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Verfahren zur elektrischen Untersuchung des Untergrundes
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur elektrischen Untersuchung des Untergrundes, bei dem unter
Ausschluß jedes künstlichen elektrischen Feldes nur elektrische Felder benutzt werden,
die von natürlichen Erdströmen erzeugt werden. Zu diesem Zweck hat man bereits an
den verschiedenen Stellen der zu untersuchenden Zone die Erdfelder an diesen Stellen
zu demselben Zeitpunkt oder die zwischen zwei gleichen Zeitpunkten auftretenden
Änderungen dieser Erdfelder an jenen Zonen verglichen. Das einfachste bekannte Verfahren
zum Messen des Erdfeldes an einem Punkt besteht darin, daß zwei Elektrodenpaare
verwendet werden, von denen das eine Paar senkrecht oder unter einem beliebigen
Winkel zum anderen Paar gerichtet ist, wobei die Potentialunterschiede zwischen
den Elektroden jedes Paares gemessen werden.
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Hieraus werden die Größen der Komponenten des Erdfeldes in den beiden
entsprechenden Richtungen ermittelt. Zur Bestimmung des Erdfeldes in einem Punkt
werden als Meßgeräte meistens Galvanometer benutzt, die auf einem Streifen, Film
od. dgl. die Potentialunterschiede zwischen den beiden Elektroden ein und desselben
Paares abhängig von der Zeit aufzeichnen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch das aus dem Verlauf der
abhängig von der Zeit aufgezeichneten oder registrierten Kurvenangaben Angaben über
die Art und Dicke der mehr oder weniger tiefen Bodenschichten abgeleitet werden
können. Gemäß der Erfindung werden zur Unterscheidung des Einflusses mehr oder weniger
tiefer
Bodenschichten auf die Registriergeräte nur diewenigen Frequenzen
dieser Erdströme zur Einwirkung gebracht, die in das eine oder andere Band des Frequenzspektrums
fallen, aus dem sich die die Änderung des Erdfeldes in Abhängigkeit von der Zeit
darstellende Kurve zusammensetzt.
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Die Erfindung beruht auf der durch theoretische Berechnungen erworbenen
Erkenntnis, daß die Eindringtiefe der verschiedenen Teilfrequenzen der Erdströme
mit erhöhter Frequenz abnimmt und daß für die Messung der verschiedenen in Frage
kommenden Tiefenperioden Bruchteile von I Sekunde bis zu einigen Minuten in Betracht
kommen. Durch die Erfindung ist erstmalig eine Tiefensondierung mittels natürlicher
Erdströme ermöglicht worden.
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Je größer also die Schwingungsperiode ist,- um so tiefer ist die
von dieser Schwingung erfaßte Bodenschicht. Es ist daher möglich, den Einfluß mehr
oder weniger tiefer Bodenschichten zu unterscheiden, zu welchem Zweck man nur aufeinander
folgende Meßreihen durchzuführen braucht, wobei man für jede Meßreihe nur die dem
einen oder anderen Frequenzbereich angehörenden Erdströme wirksam werden läßt.
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Wenn man bereits in einer bestimmten zu untersuchenden Gegend oder
Zone insgesamt die elektrischen Parameter der das Bodeninnere oder den -Untergrund
bildenden Erdschichten kennt, so kann man aus den erhaltenen Ergebnissen durch Vergleich
der verschiedenen Schwingungsarten zwischen der beweglichen Station und der ortsfesten
Station Angaben über die relativen Dicken der verschiedenen Bodenschichten ableiten;
Dies läßt sich bequem mit Hilfe von Einrichtungen ausführen, bei denen auf einer
festen fotografischen Platte, einem fotografischen Papier oder einer anderen geeigneten
Aufzeichnungsunterlage während annähernd demselben Zeitabstand, aber unabhängig
voneinander an zwei bestimmten Stationen Kurven aufgezeichnet werden, die von Potentialunterschieden
abhängen, welche an diesen Stationen durch die Erdströme hervorgerufen werden.
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Bei diesen Einrichtungen werden einerseits zwei in einer ortsfesten
Station angeordnete Elektrodenpaare und andererseits zwei andere in einer beweglichen
Station angeordnete Elektrodenpaare verwendet; in jeder dieser Stationen haben die
beiden Elektrodenpaare eine Richtung senkrecht zueinander, und die Einstellung der
Elektrodenpaare auf dem zu untersuchenden Gelände wird lediglich durch das zu prüfende
geophysikalische Problem bestimmt. Dabei wird selbsttätig an der festen Station
die Kurve registriert, die von einem Punkt beschrieben wird, der als Abszisse die
Potentialdifferenz zwischen den beiden Erdern eines Schenkels des rechten Winkels
und als Ordinate die Potentialdifferenz zwischen den beiden Erdern des anderen Schenkels
dieses rechten Winkels des rechtwinkligen Dreiecks hat. In gleicher Weise wird für
die bewegliche Station verfahren, für welche die Kurve dementsprechend die Lagenänderung
des darstellenden Punktes angibt, dessen-Abszisse die Fotentialdifterenz zwischen
den den einen Schenkel des rechten Winkels bestimmenden Erdern und dessen Ordinate
die Potentialdifferenz zwischen den beiden den anderen Schenkel des rechten Winkels
des rechtwinkligen Dreiecks bestimmenden Erdern ist.
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Man braucht zu diesem Zweck nur Meßgalvanometer zu verwenden, deren
bewegliche Systeme bestimmte Eigenschwingungsperioden aufweisen, oder elektrische
Filter anzuwenden, die nur das eine oder andere Frequenzband hindurchlassen und
entweder in die Verstärker eingebaut oder vor den Galvanometern angeordnet sind;
diese Bandpaßfilter werden dabei beispielsweise von einstellbaren Frequenzbegrenzern
gebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der Unterscheidung des Einflusses
der mehr oder weniger tiefen Bodenschichten durch Filtration der durch die Erdströme
bedingten Schwingungen kann auch für solche Verfahren Anwendung finden, bei denen
abhängig von der Zeit der Spannungsunterschied aufgezeichnet wird, der zwischen
zwei Erdern durch die Erdströme erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren ist zur Registrierung
der Schwingungen von hoher Frequenz besonders vorteilhaft, denn man kann in diesem
Falle nach Belieben die Abroflgeschwindigkeit des fotografischen Registrierstreifens
erhöhen, der zur Aufzeichnung dieser Schwingungen vorzugsweise benutzt wird. Für
die Schwingungen von kleinster Periode mißt man vorzugsweise nicht die Amplituden
Z der Schwingung selbst, sondern die Geschwindigkeit ddV der Änderung dieser Schwingungen,
d. h. die Neigungen der bei der Registrierung auf dem Film od. dgl. erhaltenen Kurven.
Man braucht hierzu nur einen Umspanner mit gegebenenfalls einer oder mehreren Verstärkungsstufen
für die Erdpotentialunterschiede zu benutzen. Dieses letztere Verfahren bietet neben
anderen Vorteilen die Möglichkeit, daß nicht nur die Erdschwingungen von großer
Periode ausgeschaltet werden, sondern daß gegebenenfalls auch eine lineare störende
Änderung der Potentialdifferenz beseitigt wird, die beispielsweise durch eine elektrische
Unstabilität der Elektroden der Erdungen bedingt wird. Bei Verwendung von zwei in
Rei$e geschalteten Umspannerstufen erhält man den Wert der zweiten Ableitung dj?V2
die besonders kennzeichnend für die plötzlichen Änderungen des Erdfeldes ist, da
diese Größe der Krümmung der Aufzeichnung der Potentialdifferenz abhängig von der
Zeit auf dem Film od. dgl. ist.
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Man kann auch gleichzeitig während ein und derselben Registrierung
oder Aufzeichnung die aufgenommene Kurve analysieren, indem man mehrere elektrische
Filter parallel schaltet, die je die Angaben liefern, welche dem einen oder dem
anderen Frequenzband entsprechen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert werden,
in der einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise sinnbildlich dargestellt
sind.
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Fig. I zeigt eine Vorrichtung zur Registrierung der Spannung zwischen
zwei Elektroden nach angemessenem Filtern; Fig. 2 zeigt eine Meßeinrichtung, bei
der ein Galvanometer Anwendung findet; Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Registrierung
der Kurven unter Verwendung eines Kathodenstrahloszillographen; Fig. 4 zeigt eine
Vorrichtung zur Aufzeichnung der Kurven mit zwei Galvanometern; Fig. 5 zeigt eine
Vorrichtung, welche die Aufzeichnung der ersten Ableitung der aufgenommenen Spannung
liefert; Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung, welche die Aufzeichnung der zweiten Ableitung
liefert.
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In den verschiedenen Figuren sind die entsprechenden Teile mit denselben
Bezugs zeichen versehen.
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In Fig. I sind bei I und 2 die beiden Erder dargestellt, zwischen
deren Klemmen die Erdströme eine Potentialdifferenz hervorrufen, die sich ständig
abhängig von der Zeit ändert. Diese Potentialdifferenz wird nach Verstärkung durch
einen Verstärker 3 am Eintritt eines Filters 4 angelegt, das die unerwünschten Frequenzen
ausschaltet, wenn es sich um ein Hochpaß- oder ein Tiefpaßfilter handelt, oder nur
die gewünschten Frequenzeh hindurchläßt, wenn es sich um ein Bandpaßfilter handelt.
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Der Austritt des Filters ist an eine Registriervorrichtung 5 angeschlossen,
welche die gesuchte Kurve auf einem beweglichen Streifen 6 aufzeichnet.
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Die relativen Lagen des Verstärkers 3 und des Filters 4 können auch
umgekehrt werden, oder das Filter 4 kann zwischen zwei Verstärkerstufen eingeschaltet
werden.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die der in Fig. I gezeigten ähnlich
ist und sich von dieser nur dadurch unterscheidet, daß der von dem Filter 4 und
der Registriervorrichtung 5 gebildete Kreis durch ein Galvanometer 7 ersetzt ist,
dessen bewegliches System eine bestimmte Eigenschwingungsperiode aufweist, so daß
lediglich die Komponenten des Erdstroms, die eine dieser Eigenschwingungsperiode
entsprechende Frequenz aufweisen, von dem Band 6 aufgezeichnet werden.
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In Fig. 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, die eine Kurve liefert,
deren Abszissen und Ordinaten zu jedem Zeitpunkt den Erdstrompotentialdifferenzen
beziehungsweise verhältnismäßig gleich sind, die zwischen den an den Ecken eines
Dreiecks angeordneten Elektroden abgenommen werden.
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Die drei Elektroden oder Erder sind in Fig. 3 bei 8, g und 10 gezeigt.
Die Potentialdifferenzen an ihren Klemmen werden auf die Verstärker 3 übertragen,
die mit Filtern 4 versehen sind, deren Austrittsklemmen die beiden Plattenpaare
II bzw.
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12 eines Kathodenstrahloszillographen I3 speisen.
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Gegen den Fluoreszenzschirm 14 wird eine ortsfeste fotografische Platte
oder ein fotografisches Papier gedrückt. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist
ohne weiteres ersichtlich. Auch hier können die Filter 4 mit den Verstärkern 3 vereinigt
werden Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, bei der zur Erzielung derselben Kurve zwei
Galvanometer Anwendung finden. Die beweglichen Systeme dieser Galvanometer haben
dieselbe Resonanzperiode. Die Drehungsachse des Spiegels 15 des ersten Galvanometers
liegt senkrecht; dieser Spiegel 15 lenkt einen von der Lichtquelle I6 kommenden
Lichtstrahl ab und wirft ihn auf den Spiegel 17 des zweiten Galvanometers, dessen
Drehungsachse waagerecht liegt. Nach dieser doppelten Reflexion zeichnet dieser
Lichtstrahl auf einer an einer geeigneten Stelle angeordneten fotografischen Unterlage
(Platte, Film od. dgl.) I8 die gewünschte Kurve auf.
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In Fig. 5 ist eine Vorrichtung angegeben, mit der man die Kurve der
ersten Ableitung der Erdpotentialdifferenz abhängig von der Zeit erhalten kann.
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I und 2 sind wieder die Elektroden oder Erder, an deren Klemmen eine
Potentialdifferenz abgenommen wird, die man zwischen dem Gitter und der Kathode
einer Elektronenröhre I9 anlegt. Der Anodenstrom dieser Röhre speist über einen
Umspanner 20 das Gitter einer zweiten Röhre 21, die ilhrerseits die Registriervorrichtung
5 betätigt, welche die gewünschte Kurve auf den beweglichen Streifen 6 aufzeichnet.
Die Gitter der Röhren 19 und 21- sind derart polarisiert, daß der Gitterstrom praktisch
gleich Null ist. Bekanntlich ist unter diesen Bedingungen die Spannung an den Klemmen
der Sekundärwicklung des Umspanners 20 gleich der Ableitung des Stromflusses, d.
h. gleich der Ableitung des Anodenstroms der Röhre 19, dessen Änderung wiederum
linear von der zwischen den Elektroden I und 2 abgenommenen Erdpotentialdifferenz
abhängt. Diese Einrichtung liefert die gesuchte erste Ableitung.
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Die in Fig. 6 gezeigte Einrichtung entspricht der Einrichtung gemäß
Fig. 5 und unterscheidet sich von dieser lediglich dadurch, daß ein zweiter Umspanner
22 und eine dritte Röhre 23 derart eingeschaltet sind, daß die registrierte Kurve
die zweite Ableitung der Erdpotentialdifferenz abhängig von der Zeit liefert.
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Die in Fig. 5 und 6 gezeigten Einrichtungen können durch Zuordnung
zusätzlicher Verstärkerstufen sowie in anderer Weise vielfach abgeändert werden.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in allen
Fällen Anwendung finden, wo man in beliebiger Weise die auf den Erdstrom zurückzuführenden
Wirkungen unter Ausschluß irgendeines künstlichen Feldes mißt.