsleseköpfe vorhanden, die mit ihren Verstärkern, Detektoren, Zeitverzögerungsgruppen und Löschvorrichtungen verbunden sind. Beim Überschreiten eines gewissen, im voraus eingestellten Signalpegels bringen die Hilfsdetektoren die Löschvorrichtungen zur Funktion, das von der Störung verzerrte Signal wird gelöscht und tritt infolgedessen nicht an den Eingängen des Subtraktors ein.

Die bekannte Meßeinrichtung ermöglicht das Auffinden von Lagerstätten unterirdischer Mineralien, die ein NMR-Signal geben, und eine qualitative Einschätzung, ob viel oder wenig von diesem Mineral da ist, ohne Niederbringen der Bohrlöcher. Die bekannte Einrichtung weist keine Mittel und Vorrichtungen auf, mit denen die Lagerungstiefe und die Mächtigkeit des Vorkommens eines unterirdischen Minerals sowie seine tiefenmäßige quantitative Konzentrationsverteilung bestimmt werden können, und gibt keine Möglichkeit, im Falle der Erkundung nach unterirdischem Wasser gleichzeitig den quantitativen Salzgehalt dieses Wassers abzuschätzen.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Minerale, welche ein magnetisches Kernresonanzsignal (NMR-Signal) geben, vorzuschlagen, deren schaltungstechnische Lösung eine derartige Einwirkung auf dieses unterirdische Mineral ermöglicht, bei der auf der Erdoberfläche ohne Niederbringen der Bohrlöcher ein NMR-Signal registriert werden kann und aufgrund der Änderung seiner Amplituden- und Zeitcharakteristiken Informationen über die tiefenmäßige Verteilung, der Lagerungstiefe und die Mächtigkeit des Vorkommens des Minerals erhalten werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagestätten unterirdischer Minerale, welche ein NMR-Signal geben, enthaltend eine auf der Erdoberfläche liegende Drahtschleife, die zur Erzeugung eines erregenden magnetischen Wechselfeldes in dem magnetischen Erdfeld auf der Frequenz der magnetischen Kernresonanz durch Schicken von Gleichstromimpulsen durch diese Schleife bestimmt ist, einen Generator für erregende Wechselstromimpulse, einen steuerbaren Umschalter, dessen Ein/Ausgänge an die Drahtschleife angeschlossen sind und dessen Eingang an den ersten Ausgang des Generators für Wechselstromerregerimpulse angeschlossen ist, einen Empfänger für den Empfang des in der Drahtschleife von dem unterirdischen Mineral in Zeiträumen zwischen den Erregerimpulsen induzierten Signals, wobei der Informationseingang des Empfängers an den Informationsausgang des steuerbaren Umschalters angeschlossen ist, welcher dafür bestimmt ist, die Drahtschleife an den ersten Ausgang des Generators für Wechselstromerregerimpulse und an den Informationseingang des Empfängers abwechselnd in vorgegebener Reihenfolge zu schalten, erfindungsgemäß ein Amplitudenregler und ein Zeitregler für Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes, welche zur Steuerung der Amplitude und/oder der Zeitdauer der Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes und zur Erhaltung der Abhängigkeit der Amplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von der Änderung der Amplitude und/oder der Zeitdauer dieser erregenden Impulse dienen, wobei die Ausgänge des Amplitudenreglers und des Zeitreglers für die erregenden Impulse an die jeweiligen Eingänge des Generators für Wechselstromerregerimpulse angeschlossen sind, ein Prozessor, dessen Steuerausgänge an den Steuereingang des steuerbaren Umschalters, an den Steuereingang des Generators für Wechselstromerregerimpulse an die Steuereingänge des Amplitudenreglers und des Zeitreglers für Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes angeschlossen sind, ein Analog-Digital-Umsetzer, dessen Steuereingang an den Steuerausgang des Prozessors angeschlossen ist und dessen Informationsausgang mit dem Informationseingang des Prozessors verbunden ist, vorgesehen sind, wobei der Empfänger einen Informationssignalverstärker, einen Kohärenzdetektor und einen Verstärkungsregler aufweist, der Ausgang des letzteren an den Steuereingang des Informationssignalverstärkers angeschlossen ist und der Ausgang des Informationssignalverstärkers mit dem Eingang des Kohärenzdetektors, dessen Ausgang an den Analogeingang des Analog-Digital-Umsetzers angeschlossen ist, verbunden ist, der Bezugsspannungseingang des Kohärenzdetektors mit dem zweiten Ausgang des Generators für Wechselstromerregerimpulse verbunden ist und der Steuereingang des Verstärkungsreglers mit dem Steuerausgang des Prozessors verbunden ist, der für die Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der Abhängigkeit der Anfangsamplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von den durch die Regler eingestellten Werten der Amplitude und der Zeitdauer der magnetischen Wechselfeldimpulse sowie für den Vergleich dieser Abhängigkeit mit apriorischen Referenzwerten bestimmt ist.

Um die Abhängigkeit der Phase des NMR-Signals von der Amplitude und der Zeitdauer der magnetischen Wechselfeldimpulse zu erhalten, ist die Einrichtung vorteilhafterweise einem Phasenmesser für das Informationssignal versehen, bei dem der Bezugsspannungseingang mit dem zweiten Ausgang des Generators für Wechselstromerregerimpulse verbunden ist, der Steuereingang an den Steuerausgang des Prozessors angeschlossen ist, der Informationseingang mit dem Informationsausgang des Informationssignalverstärkers verbunden ist und der Informationsausgang am Informationseingang des Prozessors liegt.

Die Erfindung gestattet eine bedeutende Beschleunigung und Verbilligung bei Aufsuchen und Erkundung der Lagerstätten unterirdischer, insbesondere flüssiger Minerale in Form von Wasser oder Erdöl. Sie hat zum ersten Mal die Möglichkeit gegeben, ohne Niederbringen der Bohrlöcher und Auspumpen die quantitative tiefenmäßige Verteilung der Mineralkonzentrationen in der Lagerstätte abzuschätzen. Dabei erhöht sich wesentlich die Zielsetzung, die Begründung und die Zuverlässigkeit der durchzuführenden Bohrarbeiten.

Bei der Erkundung unterirdischer Wässer läßt sich durch die Erfindung auch die Mineralisation der aufgefundenen unterirdischen Wässer bestimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Des weiteren wird die Erfindung an Hand eines konkreten Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 den Funktionsschaltplan für die erfindungsgemäße Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild des steuerbaren Umschalters, des Generators für erregende Wechselstromimpulse und des Zeitreglers für Impulse, gemäß der Erfindung,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild des Amplitudenreglers, gemäß der Erfindung,

Fig. 4 das Prinzipschaltbild des Informationssignalverstärkers und des Verstärkungsreglers, gemäß der Erfindung,

Fig. 5 das Diagramm der Abhängigkeit der Konzentrationsverteilung des Minerals von seiner Lagerungstiefe,

Fig. 6 das Diagramm der Abhängigkeit der Konzentrationsverteilung unterirdischer Wässer von der Lagerungstiefe, welches mit dem Versuchsmuster der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien erhalten wurde,

Fig. 7 das Diagramm der Abhängigkeit der Phase des NMR-Signals von dem Flächeninhalt des erregenden Impulses für den ersten Grundwasserleiter, gemäß der Erfindung,

Fig. 8 das Diagramm der Abhängigkeit der Phase des NMR-Signals von dem Flächeninhalt des erregenden Impulses für den zweiten Grundwasserleiter, gemäß der Erfindung,

Fig. 9 das Diagramm der Abhängigkeit der Phase des NMR-Signals von dem Flächeninhalt für eine Struktur aus zwei Grundwasserleitern, gemäß der Erfindung.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Die Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien, die ein magnetisches Kernresonanzsignal geben, enthält eine Drahtschleife 1 (Fig. 1), die auf der Erdoberfläche angeordnet ist. Die Drahtschleife 1 ist dafür bestimmt, durch Schicken von Wechselstromimpulsen durch die Schleife 1 ein erregendes magnetisches Wechselfeld im magnetischen Erdfeld auf der Frequenz der magnetischen Kernresonanz zu erzeugen.

Die Einrichtung weist einen steuerbaren Umschalter 2, dessen Ein/Ausgänge an die Drahtschleife 1 angeschlossen sind, und einen Generator 3 für erregende Wechselstromimpulse, dessen Ausgang an den Eingang 4 des steuerbaren Umschalters 2 angeschlossen ist, auf.

Die Einrichtung enthält auch einen Empfänger, der einen Informationssignalverstärker 5, einen Verstärkungsregler 6 und einen Kohärenzdetektor 7 einschließt.

Darüber hinaus sind in der Einrichtung ein Amplitudenregler 8 und ein Zeitregler 9 für die Wechselstromimpulse, die vom Generator 3 für Wechselstromerregerimpulse erzeugt werden, vorgesehen. Die Wechselstromfrequenz der Impulse wird in ihrem Wert sehr nah der Frequenz der Präzession der Atomkerne des untersuchten unterirdischen Minerals eingestellt.

Die Regler 8, 9 sind für die Steuerung der Amplitude und/oder der Zeitdauer der erregenden magnetischen Wechselfeldimpulse und für die Erhaltung einer Abhängigkeit der Amplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von der Änderung der Amplitude und/oder der Zeitdauer dieser Erregerimpulse bestimmt. Die Ausgänge der Regler 8 und 9 sind an die Eingänge 10 und 11 des Generators 3 für Erregerimpulse angeschlossen.

Die Einrichtung enthält einen Prozessor 12, dessen Steuerausgänge an den Steuereingang 13 des steuerbaren Umschalters 2, an die Steuereingänge 14 und 15 der Regler 8 bzw. 9, an den Steuereingang 16 des Generators 3, an den Steuereingang 17 des Reglers 6 angeschlossen sind.

Der Prozessor 12 ist für die Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der Abhängigkeit der Anfangsamplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von den durch die Regler 8, 9 vorgegebenen Werten der Amplitude und der Zeitdauer der magnetischen Wechselfeldimpulse sowie für den Vergleich dieser Abhängigkeit mit apriorischen Referenzwerten bestimmt.

Die Einrichtung enthält einen Analog-Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer) 18, dessen Steuereingang 19 an den Ausgang des Prozessors 12 angeschlossen ist und dessen Digital- Informationsausgang mit dem Informationseingang 20 des Prozessors 12 verbunden ist. Der Analogeingang 21 des A/D-Umsetzers 18 ist mit dem Ausgang des Kohärenzdetektors 7 verbunden, dessen Bezugsspannungseingang 22 mit dem zweiten Ausgang des Generators 3 verbunden ist. Der Informationseingang 23 des Verstärkers 5, der als Informationseingang des Empfängers dient, ist mit dem Informationsausgang des Umschalters 2 verbunden, und der Steuereingang 24 des Verstärkers 5 liegt am Ausgang des Verstärkungsreglers 6. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist mit dem Informationseingang 25 des Kohärenzdetektors 7 verbunden.

Die Einrichtung weist einen Phasenmesser 26 auf, bei dem der Steuereingang 27 an den Steuerausgang des Prozessors 12 angeschlossen ist, der Bezugsspannungseingang 28 mit dem zweiten Ausgang des Generators 3 verbunden ist, der Informationseingang 29 an den Informationsausgang des Verstärkers 5 angeschlossen ist und der Informationsausgang des Phasenmessers 26 am Informationseingang 30 des Prozessors 12 liegt.

Die Drahtschleife 1 ist auf der Oberfläche der Erde angeordnet, deren Schnitt mit Flözen 31, 32, 33, 34, 35 schematisch dargestellt ist. Die Flöze 32 und 34 sind Speichergesteine für das untersuchte unterirdische Mineral, beispielsweise eine Flüssigkeit, die Flöze 31, 33 und 35 enthalten diese Flüssigkeit nicht.

Als steuerbarer Umschalter 2 kann ein Kontakt- oder konktaktloses Relais benutzt werden. In Fig. 2 ist ein Schaltbild für das Kontaktrelais mit einer Wicklung 36 und einer Gruppe von Schließern 37 und Öffnern 38 gezeigt. Während der Erregung des NMR-Signals verbindet die Gruppe der Schließer 37 den ersten Ausgang des Generators 3 mit der Drahtschleife 1. Während des Empfangs des NMR-Signals verbindet die Gruppe der Öffner 38 die Drahtschleife 1 mit dem Eingang 23 (Fig. 1) des Verstärkers 5. Die Steuerung des Umschalters 2 (Fig. 2) erfolgt nach dem Befehl des Prozessors 12 (Fig. 1).

Der Generator 3 kann beispielsweise mit Thyristoren 39 (Fig. 2), 40 bestückt nach an sich bekannter Schaltung eines Reihenwechselrichters mit Rückwärtsdioden 41, 42 ausgeführt werden. Der Generator 3 schließt einen Kondensator 43, Sperrschwinger 44, 45, welche nach beliebiger Schaltung ausgeführt werden können, logische Elemente 46, 47 und einen Bezugsspannungsgenerator 48 ein (J. Connely "Analoge integrierte Schaltungen" (Bauelemente, Schaltungen, Systeme und Anwendungen) erschienen 1977 im "Mir"-Verlag, Moskau, s. S. 440, 411).

Der gemeinsame Punkt der Thyristoren 39, 40 und der Dioden 41, 42 ist über den Kondensator 43 mit dem Eingang 4 des steuerbaren Umschalters 2 verbunden. Die Steuerelektroden der Thyristoren 39, 40 sind mit den Sperrschwingern 44 bzw. 45 verbunden. Die Eingänge der Sperrschwinger 44, 45 sind mit den Ausgängen der logischen Elemente 46 bzw. 47 verbunden. Die ersten Eingänge 49, 50 der logischen Elemente 46 bzw. 47 sind an die jeweiligen Ausgänge des Bezugsspannungsgenerators 48 angeschlossen. Die Anode des Thyristors 39 ist mit der Kathode der Diode 41 zusammengeschaltet und an den Ausgang des Reglers 8 (Fig. 1) angeschlossen. Die Kathode des Thyristors 40 (Fig. 2) und die Anode der Rückwärtsdiode 42 sind zusammengeschaltet und mit der gemeinsamen Schiene verbunden. Der Eingang des Generators 48 dient als Eingang 16 (Fig. 1) des Generators 3. Einer der Ausgänge des Generators 48 (Fig. 2) ist mit den Eingängen 22 (Fig. 1), 28 des Kohärenzdetektors 7 bzw. des Phasenmessers 26 verbunden.

Als Zeitregler 9 für erregende Impulse kann ein Impulszähler 51 (Fig. 2), der nach einer an sich bekannten Schaltung ausgeführt ist, verwendet werden. Der Ausgang des Zählers 51 ist mit den zusammengeschalteten zweiten Eingängen 52, 53 der logischen Elemente 46, 47 des Generators 3 verbunden. Der Eingang des Impulszählers 51 fungiert als Eingang 15 des Zeitreglers 9 für Impulse.

Als Amplitudenregler 8 (Fig. 1) kann z. B. eine Wandlerschaltung ausgenutzt werden, die zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine wertmäßig regelbare Gleichspannung zum Einsatz kommt. Der Start eines solchen Wandlers kann sowohl mittels eines eigenen Taktgebers als auch mittels eines gemeinsamen Taktgebers der Anlage (nicht gezeigt) erfolgen.

Der Wandler enthält Leistungstransistoren 54 (Fig. 3), 55, einen Hochfrequenztransformator 56, dessen Sekundärwicklung 57 mit dem Eingang einer Diodenbrücke 58 und dessen Primärwicklungen 59, 60 an die Kollektoren der Transistoren 54, 55 angeschlossen und mit einer (nicht gezeigten) Speisequelle verbunden sind. Die Emitter der Transistoren 54 und 55 sind zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Schiene angeschlossen.

Als Belastung für die Diodenbrücke dient ein Pufferkondensator 61 mit einer Kapazität von mehreren zehn oder hundert 1000 Mikrofarad.

Der Taktgeber kann in Form eines Multivibrators 62 ausgeführt werden, dessen Ausgang mit den ersten Eingängen 63, 64 der logischen Elemente 65, 66 verbunden ist, wobei die zweiten Eingänge 67, 68 der Elemente 65, 66 zusammengeschaltet und mit dem Ausgang eines Schmitt-Triggers 69 verbunden sind. Der Eingang 70 des Schmitt-Triggers 69 ist mit dem gemeinsamen Punkt eines Spannungsteilers verbunden, der mit Widerständen 71, 72 bestückt ist, deren freie Anschlüsse mit dem Ausgang der Diodenbrücke 58 verbunden sind. Der Eingang 73 des Schmitt-Triggers 69 stellt den Eingang 14 des Reglers 8 (Fig. 1) dar. Die Ausgänge der logischen Elemente 65, 66 sind mit den Basen der Transistoren 54, 55 verbunden. Der positive Belag des Kondensators 61 ist der Ausgang des Amplitudenreglers 8.

Die Ausführungsbeispiele für den Informationssignalverstärker 5 und den Verstärkungsregler 6 sind in Fig. 4 gezeigt. Der Verstärker 5 kann auf einer Mikroschaltung OY777 (J. Rutkovsky "Integrierte Operationsverstärker", Nachschlagewerk, erschienen 1978 im "Mir"-Verlag, Moskau, siehe S. 287 bis 289) oder auf ähnlichen Schaltungen aufgebaut werden.

Der Informationssignalverstärker 5 enthält eine Mikroschaltung 74, einen Trennkondensator 75, der an den ersten Eingang der Mikroschaltung 74 angeschlossen ist, einen Begrenzerwiderstand 76, der mit dem Kondensator 75 in Reihe geschaltet ist, einen umstimmbaren Kondensator 77, der zum Eingang 23 des Informationssignalverstärkers 5 parallelgeschaltet ist. Der Ausgang der Mikroschaltung 74 dient als Ausgang des Informationssignalverstärkers 5.

Als Verstärkungsregler 6 kann ein beliebiges Relais eingesetzt werden. Ein Anschlußende der Wicklung 78 des Relais bildet den Eingang 17 des Verstärkungsreglers 6. Der Schließer 79 ist mit dem Eingang 24 des Verstärkers 5 verbunden. Die freien Anschlußenden der Wicklung 78 des Relais und des Schließers 79 sind an die gemeinsame Schiene angeschlossen. Der Kohärenzdetektor 7 und der Phasenmesser 26 können mit Mikroschaltungen vom Typ HA-2820 oder HA-2800 bestückt werden (J. Connely "Analoge integrierte Schaltungen" (Bauelemente, Schaltungen, Systeme und Anwendungen), erschienen 1977 im "Mir"-Verlag, Moskau, siehe S. 398).

Der A/D-Umsetzer 18 kann nach einer Schaltung ausgeführt werden, die im Buch von J. Rutkovsky "Integrierte Operationsverstärker" (Nachschlagewerk), erschienen 1978 im "Mir"-Verlag, Moskau, siehe S. 241, 142, 243) aufgeführt ist.

Als Prozessor 12 kann eine beliebige bekannte elektronische Rechenmaschine (ERM), beispielsweise eine vom Typ 9815 S der Firma Hewlett Packard (Katalog der Fa. Hewlett Packard, veröffentlicht 1981, herausgegeben in USA, siehe S. 623), eingesetzt werden.

In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Konzentrationsverteilung eines Minerals von dessen Lagerungstiefe, gemäß der Erfindung, in einem Diagramm veranschaulicht.

In Fig. 6 ist in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit der Konzentrationsverteilung unterirdischer Wässer von der Lagerungstiefe gezeigt, die beim Betrieb des Versuchsmusters der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Minerale erhalten wurde.

In Fig. 7, 8, 9 sind experimentell aufgenommene Kurven für verschiedene charakteristische Mineralisationsverteilungen unterirdischer Wässer gemäß der Erfindung dargestellt.

In Fig. 7 ist die Abhängigkeit der NMR-Signalphase von der Fläche des erregenden Impulses für den Grundwasserleiter in einem Tiefenbereich von 12 bis 50 m mit einer Mineralisation von weniger als 0,9 g/l grafisch dargestellt.

In Fig. 8 ist die Abhängigkeit der NMR-Signalphase von der Fläche des erregenden Impulses für den Grundwasserleiter in einem Tiefenbereich von 12 bis 50 m mit einer Mineralisation von etwa 1,5 g/l grafisch dargestellt.

In Fig. 9 ist die Abhängigkeit der NMR-Signalphase von der Fläche des erregenden Impulses für Strukturen aus zwei Grundwasserleitern grafisch dargestellt. Der obere Grundwasserleiter befindet sich in einem Tiefenbereich von 12 bis 28 m, der untere in einem Tiefenbereich von 36 bis 80 m. Der obere Grundwasserleiter weist eine Mineralisation von 0,9 g/l, der untere eine von etwa 1,27 g/l auf.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß man mit Hilfe einer auf der Erdoberfläche liegenden Drahtschleife 1 (Fig. 1) eine Reihenfolge von Erregerimpulsen eines magnetischen Wechselfeldes mit einer der Resonanzfrequenz des gesuchten Minerals gleichen Trägerfrequenz erzeugt. Infolge der Nutation während der Wirkung jedes Impulses weicht das durch den Kernmagnetismus bedingte magnetische Moment der Lagerstätte von seiner durch das magnetische Erdfeld bestimmten statischen Lage ab. Nach Beendigung des Erregerimpulses kehrt das magnetische Moment in seine statische Lage zurück und führt dabei Präzessionsbewegungen um den Induktionsvektor B₀ des magnetischen Erdfeldes aus, infolgedessen über der Lagerstätte des Minerals abklingende Schwingungen eines magnetischen Wechselfeldes entstehen (ein Signal der freien Präzession oder ein NMR-Signal auf einer streng vorgegebenen Frequenz, die nur für das gesuchte Mineral charakteristisch ist).

In Zeiträumen zwischen Erregerimpulsen werden diese Schwingungen mit Hilfe der gleichen Drahtschleife 1 empfangen. Das Vorliegen oder Fehlen eines Signals auf der vorgegebenen Frequenz im Empfänger 5 weist das Vorliegen bzw. Fehlen des gesuchten unterirdischen Minerals nach. Die Schwingungsamplitude des NMR-Signals hängt von der Mächtigkeit der Lagerstätte des unterirdischen Minerals und seiner Lagerungstiefe, d. h. von der Entfernung von der Erdoberfläche ab.

Die Abklinggeschwindigkeit dieser Schwingungen wird unter anderen gleichen Bedingungen durch die Ungleichmäßigkeit des magnetischen Erdfeldes bestimmt, welche beispielsweise durch den Charakter des das gesuchte Mineral enthaltenden porigen Gesteins bestimmt werden kann. Zur Abweichung des magnetischen Momentes der Lagerstätten gleicher Mächtigkeit, die sich aber in großen Lagerungstiefen befinden, um ein und denselben Winkel wird eine größere Amplitude des Erregerimpulses in der Drahtschleife 1 und/oder eine längere Zeitdauer dieses Impulses benötigt.

Doch wird die Änderung der Zeitdauer des Impulses durch die Relaxationszeit des NMR-Signals, deren Höchstwerte mehrere Sekunden nicht übersteigen, begrenzt. Durch Änderung der Amplitude und/oder der Zeitdauer der Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes im Bereich der unterirdischen Lagerstätte erhält man eine Abhängigkeit der Amplitude des NMR-Signals von diesen Parametern. Diese Abhängigkeit läßt sich günstigerweise durch die Abhängigkeit eines Anfangsteils des NMR-Signals vom Erregerimpuls ausdrücken, der als Fläche dargestellt ist, welche dem Produkt aus der Amplitude des durch die Drahtschleife 1 fließenden Wechselstromimpulses und der Zeitdauer dieses Impulses gleich ist.

Die Arbeit der Einrichtung beginnt mit dem Erregungszyklus. Um die Überbelastung des Verstärkers 5 durch eine über den Umschalter 2 während der Erregung eindringende Störspannung zu beseitigen und somit die Totzeit des Verstärkers 5 zu kürzen, wird der Regler 6 nach dem Befehl des Prozessors 12 in die Minimalverstärkungslage eingestellt. Gleichzeitig werden die Regler 8 und 9 nach dem Befehl des Prozessors 12 in den Anfangszustand eingestellt, während die Drahtschleife 1 vom Umschalter 2 an den Generator 3 angeschlossen wird. Infolgedessen entsteht in der Drahtschleife 1 ein Erregungsstromimpuls. Nach Ablauf dieses Impulses wird die Drahtschleife 1 nach dem Befehl des Prozessors 12 vom Umschalter 2 an den Verstärker 5 angeschaltet, während der Verstärkungsregler 6 in die Lage gebracht wird, die dem Empfang des Signals der freien Präzession entspricht. Das verstärkte Signal wird dem Kohärenzdetektor 7 zugeführt. Mit dem Befehl des Prozessors 12 wird der A/D-Umsetzer 18 gestartet, und das demodulierte und umgesetzte Signal der freien Präzession gelangt in den Speicher des Prozessors 12.

Während des Betriebs der Einrichtung erfolgt die Registrierung der Abhängigkeit der Amplitude E₀ eines Anfangsteils des Signals der freien Präzession und der Relaxationszeit dieses Signals von dem Produkt aus der Amplitude I₁ des Erregungsstromimpulses in der Drahtschleife 1 und der Zeitdauer τ dieses Impulses.

Diese Abhängigkeit kann erhalten werden, indem man durch Steuerung der Amplitude der Wechselstromerregerimpulse in der Drahtschleife 1 und/oder der Zeitdauer dieser Wechselstromimpulse die Amplitude und/oder die Zeitdauer der Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes ändert. Diese Änderungen werden durch den Amplituden- oder den Zeitregler 8 bzw. 9 vorgenommen.

Wegen einer unvermeidlichen Totzeit des Empfangskanals geht die Amplitude E₀ des Anfangsteils des Signals der freien Präzession üblicherweise verloren. Daneben hängt die Bestimmungsgenauigkeit der Konzentration η des unterirdischen Minerals von der Meßgenauigkeit von E₀ ab. Deswegen berechnet der Prozessor 12 zuerst E₀ aufgrund der registrierten Amplitude und der Relaxationszeit des Signals nach dem Extrapolationsverfahren und speichert diesen ersten Punkt der Kurve E₀ (1₁ × τ) und löscht im Speicher die überflüssige Information. Daraufhin werden die Regler 8 und 9 nach dem Befehl des Prozessors 12 in eine neue Lage übergeführt, und der Erregungs-, Empfangs- und Verarbeitungszyklus des Signals wiederholt sich. Infolgedessen speichert der Prozessor 12 einen zweiten Punkt der Kurve E₀ (1₁ × τ). Diese Zyklen wiederholen sich so lange, bis die Grenzlage der Regler 8 und 9 erreicht ist und der ganze Anfangsteil der Kurve E₀ (1₁ × τ) sich im Speicher des Prozessors 12 befindet. Der Bruchpunkt dieser Kurve richtet sich nach der für eine konkrete Einichtung maximal erreichbaren Fläche 1₁ × τ des Erregerimpulses. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird die Kurve E₀ (1₁ × τ) im Speicher des Prozessors 12 durch mehrfaches Erregen, Empfangen und Mitteln des Signals aufgespeichert.

Nach Aufspeichern der Kurve E₀ (1₁ × τ) löst der Prozessor 12 nach vorgegebenem Algorithmus eine inverse Aufgabe, indem er die registrierte Abhängigkeit mit den apriorischen, in seinem Speicher aufbewahrten Angaben gegenüberstellt, und rechnet aufgrund dessen eine Funktion η (Z) aus, die mit einem (nicht gezeigten) Ausgabegerät registriert wird. Die Abhängigkeit (Z) liefert eine vollständige Information über die unter der Drahtschleife 1 befindliche Lagerstätte des Minerals, d. h. über die Lagerungstiefe der Speichergesteinsflöze 32 (Fig. 5) und 34 und über deren Mächtigkeit sowie über die tiefenmäßige Konzentrationsverteilung des Minerals, d. h. über den prozentualen Mineralgehalt der Flöze 31, 32, 33, 34 und 35. Dabei kann man im Lagerungsbereich der Flöze 32 und 34, die das gesuchte Mineral enthalten, aus der Abhängigkeit η (Z) den Mineralgehalt mit jeweiligem Wert η in % ermitteln, während für den Lagerungsbereich der Flöze 31, 33 und 35, die das gesuchte Mineral nicht enthalten, der Wert η = 0 ist.

Es ist bekannt, daß die elektrische Leitfähigkeit der Grundwasserträger durch den Mineralisationsgrad des in ihnen enthaltenen Grundwassers bestimmt wird (UdSSR- Urheberschein Nr. 947805, G 01 V 3/II, bekanntgemacht 1981).

Ein magnetisches Wechselfeld, das von der Drahtschleife 1 während der Erregung des NMR-Signals erzeugt wird, induziert in elektrisch leitenden Grundwasserträgern Wirbelströme, welche die Phase des auf die Wasserprotonen einwirkenden Magnetfeldes verschieben, infolgedessen die Phase des NMR-Signals, das von der Drahtschleife 1 aufgenommen wird, gegenüber dem Fall, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Grundwassers gleich Null ist, nacheilt. Ein magnetisches Wechselfeld, das von den Wasserprotonen erzeugt wird, d. h. das NMR-Signal selbst, induziert ebenso in Grundwasserträgern Wirbelströme, die zu einer zusätzlichen Phasenverzögerung des empfangenen NMR-Signals führt. Natürlich wird die Phase des von der Drahtschleife 1 empfangenen NMR-Signals im Durchschnitt um so mehr verschoben, je größer die elektrische Leitfähigkeit der Grundwasserträger und somit die Mineralisation des Wassers ist. Aus der nichtlinearen Abhängigkeit der Phasenverschiebung η von der Fläche I₁ · τ kann man mittels entsprechender Rechenoperationen im Prozessor 12 ein Bild für die tiefenmäßige Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit von unterirdischen wasserführenden Gesteinen ermitteln und die tiefenmäßige Verteilung des Mineralisationsgrades abschätzen.

Die Verzögerung der Ausgangssignalphase ϕ des Verstärkers 5 wird gegenüber dem Bezugssignal des Generators 3 für Erregerimpulse mit Hilfe des vom Prozessor 12 gesteuerten Phasenmessers 26 gemessen und über den Informationseingang 30 in den Prozessor 12 eingegeben zur Verarbeitung und Registrierung der Funktion und somit gleichzeitig zur Gewinnung von Informationen über die tiefenmäßige Mineralisation von Grundwasser samt den Angaben über die Lagerungstiefe des wasserführenden Flözes, seine Mächtigkeit und die quantitative tiefenmäßige Verteilung der Grundwasserkonzentration.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine mögliche schaltungstechnische Ausführung des steuerbaren Umschalters 2, des Generators 3 für Erregerimpulse und des Zeitreglers 9 für Erregerimpulse gegeben. Die Drahtschleife 1 in Fig. 2 ist als eine Induktivitätsspule dargestellt. Vor Arbeitsbeginn des Generators 3 für Erregerimpulse ist eine Gruppe von Kontakten 38 des Umschalters 2 geschlossen. Zu dieser Zeit ist die Drahtschleife 1 mit dem Eingang 23 (Fig. 1) des Informationssignalverstärkers 5 verbunden und wird die Abstimmung der Eingangs- und Ausgangsstromkreise des Informationssignalverstärkers 5 auf die Frequenz der Präzession der Kerne des gesuchten Minerals vorgenommen. Diese Frequenz wird durch den Typ des Minerals und den Wert der Induktion des Erdmagnetfelds in dem Arbeitsbereich, die von vornherein bekannt ist oder im voraus gemessen werden kann. Die Frequenz wird von dem Bezugsspannungsgenerator 48 (Fig. 2) festgelegt, der zur Vereinfachung auf dem Schaltbild des Generators 3 für Erregerimpulse gezeigt ist. Nach Abschluß der aufgezählten Vorbereitungsarbeiten beginnt der Erregungszyklus. Hierzu wird nach dem Befehl des Prozessors 12 (Fig. 1) dem Steuereingang 13 des steuerbaren Umschalters 2 in die Relaiswicklung 36 (Fig. 2) ein Stromimpuls zugeführt, die Kontakte 37 werden geschlossen und verbinden die Drahtschleife 1 über den Eingang 4 mit dem Ausgang des Generators 3 für Erregerimpulse. Gleichzeitig mit dem Anlaßkommando für den Steuerausgang des Prozessors 12 treffen die Anlaßkommandos in den Steuereingang 15 des Zeitreglers 9 für Erregerimpulse, in den Steuereingang 16 des Generators 3 für Erregerimpulse und in den Steuereingang 14 des Amplitudenreglers 8 für Erregerimpulse ein. Je nach dem Zustand des Zählers 51, der die Zeitdauer des Erregerimpulses festlegt, wird über den Eingang 10 des Generators 3 für Erregerimpulse die Speisespannung des Generators 3 zugeführt, der auf schnellwirkenden Leistungsthyristoren 39 und 40 mit parallel und gegenläufig geschalteten Dioden 41 und 42 zusammengebaut ist. Der Speisespannungswert am Eingang 10 oder die Zeitdauer einer Reihe von Startimpulsen am Eingang 11 des Generators 3 für Erregerimpulse werden so eingestellt, daß das Produkt aus der Amplitude 1 des Stromes und der Zeitdauer τ dieses Stromes in der Drahtschleife 1 einem vorgegebenen Wert entsprechen soll, der durch den Prozessor 12 vor und nach Abschluß jedes Zyklus von Erregung, Empfang, Registrierung, Sammlung und Speicherung des NMR-Signals bestimmt und festgelegt wird.

Der Durchgang der Wechselstromerregerimpulse in der Drahtschleife 1 erfolgt nach der Zuführung von Steuerimpulsen an die Steuerelektroden der Thyristoren 39 und 40. Diese Steuerimpulse kommen von den Sperrschwingern 44 und 45, die abwechselnd mit Signalen der logischen Elemente 46 bzw. 47 ausgelöst werden. Am Ausgang der logischen Elemente 46 und 47 erscheint nach dem Zusammenfallen der Vorzeichen der an den Eingängen 52, 49 und 53, 50 eintreffenden Impulse eine logische Eins. Bei dem Ankommen eines Steuerimpulses an der Steuerelektrode des Thyristors 39 wird dieser letztere leitend und läßt den Strom während der positiven Halbperiode durch den Kondensator 43 und die Drahtschleife 1 fließen. Dann ändert der Strom seine Richtung und fließt durch die Diode 41. An den Thyristor 39 wird eine negative Spannung angelegt, die der Spannung an der leitenden Diode 41 gleich ist, und diese wird ausgeschaltet. Nach Ablauf einer Zeit, die der Halbperiode der Präzession gleich ist, wird der Steuerimpuls der Steuerelektrode des Thyristors 40 zugeführt, und der Vorgang wiederholt sich. Infolgedessen fließt in der Drahtschleife 1 ein vorzeichenveränderlicher Strom. Die Kapazität des Kondensators 43 hängt von der Induktivität der Drahtschleife 1 und von dem Wert der Induktion des magnetischen Erdfeldes, d. h. von der Frequenz der magnetischen Kernresonanz des untersuchten Minerals ab. Im Falle der Protonenresonanz kann diese Frequenz beispielsweise sich in einem Bereich von 1000 Hz bis 2800 Hz je nach der geographischen Lage des Einsatzortes der Einrichtung ändern.

Die Amplitude des Ausgangsstromes des Generators 3 für Erregerimpulse ist durch den Wert der Speisespannung gegeben, die seinem Eingang 10 ( bei vorgegebenen Werten für die Induktivität der Drahtschleife 1 und die Kapazität des Kondensators 43) zugeführt wird. Die Parameter der Drahtschleife 1, des steuerbaren Umschalters 2 und der Starkstromelemente des Generators 3 für Erregerimpulse ergeben sich aus der erforderlichen Tiefe der Erkundung unterirdischer Mineralien. Davon hängt auch eine konkrete schaltungstechnische Ausführung dieser Baugruppen ab, weil die Amplitude des Erregerwechselstroms sich von Einern bis mehreren Tausend Ampere ändern kann.

Zur Steuerung des Wertes der Induktion eines auf das unterirdische Mineral einwirkenden Magnetfeldes durch Änderung der Amplitude des Stromimpulses in der Drahtschleife 1 wird in der Einrichtung der Amplitudenregler 8 für Erregerimpulse eingesetzt.

Eine der möglichen schaltungstechnischen Lösungen des Amplitudenreglers 8 für Erregerimpulse ist in Fig. 3 abgebildet. Dieser Regler 8 stellt mit dem am Eingang 14 ankommenden Befehl des Prozessors 12 (Fig. 1) am Eingang 10 des Generators 3 für Erregerimpulse einen vorgegebenen Wert der Speisespannung für diesen Generator 3 ein. Der Regler 8 (Fig. 3) arbeitet nach dem Prinzip der Wandlung einer unregelbaren Gleichspannung in eine regelbare Gleichspannung. Nach Einschalten der Stromversorgung beginnt der Multivibrator 62 mit der Erzeugung einer hochfrequenten Spannung, die den Eingängen 63 und 64 der logischen Elemente zugeführt wird. An den Eingängen 67 und 68 dieser logischen Elemente stellt sich eine Spannung ein, die den Durchgang der Impulse des Multivibrators 62 in die Basen der Starkstromtransistoren 54 und 55 des Umsetzers zuläßt. In der Wicklung 57 des Transformators 56 erscheint eine hochfrequente Spannung, die von der Diodenbrücke 58 gleichgerichtet wird und den Pufferkondensator 61 großer Kapazität auflädt, der eine eigentliche Speisequelle des Generators 3 für Erregerimpulse ist. Der Ausgangsspannung des Umsetzers wird durch den Schmitt-Trigger nachgeführt an dessen Eingang 70 von einem mit Widerständen 71 und 72 bestückten Teiler der Momentanwert der Ausgangsspannung des Umsetzers und an dessen Eingang 73 über den steuerbaren Eingang 14 des Reglers 8 vom Prozessor 12 die Steuerspannung ankommen. Sobald die Ausgangsspannung des Reglers 8 am Kondensator 61 einen erforderlichen Wert erreicht, kommt der Schmitt-Trigger 69 zur Funktion, so daß den Eingängen 67 und 68 der logischen Elemente 65 und 66 eine Spannung zugeführt wird, die den Durchgang hochfrequenter Schwingungen des Multivibrators 62 zu den Basen der Starkstromtransistoren 54 und 55 verbietet.

Nach Einschalten des Generators 3 für Erregerimpulse (Fig. 1) kommt vom Ausgang des Schmitt-Triggers 69 (Fig. 3) an den Eingängen 67 und 68 eine Spannung an, die hochfrequente Schwingungen des Multivibrators 62 durch die logischen Elemente 65 und 66 zu den Basen der Transistoren 54 und 55 so lange durchgehen läßt, bis der Kondensator 61 auf den erforderlichen Wert der Speisespannung aufgeladen ist. Ein solcher Betriebszyklus dauert so lange, bis am Eingang 14 ein Befehl eintrifft, den Wert der Spannung am Kondensator 61 herauf- oder herabzusetzen, wonach dieser Zyklus sich so lange wiederholt, bis am Eingang 14 ein neuer Befehl zur Änderung der Speisespannung am Kondensator 61 oder zur Arbeitseinstellung angekommen ist.

Je nach der Speiseschaltung des Generators 3 (Fig. 2) für Erregerimpulse kann auch die Schaltung des Amplitudenreglers 8 (Fig. 3) für Erregerimpulse geändert werden.

In Fig. 4 ist ein Fragment des Empfangskanals der Einrichtung nach Fig. 1 dargestellt, das die Drahtschleife 1, den steuerbaren Umschalter 2, den Informationssignalverstärker 5 und den Verstärkungsregler 6 umfaßt. Während des Empfangs eines in der Drahtschleife 1 induzierten NMR-Signals wird die Gruppe der Kontakte 38 des steuerbaren Umschalters geschlossen, und das Signal kommt über den Eingang 23 zum Informationssignalverstärker 5. Der Eingangsresonanzstromkreis, der aus der Drahtschleife 1 und dem Kondensator 77 besteht, wird von diesem letzteren auf die Trägerfrequenz abgestimmt, die der Frequenz der Präzession der Kerne des gesuchten Minerals in dem erdmagnetischen Feld, welches der geographischen Lage des Einsatzortes der Einrichtung entspricht, gleich ist. Über den Begrenzerwiderstand 76 und den Kondensator 75 kommt das Signal in den Eingang des Operationsverstärkers 74. Vom Ausgang des Operationsverstärkers 74 gelangt das Signal zum Informationseingang 25 (Fig. 1) des Kohärenzdetektors 7. Zur Verminderung der Zeit für die Wiederherstellung der Empfindlichkeit des Verstärkers 5 und zu dessen Schutz gegen die über die Kontakte 37 (Fig. 4) des Umschalters 2 eindringende Spannung des hochfrequenten Erregerimpulses ist der Verstärkungsregler 6 vorgesehen. Als ein solcher Regler ist in Fig. 4 ein elektromagnetisches Relais dargestellt, dessen Steuerung dadurch erfolgt, daß nach dem Befehl des Prozessors 12 über den Eingang 17 in die Wicklung 78 dieses Relais der Strom eingespeist wird. Der Kontakt 79 dieses Relais ist während des Durchlaufs des NMR-Signals durch den Empfangskanal geöffnet, d. h. die Wicklung 78 des Relais ist stromlos gemacht und der Operationsverstärker 74 geöffnet. Während der Erzeugung des Erregerimpulses ist der Kontakt 79 des Relais geschlossen und wird der gemeinsame Punkt des Widerstandes 76 und des Kondensators 75 an die gemeinsame Schiene angeschlossen und ist somit der Eingang des Verstärkers 74 kurzgeschlossen.

In Fig. 5 ist schematisch im Schnitt ein Block eines Gesteinskörpers gezeigt, der durch Flöze 31, 32, 33, 34, 35 dargestellt ist, und daneben ein denkbares Diagramm für die Abhängigkeit der Verteilung der Konzentration η des Minerals von der Tiefe z angeführt. Aus dem Diagramm sind zwei Speichergesteine als Mineralträger zu erkennen. Eines befindet sich in einem Tiefenbereich von Z₁ bis Z₂ mit einer Konzentration von η₁% und das andere in einem Tiefenbereich von Z₃ bis Z₄ mit einer Konzentration von η₂%. In den Flözen 31, 33 und 34 ist die Mineralkonzentration gleich Null.

In Fig. 6 ist ein Diagramm für die Abhängigkeit der Konzentrationsverteilung von Grundwasser von der Lagerungstiefe abgebildet, das aus dem Betrieb des Versuchsmusters der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer Mineralien hervorgegangen ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß in Tiefen von 0 bis 100 m drei Grundwasserträger vorkommen, und zwar in einem Tiefenbereich von 7 bis 8 m mit einem Wassergehalt von 12%, in einem Tiefenbereich von 12 bis 14 m mit einem Wassergehalt von 6% und in einem Tiefenbereich von 24 bis 50 m mit einem maximalen Wassergehalt von etwa 23% in dem wasserreichsten Bereich des Flözes von 32 bis 50 m. Die Mächtigkeit (Flözdicke) der Grundwasserträger beläuft sich auf 1, 2 bzw. 26 m.

Die Erfindung gestattet es, Angaben über die Lagerungstiefe, die Mächtigkeit der Lagerstätte und die Konzentration des Minerals zu erhalten sowie die Aussagekraft dieser Angaben durch Ergänzung mit Angaben über die Mineralisation von unterirdischen Wasserträgern zu verbessern.

Mit der Erfindung können die Zeit für eine Messung eingespart, der Energieaufwand reduziert, die Masse an zu transportierenden Ausrüstungen und Hilfsmaterialien herabgesetzt und die Betriebskosten gesenkt werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung kann zum Messen der Lagerungstiefe, der Mächtigkeit der Lagerstätte und der Konzentration unterirdischer, das Signal der magnetischen Kernresonanz gebender Mineralien verwendet werden. Falls Parameter von Grundwasserträgern gemessen werden sollen, ist die Erfindung geeignet, noch die Mineralisation von Wasser in diesen Grundwasserträgern einzuschätzen.

Die Erfindung kann bei ingenieurmäßigen Voruntersuchungen, im Bau und in der Melioration sowie in der Hydrogeologie bei der Platzauswahl für Betriebswasserentnahmebohrungen und zur Bestimmung der Intervalle für die Grundwasserentnahme Anwendung finden.

Claims (2)

1. Einrichtung zum Messen von Parametern der Lagerstätten unterirdischer, das Signal der magnetischen Kernresonanz gebender Mineralien, enthaltend eine auf der Erdoberfläche angeordnete Drahtschleife (1), die zur Erzeugung eines erregenden magnetischen Wechselfeldes in dem erdmagnetischen Feld auf der Frequenz der magnetischen Kernresonanz durch Schicken von Wechselstromimpulsen durch diese Schleife (1) bestimmt ist, einen Generator (3) für Wechselstromerregerimpulse, einen steuerbaren Umschalter (2), dessen Ein/Ausgänge an die Drahtschleife (1) angeschlossen sind und dessen Eingang (4) am ersten Ausgang des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse liegt, einen Empfänger für den Empfang des in der Drahtschleife von dem unterirdischen Mineral in Zeiträumen zwischen den Erregerimpulsen induzierten Signals der magnetischen Kernresonanz, wobei der Informationseingang des Empfängers an den Informationsausgang des steuerbaren Umschalters (2) angeschlossen ist, welcher dafür bestimmt ist, die Drahtschleife (1) an den ersten Ausgang des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse und an den Informationseingang (23) des Empfängers abwechselnd in vorgegebener Reihenfolge zu schalten, gekennzeichnet durch einen Amplitudenregler (8) und einen Zeitregler (9) für Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes, welche Regler für die Steuerung der Amplitude und/oder Zeitdauer der Erregerimpulse eines magnetischen Wechselfeldes und für die Erhaltung der Abhängigkeit der Amplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von der Änderung der Amplitude und/oder der Zeitdauer dieser Erregerimpulse bestimmt sind, wobei die Ausgänge des Amplitudenreglers (8) und des Zeitreglers (9) an die jeweiligen Eingänge (10, 11) des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse angeschlossen sind, durch einen Prozessor (12), dessen Steuerausgänge an den Steuereingang (13) des steuerbaren Umschalters (2), an den Steuereingang (16) des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse und an die Steuereingänge (14, 15) des Amplitudenreglers (8) und des Zeitreglers (9) für Erregerimpulse angeschlossen sind, durch einen Analog-Digital-Umsetzer (18), dessen Steuereingang (19) an den Steuerausgang des Prozessors (12) und dessen Informationsausgang an den Informationseingang (20) des Prozessors (12) angeschlossen sind, wobei der Empfänger einen Informationssignalverstärker (5), einen Kohärenzdetektor (7) und einen Verstärkungsregler (6) aufweist, dessen Ausgang an den Steuereingang (24) des Informationssignalverstärkers (5) angeschlossen ist, der Ausgang des Informationssignalverstärkers (5) mit dem Informationseingang (25) des Kohärenzdetektors (7) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Analogeingang (21) des A/D-Umsetzers (18) verbunden ist, wobei der Bezugsspannungseingang (22) des Kohärenzdetektors (7) mit dem zweiten Ausgang des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse verbunden ist, und der Steuereingang (17) des Verstärkungsreglers (6) mit dem Steuerausgang des Prozessors (12) verbunden ist, welcher für die Erfassung, Verarbeitung und Speicherung der Abhängigkeit der Anfangsamplitude und der Relaxationszeit des NMR-Signals von den durch die Regler eingestellten Werten der Amplitude und der Zeitdauer der magnetischen Wechselfeldimpulse sowie für den Vergleich dieser Abhängigkeit mit apriorischen Referenzwerten bestimmt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Erhaltung der Abhängigkeit der Phase des NMR-Signals von der Amplitude und Zeitdauer der magnetischen Wechselfeldimpulse einen Phasenmesser (26) für das Informationssignal aufweist, bei dem der Bezugsspannungseingang (28) mit dem zweiten Ausgang des Generators (3) für Wechselstromerregerimpulse verbunden ist, der Steuereingang (27) an den Steuerausgang des Prozessors (12) angeschlossen ist, der Informationseingang (29) mit dem Informationsausgang des Informationssignalverstärkers (5) verbunden ist und der Informationsausgang am Informationseingang (30) des Prozessors (12) anliegt.