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Verfahren zur Bodenerforschung auf elektromagnetischem Wege durch
Erregung elektrischer Wechselströme im Untergrunde und Aufnahme der elliptischen
Schwingungen des Bodenstroms bzw. des magnetischen Vektors Es ist bekannt, daß bei
der Erderforschung mittels elektrischer Wechselströme der Stromvektor im Boden im
allgemeinen keine lineare Schwingungsbewegung ausführt, sondern daß seine Spitze
eine Ellipse beschreibt, deren Form und Lage sich aus dem Zusammenwirken mehrerer
gegeneinander phasenverschobener, in verschiedenen Richtungen schwingender Komponenten
des Bodenstromes ergibt. Entsprechende Verhältnisse ergeben sich bezüglich des erzeugten
magnetischen Wechselfeldes. In allen Fällen erhält man, solange man Ströme nur einer
einzigen Frequenz im Untergrunde erregt, ebene Schwingungsellipsen für den Bodenstrom
sowohl als auch für den magnetischen Feldvektor. Dagegen komplizieren Obertöne die
Verhältnisse erheblich, so daß man sie entweder am Sender oder am Empfänger in bekannterWeise
unterdrücken soll. Die folgenden Ausführungen sollen sich daher ausdrücklich nur
auf rein sinusfi->rmige Erregerspannungen beziehen.
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)Jan kann nun den elliptisch schwingenden Vektor auf mannigfachste
Weise in zwei lineare Komponenten zerlegen, welche gegeneinander phasenverschoben
schwingen. Jede dieser Komponenten sei im folgenden charakterisiert durch ihre Phasenverschiebung
(p gegenüber der das Feld erzeugenden, den Erdstrom (galvanisch, induktiv, kapazitiv
oder gemischt) erregenden Spannung e - a # sin a) t. Es ist klar, daß wenn
man an jedem Punkte des Raumes Richtung und Intensität (Amplitude) derjenigen Komponente
bestimmt, welche eine Phasenverschiebung qp,. gegen die Spannung e aufweist, man
ein kohärentes Vektorfeld erhält, welches die wahre Stromverteilung zu derjenigen
Zeit darstellt, welche dieser Phasendifferenz([" gegen die Erregerspannung entspricht.
Diese Stromverteilung herrscht in jeder Periode der Erregerspannung nur während
eines Moments, deshalb kann das auf diese Weise ermittelte Feld ein Momentanfeld
genannt werden.
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In jedem dieser Momentanfelder prägt sich natürlich die elektrische
Beschaffenheit des Untergrundes aus, doch sieht man ohne weiteres ein, daß elektrisch
verschiedenartige Einlagerungen, wie z. B. solche mit besonders kleiner oder besonders
großer Leitfähigkeit, magnetisierbare Einlagerungen usw., oder verschiedenartige
räumlicheStrukturen solcher Einlagerungen, sich in- den Moanentanfeldern mit verschiedenen
Phasendifferenzen q7,. in verschiedener- Weise ausprägen müssen.
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Das hier darzulegende neue Verfahren elektrischer Bodenerforschung
beruht nun einerseits auf der Vermessung solcher Momentanfelder, entsprechend einer
Phasenverschiebung p, für welche sich die gesuchten Einlagerungen im Boden am stärksten
und/oder besonders
charakteristisch bemerkbar machen, und andererseits
in der <Anwendung geeigneter Mittel, um die räumliche Struktur eines solchen
Momentanfeldes in physikalisch ein-@vandfreier und zugleich wirtschaftlich durchführbarer
Weise auszumessen.
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Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Bodenerforschung auf
elektromagnetischem Wege durch Erregung elektrischer Wechselströme im Untergrund
und Aufnahme der elliptischen Schwingungen des Bodenstromes bzw. des magnetischen
Vektors, bei welchem im ganzen zu untersuchenden Gebiete oder inTeilen desselben
in allenBeobachtungsorten diejenigen Durchmesser der Schwingungsellipsen aufgesucht
werden, für welche die längs ihrer Richtung genommenen Feldvektoren miteinander
in Phase sind und gegen eine gleichfrequente Vergleichsspannung bzw. einen solchen
Vergleichsstrom oder solchen magnetischen Vergleichsvektor die gleiche Phasendifferenz
haben, und die so ermittelten Richtungen der miteinander phasengleichen Durchmesser
als Richtungsfeld für die Abteilung der sich diesen Richtungen anschmiegenden elektrischen
oder magnetischen Feldlinien oder der diese orthogonal durchdringenden Äquipotentialflächen
dienen und so das zu dem gewählten Phasendifferenzwert gehörige Momentanfeld des
betreffenden Vektors ergeben.
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In vielen praktischen Fällen ergibt sich schon aus der räumlichen
Verteilung der Formen der Schwingungsellipsen, daß gewisse Bereiche eines zu untersuchenden
Gebietes solche phasenverschobenen Stromkomponenten mit stark gegeneinander divergierenden
Strömungsrichtungen enthalten, während andere Bereiche ganz flache Ellipsen zeigen,
d. h. im ersteren Falle sind die phasenverschobenen Komponenten in ihrer Richtung
stärk voneinander verschieden, und im letzteren Falle verlaufen sie nahezu parallel
zueinander. Die Erfahrung zeigt, und die theoretischen Überlegungen entsprechend
den obigen Bemerkungen bestätigen, es in überzeugender Weise, daß der letzte Fall
in elektrisch homogenen Räumen vorherrscht, während besonders gut leitende Einlagerungen
durch Wirbelströme und besonders schlecht leitende, insbesondere flache Einlagerungen
(z. B. Quarzbänder, trockeneSpalten u. dgl.) durch Verschiebungsströme phasenverschobene
Komponenten hervorbringen. In solchen Fällen wird es genügen, dieAufteilung der
Bodenströme in ihre Komponenten nur in Bereichen vorzunehmen, in denen breitere
Schwingungsellipsen beobachtet sind, und die Phasenverschiebung so zu wählen, daß
die Aufspaltung in diesen Gebieten besonders klar und charakteristisch ausfällt.
Ob man nur eine Stromverteilung für g"L (und damit zugleich u. a. auch für 9p,n+go°)
bestimmt und in Karten einträgt, oder ob man mehrere 9>"L, die um geeignete Winkel
(z. B. 3o°, 6o° oder 30°, 45°) gegeneinander versetzt sind, bei der Ausmessung und/oder
Aufzeichnung benutzt, hängt von den Verhältnissen ab. -Gegeben ist in jedem Bereiche
des Strömungsfeldes die Schwingungsellipse des Strom- bzw. Spannungsvektors. Solange
die elektrische Leitfähigkeit des Bodens in dem Meßbereiche nicht zu klein wird,
kann man die Strom- und Spannungsvektoren in jeder Richtung in diesem Bereiche als
phasengleich und einander proportional ansehen.
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Es handelt sich nun ganz besonders darum, die elliptische Schwingung
in zwei lineare Schwingungen zu zerlegen, deren Phasen gegeneinander um go° verschoben
sind. Auch das ist natürlich noch auf unendlich mannigfache Weise möglich. Zu jedem
Durchmesser der Schwingungsellipse gehört ein anderer Durchmesser, längs dessen
eine um go° verschobene lineare Schwingung der ersteren überlagert die ursprüngliche!
Schwingungsellipse ergibt. Die je in dieser Weise zusammengehörigen Durchmesser
der Schwingungsellipse sind konjugierte Durchmesser, so daß man bei Kenntnis der
Richtung des einen je sogleich die Richtung des dazu um go° in Phase verschobenen
Vektors konstruieren oder berechnen kann.
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Die Bestimmung der Schwingungsellipsen selbst in jedem Bereiche (sei
es nach der Sonden-, sei es nach der Rahmenmethode) durch Ableitung aus den Amplitüdenkurven
ist bereits bekannt. Es handelt sich aber weiterhin nun darum, inneralb jeder dieser
räumlich verteilt ausgemessenen Schwingungsellipsen die zu einem Momentanfeld vorgegebener
Phasenverschiebung (p,. gehörige Schwingungsrichtung (die dazu gehörigen Durchmesser
der Ellipsen) aufzusuchen. Die Kurven, welche sich den Richtungen dieser zu dem
gleichen durch rpr charakterisierten Durchmesser der Ellipsen anschmiegen, geben
dann die Stromlinien des Momentanfeldes (cpr), die orthogonalen Trajektorien dieses
Stromlinienfeldes geben die Äquipotentiallinien (-flächen) des Momentanfeldes (cp,.).
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Es handelt sich also weiterhin darum, Mittel zu finden, um in allen
Schwingungsellipsen die zu einer vorgegebenen Phasendifferenz #p,. (also zu dem
gleichen Momentanfeld (cpr) gehörigen Schwingungsrichtungen herauszufinden.
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Das kann sowohl unter Bezugnahme auf die Phase der Erregerspannung
e, sozusagen absolut, als auch nur relativ durch Beziehung der Bodenströme in den
verschiedenen Bereichen
des Strömungsfeldes aufeinander durchgeführt
werden. Schließlich kann man auch nur einige Bereiche an die Erregerspannung e unmittelbar
absolut anschließen und die übrigen Bereiche dann mit diesen Hauptbereichen relativ
verknüpfen.
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Der absolute Anschluß an die Phase der Erregerspannung kann auf galvanische,
induktive oder evtl. auch kapazitive Weise erfolgen. Eine für galvanische Kopplung
geeignete Schaltung ist für die Sondenmethode z. B. folgende: In Abb. 1 bedeutet
L die Leitung, welche die Erregerstromquelle mit den zur übertragung der elektrischen
Energie in den Boden bestimmten Vorrichtungen verbindet, oder auch eine besonders
zu diesem Zwecke an die Pole dieses Stromerregers in geeigneter Weise angeschlossene
Leitung. w1-W4 sind induktions- und kapazitätsfreie Widerstände. S1 ist die feste,
S2 die bewegliche Sonde des Sondenkreises, mit denen die Form der Schwingungsellipse
im Beobachtungsbereiche in bekannter Weise ausgemessen wird. In die Sondenleitung
sei ein Verstärker V eingeschaltet, an den ein Telefon T und/oder ein Gleichrichter
R (mit Galvanometer G) angeschlossen ist. Natürlich können auch elektrische Meßapparate,
z. B. Elektrometer, benutzt werden. Stromlosigkeit im Telefon bzw. Galvanometer
(im äußeren Sondenkreise) ist nur dann zu erreichen, wenn die von L her dem Sondenkreise
überlagerte Spannung gleiche Amplitude und Phase gegenüber der im Erdboden vorhandenen
Spannungsdifferenz zwischen S, und S, aufweist. Die Amplitude der von L gelieferten
kompensierenden Spannung wird durch Regulieren von W., W3, W4 geändert. Die Phase
kann nur durch Schwenken von S. um S1 eingestellt werden. Man ordne also zunächst
S, in beliebiger Richtung von S, aus in der Normalentfernung r an und verstellt
W.-W., so lange, bis man das Minimum des Tones in T oder des Stromes in G
erhält. Dann verschwenkt man unter entsprechendem Nachregulieren von LIJ@-li die
Sonde S.. bis man das Minimum vollständig auf 1u11 heruntergebracht hat. Die Richtung
S1, S. gibt dann die Richtung der Äquipotentiallinie der zum Strom in L um 9o° in
Phase verschobenen Komponente des Bodenstromes. Der zu diesem Durchmesser konjugierte
Durchmesser der Schwingungsellipse gibt die Richtung der zu L phasengleichen Komponente
des Bodenstromes an.
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In Abb. 2 sind die Verhältnisse dargestellt. die für die Vermessung
des Bodenstromes in der hier beschriebenen Weise maßgebend sind. 1-2 und 3-4 sind
zwei konjugierte Durchmesser der z. B. nach der Lemniskatenmethode aufgesuchten
Ellipse mit dem Mittelpunkt in S1, in denen um 9o° gegeneinan-,Jer phasenverschobene
Stromkomponenten schwingen, welche zusammenwirkend die in bekannter Weise zu ermittelnde
Strömungsellipse ergeben. (Der Stromvektor rotiere im Sinne des Uhrzeigers.) 5-6
ist die Richtung der an der (horizontal gedachten) Erdoberfläche zur Stromkomponente
1-2 gehörigen Äquipotentiallinie. Führt man jetzt die Sonde S, um die Sonde S1 im
Kreise herum, so bleibt die Komponente 1-a nur dann wirkungslos, wenn S2 auf 5-6
liegt. Die Schwingung im Sondenkreis ist derKomponente 3-4 gleichphasig und ihrer
Proj ektion 7-8 proportional. Überlagert man jetzt mittels der beschriebenen Vorrichtungen
einen Strom mit gegebener Phase, so kann man durch Variation seiner Stärke nur dann
im Sondenkreis denStrom dauernd zum Verschwinden bringen, wenn beide einander überlagerten
Spannungen in Phase um 18o° verschoben und die Amplituden gleich sind. Die Richtung
der Sondenleitung S1, S@ steht in diesem Falle also senkrecht auf der Stromkomponente,
welche inRichtung des zur kompensierten Komponente konjugierten Ellipsendurchtnessers
steht, in dem die Schwingung um -f- 9ö° gegen die kompensierende Schwingung verschoben
ist. Die Amplitude der Spannungen in den den beiden Stromkomponenten entsprechenden
Richtungen folgen dann ohne weiteres aus der vorher bestimmten Schwingungsellipse.
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Anstatt die Übertragung des Kompensationsstromes von L auf den Sondenkreis
durch galvanische Kopplung zu bewii.ken, kann man sie auch nach Abb.3 auf induktivem
Wege vornehmen, indem man einen übertrager Ü,. zwischenschaltet. In Abb. 3 ist dann
auch die Überlagerung des durch U1 in der Fernleitung F zum Untersuchungsort erregten
Stromes auf die Sondenleitung beispielsweise durch einen Übertrager U, vorgesehen.
Ü,. undjoder UZ bringen natürlich eine zunächst unbekannte Phasenverschiebung in
die Übertragung von L auf S1, S., die indessen entweder (da für alle Untersuchungsorte
gleich, wenn die Fernleitung selbst praktisch induktions- und kapazitätsfrei ist)
vernachlässigt werden oder mittels eines in Abb.3 beispielsweise in die Fernleitung
eingefügten, aus einstellbarer Selbstinduktion und Kapazität bestehenden Phasenschiebers
kompensiert werden kann. Abb. 4 zeigt die entsprechende Anordnung, bei der der Phasenschieber
als besonderer Kreis- PhS zwischen den Übertrager Ü., und den Sondenkreis S1, S,
eingebaut ist. Wenn die Übertrager Ih und U. so gebaut sind, daß in der Verbindungsleitung
eine erhöhte Spannung herrscht
und in die Verbindungsleitung nach
Abb. 3 dieVorrichtungen für die Einstellung der Phasenverschiebung eingefügt sind,
so kann der zu dieser Vorrichtung gehörige Kondensator kleiner gehalten werden,
was aus ver schiedetien Gründen vorteilhaft ist. Entsprechend würde sich auch eine
kapazitive Kopplung einrichten lassen.
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Auf ein besonderes Verwendungsgebiet dieser Messungen sei beispielsweise
hingewiesen. Um die Tiefe von flächenförmig ausgebreiteten gut leitenden Einlagerungen
im Untergrunde, z. B. von Salzwasserhorizonten in Erdölgebieten, feststellen zu
können, ist man so vorgegangen, daß man über zwei durch eine gerade Leitung, in
die der Stromerreger eingebaut ist, verbundene Feldelektroden (oft auch zweckmäßig
nur auf induktivem Wege mittels Induktion,-schleife) dem Boden Wechselstrom zuführt,
dessen Rückleitung im Untergrunde sich dann in der gut leitenden Schicht konzentriert.
Man maß dann die Einfallswinkel der magnetischen Kraftlinien des Feldes, vorzugsweise
in der Medianebene der Aufstellung, und konnte aus deren Verlauf mit zunehmender
Entfernung von der Verbindungsleitung die Tiefe der Einlagerung ableiten. Mißt man
aber nach den hier gegebenen neuen Einrichtungen die Schwingungsellipse nach Form.
Lage der Achsen und Phasendifferenz der parallel den verschiedenen Durchmessern
genommenen Komponenten des magnetischen Feldes aus, so erhält man sehr viel genauere
Tiefenbestimmungen.
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Anstatt nun den Kompensationsstrom dem Erreger des Bodenstromes direkt
zu entnehinen, kann man ihn natürlich auch an irgendeiner Stelle des stromdurchflossenen
Untergrundes entnehmen. Zwischen je zwei Sonden A und B (Abb. 5), die irgendwo im
Stromfelde an der Erde angebracht sind, wird eine zeitlich sinusförmig verlaufende
Spannung bestehen, die die gleiche Frequenz aufweist wie die Erregerspannung selbst,
und die eine zeitlich konstante Phasenverschiebung gegen die Erregerspannung aufweist.
Unter. Verwendung irgendeines zweckmäßig im Strömungsfelde angeordneten Sondenpaares
A, B kann man also z. B. nach Abb. 5 in genau gleicher Weise wie direkt an
die Phase des Erregerstromes z. B. nach Abb. r- angeschlossen die Schwingungen im
Untersuchungsbereiche analysieren.
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Abb.6 zeigt dann weiterhin, wie man die evtl. zu geringe Spannung
zwischen A und B
<furch Einbau eines Verstärkers V noch so weit
erhöhen kann, daß sie auf alle Fälle zur Kompensation des Sondenstromes ausreicht,
falls man nicht die bei Kompensationsschaltungen auch sonst üblichen und daher hier
nicht im einzelnen gezeichneten Abzweigschaltungen im Sondenkreise verwenden will.
Diese haben aber den Nachteil, daß dann auch im Kompensationsfall noch über S1 und
S,1 Teilströme fließen, die eine Rückwirkung auf die Konfiguration der Bodenströme
ausüben können, weshalb man praktisch besser die Kompensationsspannung so hoch nimmt,
daß sie zur vollständigen Kompensation der Spannungsamplitude zwischen S, und SZ
ausreicht.
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In ganz genau entsprechender Weise kann man verfahren, wenn man nicht
mittels eines Sondenkreises die Strom- (bzw. Spannungs-) Verteilung im Boden selbst,
sondern mittels Induktionsrahmens die Struktur des von den elektrischen Strömen
hervorgebrachten magnetischen Feldes untersucht. Die Übertragung der bisher -gekennzeichneten
und durch Schaltungsbeispiele erläuterten Grundsätze auf die Messungen mittels des
Induktionsrahmens ist so selbstverständlich, daß sich Beispiele in Beschreibung
und Zeichnung erübrigen. ' In Abb. 6 ist auch beispielsweise noch in bekannter Weise
eine Spule S'p in die Sondenleitung eingeschaltet, welche die gleiche Windungsfläche
wie diese aufweist und so geschaltet ist, daß sie stets von den magnetischen Kraftlinien
der Bodenströme usw. in genau entgegengesetzter Richtung durchflossen wird wie die
Windungsfläche der Sonden S1, 52, so daß durch sie die in der Sondenleitung
erregten störenden Induktionsströme voll kompensiert werden.
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In manchen Fällen, insbesondere wenn es sich um die- Untersuchung
räumlich weniger ausgedehnter Bereiche mit weit offenen Schwingungsellipsen innerhalb
eines sie umgebenden wenig gestörten Feldes (mit schmalen Schwingungsellipsen) handelt,
kann man von einer Bestimmung der Größe der Phasenverschiebung der Komponenten gegen
die Erregerspannung selbst ganz absehen und nur ein oder einige Momentanfelder z.
B. in der Weise ausmessen, daß man nach Abb. 5 oder 6 zwei Hilfselektroden
A und B, meist zweckmäßigerweise in Richtung der großen Achse der
Schwingungsellipse im Bereiche ihrer Anbringung, anordnet und über einen Phasenregelkreis
PhS nach Abb. q. die an A
und B erregten Schwingungen dem Sondenkreis S1,
S2 überlagert. Man kann mittels dieses Phasenregelkreises dann die Phasenverschiebung
einstellen, welche die offenen Schwingungsellipsen im Untersuchungsgebiete erfahrungsgemäß
am charakteristischsten in zunächst zwei konjugierte Momentanfelder auflöst, oder
auch durch mehrfache Vermessung des Kompensationsstromes mittels des Phasenregelkreises
mehrere Systeme
konjugierter Ellipsendurchtnesser vermessen, die
dann als Richtungsfeld zur Konstruktion der Stromlinien jedes der vermessenen -Momentanfelder
dienen. Statt der Sonden A. B
und/oder S1, S., können auch InduktIon:sspulen
in sinngemäßer Weise verwendet werden. In letzterem Fallee (statt S1, S, eine Rahmenspule)
erhält man natürlich die der betreffenden Phase entsprechenden Äquipotentialflächen
bzw. magnetischen Kraftlinien (Induktionslinien) des Momentanfeldes. Man kann in
dieser Weise die Phasenübertragung auch von Meßpunkt zu Meßpunkt vornehmen, hat
aber dabei den Nachteil, daß sich die Fehler fortlaufend summieren, was aber in
enger umgrenzten Störungsgebieten oft praktisch unschädlich ist.
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Hat man in den Schwingungsellipsen je ein Paar konjugierter Durchmesser
mit absolut oder relativ zu den übrigen Ellipsen bekannter Phasendifferenz vermessen,
so lassen sich alle anderen nebst den dazu gehörigen Phasenwerten auch durch geometrische
Konstruktion oder Rechnung aus der Form und Lage der Schwingungsellipsen finden.
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In manchen Fällen ist es auch zweckmäßig, nicht die zu einem Momentanfelde-
mit vorgegebenem T, zusammengehörigen Ellipsendurchmesser festzulegen, sondern so
vorzugehen, daß man z. B. mit Hilfe eines nach Abb. 4. angeordneten Phasenregelkreises
die Phasendifferenz für den größten und%oder kleinsten Durchmesser der Schwingungsellipsen
oder überhaupt für irgendeinen gegenüber den Ellipsenachsen oder auch gegenüber
den Himmelsrichtungen im Raume orientierten Durchmesser bestimmt und dann den Aufbau
des Untergrundes mit dem so gewonnenen, nicht mehr kohärenten, da räumlich zu wechselnden
q: gehörigen Stromrichtungsfeld in Beziehung bringt.
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Von ganz besonderer Bedeutung ist es oft, die Vermessung mit Strömen
verschiedener Frequenz durchzuführen und die Abhängigkeit der Konfiguration der
Schwingungsellipsen und der Momentanfelder von der Frequenz festzustellen.