DE1911687A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden magnetischen Feldes insbesondere fuer geophysikalische Zwecke - Google Patents

Description

(Gr.Brit. 11 625 - prio. 9.3.1968

- 6076)

Barringer Research Limited

Hamburg, 5. März 1969

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden magnetischen Feldes, insbesondere für geophysikalische Zwecke

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden elektromagnetischen Feldes, das von einer entfernten Quelle abgestrahlt wird und eine im wesentlichen horizontale magnetische Feldkomponente und eine im wesentlichen vertikale elektrische Feldkomponente enthält, insbesondere für geophysikalische Zwecke, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Für das Verfahren werden insbesondere die von entfernten Funkstationen abgestrahlten Signale benutzt, und zwar vorzugsweise solche sehr niedriger Frequenz (VLF).

In den letzten Jahren wurden von der U.S. Navy und anderen Organisationen in der ganzen Welt eine Anzahl von sehr leistungsstarken Funksendern aufgebaut, die im Bereich von

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14 - 30 kHz arbeiten. Die von diesen Stationen abgestrahlten Signale breiten sich, als Bodenwelle über Tausende von Kilometern aus und dringen, abhängig von der Frequenz und der Leitfähigkeit des Bodens, tief in den Erdboden ein» Die Bodenwelle erzeugt in geneigten leitfähigen Schichten, z.B. geologischen Verwerfungen, Kohlenstoff lagern, Verbizidungsschichten, sulfidischen Erzen, Wirbelströme und ist außerdem mit kleinen Strömen verbunden, die in homogenen und horizontal geschichteten Bereichen radial zum Sender fließen.

Mit Hilfe der Erfindung wird es möglich, auf einfache Weise das Vorhandensein, die Erstreckung und die Art von im Erdboden vorhandenen Inhomogenitäten der Leitfähigkeit zu bestimmen. Dies erfolgt erfindungsgemäß nach dem eingangs erwähnten Verfahren dadurch, daß entlang eines vorbestimmten Weges ein erstes Signal mit fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente aufgenommen und aufge— zeichnet wird und daß gleichzeitig ein zweites Signal mit fester Phasenbeziehung zu mindestens einer Komponente des magnetischen Feldes aufgenommen und aufgezeichnet wird.

Die Erfindung beruht darauf, daß die vertikale -elektrische-Feldkomponente nur sehr geringfügig von örtlichen Änderungen der Leitfähigkeit im Boden beeinflußt wird, während die magnetische Feldkomponente sowohl in Phase als auch in Amplitude sehr stark durch vorhandene geneigte leitfähige

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Schichten und etwas weniger stark durch Impedanzänderungen des Bodens beeinträchtigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Feldkomponente als feste Bezugsgröße benutzt, um Änderungen von Phase und Amplitude der magnetischen Feldkomponente zu messen.

Bei der einfachsten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine horizontale magnetische Dipolantenne oder eine andere Auffanganordnung mit Richtwirkung für das magnetische Feld sowie eine vertikale elektrische Antenne benutzt. Die Dipolantenne spricht auf die horizontale Komponente des magnetischen Feldes und die elektrische Antenne auf die vertikale Komponente des elektrischen Feldes der Bodenwelle an. Von der Dipolantenne aufgenommene Signale werden in eine Komponente, die in Phase mit oder um 180° phasenverschoben gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente der Bodenwelle ist,(im folgenden Phasenkomponente genannt) und in eine Komponente (im folgenden Verschiebungskomponente genannt) zerlegt, die um gegenüber der Bodenwelle phasenverschoben ist. Eine Analyse der Phasenkomponente und der Verschiebungskomponente ergibt Informationen über die Art der geologischen Struktur. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden zwei zueinander orthogonale horizontale magnetische Dipolantennen verwendet, von denen die eine in Flugrichtung des Vermessungsflugzeuges

und die andere senkrecht dazu angeordnet ist. Damit lassen sich Richtung und Amplitude der Phasenkomponente und der

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Verschiebungskomponente ermitteln, so daß die Erstreckungsrichtung des Leiters "bestimmt werden kann. Eine vertikal angeordnete dritte magnetische Dipolantenne kann zur Bestimmung des Neigungswinkels der Phase der Polarisation des resultierenden magnetischen Feldes benutzt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das dem vorstehend beschriebenen ähnelt, kann eine horizontale elektrische Antenne zugefügt werden, die aus einem langen, vom Vermessungsflugzeug geschleppten Draht besteht. Diese geschleppte Antenne ist mit der vertikalen Komponente des elektrischen Feldes der Bodenwelle minimal gekoppelt und erzeugt ein kleines Signal, das stark abhängig von der Neigung der Antenne ist. Bei Messung der horizontalen Komponente des elektrischen Feldes, die gegenüber der vertikalen Komponente um 90° phasenverschoben ist, spielen Änderungen der Antennenneigung jedoch praktisch keine Rolle, und das Ausgangssignal, der Antenne hängt von der Impedanz des darunterliegenden Bodens ab. Diese Messung des elektrischen Feldes ist hauptsächlich bei homogenem oder horizontal geschichtetem Boden anwendbar und kann zur Herstellung von Karten der Widerstandsverteilung benutzt werden.

Die erzielte Eindringtiefe hängt von der Leitfähigkeit des Bodens und der Frequenz ab. Üblicherweise liegt sie bei niedrigen Frequenzen zwischen 15 und 150 m. Die Meßvorrichtung wird in einer Höhe von etwa 45 bis 450 m über den Boden

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geflogen. Die gewählte Höhe hängt davon ab, ob Karten mit speziellen Einzelheiten oder ob nur Übersichtskarten hergestellt werden sollen. Die Erfindung läßt sich auf geologischem Gebiet beispielsweise zur Kartographierung von Verwerfungen, Verbindungsschichten und leitfähigen Kennzonen in geeigneten Schichten verwenden. Ferner kann das Verfahren zur Suche von Wasserquellen benutzt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Bestimmung von großen Leitfähigkeitsbereichen in Süß- oder Salzwasser.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die typische Antennenanordnung gemäß der Erfindung bezogen auf die Flugrichtung.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer einfachen Anordnung zur Messung der Phasen- und der Verschiebungskomponente des magnetischen Feldes.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Messung der horizontalen und vertikalen Komponente des elektrischen Feldes und der Phasen- und der Verschiebungskomponente des magnetischen Feldes.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild für eine Anordnung mit drei senkrecht zueinander angeordneten magnetischen Dipolantennen und einer horizontalen elektrischen Antenne.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf folgenden Grundlagen:

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Die Bodenwelle hat ihre Ursache in Hochfrequenzströmen, die in der Antenne der Funkstation fließen. Die Bodenwelle ist eine elektromagnetische Welle mit abwechselnden senkrecht zueinander gerichteten elektrischen und magnetischen Feldkomponenten. Die elektrische Feldkomponente ist norma-' lerweise vertikal polarisiert, jedoch dicht am Boden etwas nach vorn geneigt, so daß sie in eine große vertikale und eine kleine horizontale Komponente zerlegt werden kann. Die magnetische Feldkomponente verläuft normalerweise horizontal und im rechten Winkel zur Richtung des Senders. Werden leiter im Boden vom magnetischen Feld durchsetzt, so fließen in ihm Wirbelströme, die ein sekundäres Feld erzeugen, das sowohl horizontale und vertikale Komponenten an der Oberfläche als auch solche Komponenten aufweist, die in Phase mit der Bodenwelle und die 90 phasenverschoben gegenüber der Bodenwelle sind. Da die magnetische Feldkomponente der Bodenwelle normalerweise horizontal gerichtet ist, erfolgt keine Koppelung mit horizontal verlaufenden leitfähigen Schichten und eine maximale Koppelung mit vertikal verlaufenden leitfähigen Schichten. Daher entsteht das sekundäre Feld hauptsächlich, wenn im Erdboden geneigte Leiter vorhanden sind. Obwohl vorzugsweise sowohl die Phasenkomponente als auch die Verschiebungskomponente gemessen wird, wurden auch bereits erfolgreich Vermessungen durchgeführt, bei denen nur die Verschiebungskomponente gemessen wurde.

Jede einzelne Wirbelstromkomponente kann als magnetischer J3i~

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pol angesehen werden. Das Vermessungsflugzeug befindet sich, notwendigerweise im Nahfeld jedes magnetischen Dipols, da der Abstand zwischen Flugzeug und magnetischem Dipol immer nur einen Bruchteil der Wellenlänge der vom Sender ausgestrahlten Signale ist. Im Nahfeld eines magnetischen Dipols überwiegt das magnetische Feld gegenüber dem elektrischen Feld. Daher wird die Phase (und zu einem etwas geringeren G-rad die Amplitude) der -vertikalen elektrischen Feldkomponente nur· ganz geringfügig von den vorhandenen geneigten Leitern beeinflußt, während die magnetische Feldkomponente sehr stark verändert wird. Somit stellt die vertikale elektrische Feldkomponente eine ideale Bezugsgröße zur Messung von Phasen- und Amplitudenänderungen des sekundären Feldes dar.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 vfird die vertikale Komponente des elektrischen Feldes mit Hilfe einer vertikalen Stabantenne 10 gemessen, die auf übliche Weise am Flugzeug oder einem anderen Vermessungsfahrzeug angebracht ist. Das horizontale magnetische Feld wird mit einer horizontalen magnetischen Antenne 11, beispielsweise einer elektrostatisch geschirmten Spule auf einem Ferritstab,gemessen. Torzugsweise befindet sich die Antenne 11 in einer Hülse aus Fiberglas (manchmal als "Stachel" bezeichnet), die sich vom hinteren Teil des Flugzeuges weg erstreckt, um die Antenne 11 vom Metall des Flugzeuges abzutrennen. Eine horizontale elektrische Antenne 12 aus einem langen Draht wird vom Plugzeug geschleppt. Sie wird zur Messung der horizontalen Komponente des elektrischen

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Feldes benutzt. Die horizontale magnetische Antenne 11 erstreckt sich rechtwinklig zur Plugrichtung (durch Pfeil 13 angedeutet).

Man erkennt, daß zur Messung des gesamten horizontalen magnetischen Feldes eine zusätzliche horizontale magnetische Antenne benutzt werden kann, die rechtwinklig zur dargestellten angeordnet ist, und daß zur Messung des gesamten dreidimensionalen magnetischen feldes eine vertikale magnetische Antenne hinzugefügt werden kann.

In Fig. 2 ist eine einfache Anordnung zur Messung der Phasen- und der Verschiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes bezogen auf das vertikale elektrische Feld dargestellt. Das vertikale elektrische Feld wird von der Antenne 10 ausgewertet, die mit üblichen Mitteln auf die gewünschte Frequenz, z.B. 17,8 kHz, abgestimmt ist. Das Ausgangssignal der elektrischen Antenne 10 wird einem abgestimmten Verstärker 15 zugeführt. Das horizontale magnetische Feld wird von der horizontalen magnetischen Antenne 11 aufgenommen, die mit einem Verstärker 16 verbunden und ebenso wie der Verstärker auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist. TJm Phasen- und Verschiebungskomponenten des magnetischen Feldes zu erhalten, ist der Ausgang des Verstärkers 16 in zwei Klemmen aufgeteilt, die jeweils mit einem Phasendetektor 17 und 18 verbunden sind. Die Phasendetektoren 17 und 18 erhalten jeweils Signale, die entweder in Phase mit oder um 90° phasenverschoben gegenüber der

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Spannung an der Antenne 10 sind. Da die Spannung an der magnetischen Antenne 11 um 90° phasenverschoben gegenüber dem magnetischen Feld ist (wenn der Eingangswiderstand des Verstärkers wesentlich größer als der Spulenwiderstand ist), während die Spannung an der elektrischen Antenne 10 in Phase mit dem elektrischen Feld ist, muß das Ausgangssignal des Verstärkers 15 um 90° phasenTerschoben werden, um eine Bezugsspannung für den Phasendet.ektor 17 zu erhalten. Dies erfolgt durch den zwischen Verstärker 15 und Phasendetektor 17 geschalteten Phasenschieber 19· Das Ausgangssignal des Phasendetektors 17 besteht daher aus Komponenten, die ia Phase mit dein elektrischen Feld sind. Der Ausgang des Verstärkers 15 ist zur Erzeugung einer Bezugsgröße für die Bestimmung · der Verschiebungskomponente direkt mit dem Phasendetektor 18 verbunden. Die Ausgangssignale der Phasendetektoren 17 und werden jeweils dem Aufzeichner 20 zugeführt. Alle Schaltungselemente und die Antennen sind von üblicher Bauart. Durch Analyse der aufgezeichneten Daten lassen sich Amplitude und Phasenverschiebung des sekundären Feldes berechnen.

Im Ausführungsbeispiel gem. Fig. 3 wird sowohl die horizontale verschobene Komponente des elektrischen feldes als auch die Phasen- und die Verschiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes gemessen. Die horizontale verschobene Komponente des elektrischen Feldes, die mit der vom Flugzeug geschleppten Drahtantenne gemessen wird, wird von Leitfähigkeitsänderungen im homogenen oder horizontal geschichteten

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Boden, jedoch nicht von magnetischen Feldkomponenten beeinflußt, die nicht mit den horizontalen Leitern gekoppelt sind. Das Verhältnis von horizontaler Komponente des elektrischen Feldes, die parallel zur Ausbreitungsrichtung der Bodenwelle über dem horizontalen Boden ist, zu vertikaler Komponente des elektrischen Feldes ist proportional zur Quadratwurzel aus dem Widerstand des Erdbodens unterhalb des Flugzeuges oder Fahrzeuges, aus dem die Messung gemacht wird, und die Messung P ist verhältnismäßig unabhängig von der Flughöhe.

Man erkennt, daß gemäß Fig. 3 die Messung der Phasen- und der Verschiebungskomponente des horizontalen magnetischen Feldes genau wie gemäß Fig. 2 erfolgt (die entsprechenden Bezugszeichen sind gleich). Der wesentliche Unterschied besteht jedoch in einem zusätzlichen Kanal zur Messung der horizontalen Komponente des elektrischen Feldes. Die horizontale lange Drahtantenne 12 ist mit einem Verstärker 21 verbunden, dessen Ausgangssignal einem Phasendetektor 22 zugeführt wird. Der Pha-' sendetektor 22 erhält eine Bezugsspannung vom Ausgang des Phasenschiebers 19, so daß das Ausgangssignal des Phasendetektors aus einer Spannung besteht, die gegenüber der Spannung an der vertikalen elektrischen Antenne 10 um 90° phasenverschoben ist« Die Ausgangssignale der Phasendetektoren 17, 18 und 22 werden dem Aufzeichner 23 zugeführt«

Die horizontale Antenne 12 ist von üblicher Bauart uad weist einen kleinen Halte schacht o.a. auf, um die Antenne etwa horizontal zu halten. Da nur die phasenversohobene horizontale

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Komponente gemessen wird, beeinflussen geringe Abweichungen von der Horizontalen die Amplitude der aufzuzeichnenden Komponente nicht.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung ähnelt der Anordnung gemäß Pig. 3, jedoch sind zwei zusätzliche magnetische Antennen vorgesehen, um Daten über die drei zueinander senkrechten Komponenten des gesamten magnetischen Feldes zu erhalten. Die mit Pig. 3 übereinstimmenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher beschrieben. Zusätzlich vorgesehen ist die in Flugrichtung angeordnete horizontale magnetische Antenne 24 und die vertikal angeordnete magnetische Antenne 25· Diese Antennen 24 und 25 sind jeweils mit Verstärkern 26 und 27 verbunden, deren Ausgangssignale jeweils den Phasendetektoren 28, 29 und 30, 31 zugeführt werden. Den Phasendetektoren 29, 31 wird, ähnlich wie vorstehend für den Phasendetektor 17 beschrieben, vom Ausgang des Phasenschiebers 19 eine Bezugsspannung zugeführt, so daß sich ihre Ausgangssignale in Phase mit dem vertikalen elektrischen PeId befinden. Den Phasendetektoren 28, 30 wird vom Verstärker 15, ähnlich wie dem Phasendetektor 18, eine Bezugsspannung zugeführt, wodurch ihre Ausgangssignale um 90° gegenüber dem vertikalen elektrischen Feld verschoben sind.

Die mit der Anordnung gemäß Fig. 4 ermittelten Daten können zur Bestimmung der Erstreckungsrichtung und des Neigungswinkels eines geneigten Lo rs ausgewertet werden« Diese Auswertung erfolgt zweckmäSige^teeise durch einen Computer, der

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derart programmiert wird, daß er die Richtung und Amplitude der Phasen- und der Verschiebungskomponente ermittelt, die das gesamte horizontale magnetische PeId darstellen (dabei werden die Daten der beiden horizontalen Kanäle benutzt) oder die das gesamte räumliche magnetische Feld darstellen (dabei werden die Daten aller drei Kanäle benutzt), wobei die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der aufgezeichneten Signale gezogen wird. Es ist erwünscht, mindestens den Vektor P des gesamten horizontalen magnetischen Feldes zu ermitteln, da dieser verhältnismäßig unabhängig von Kursänderungen des Plugzeuges ist.

Die von den vorstehend beschriebenen Anordnungen ermittelten Daten werden auf übliche Weise aufgezeichnet, beispielsweise mit einem Streifenschreiber oder auf einem Magnetband. Nach der Aufzeichnung der Daten ist eine Bearbeitung erforderlich, um die Richtung und Amplitude des gemessenen magnetischen Feldes in geeigneten Abständen entlang einer Strecke zu bestim-™ men. Dies erfolgt zweckmäßigerweise mit einem Digitalrechner.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Boden mit Strömen im Boden verbunden, die mit gleicher Frequenz wie die Wellen radial vom Sender weg und auf diesen zufließen. Die Stromdichte im Boden wird von örtlichen leitfähigen Inhomogenitäten gestört ^ wodurch Verformungen in dem von den magnetischen Antennen gemessenen magnetischen Feld entstehen. Diese Verformungen haben die Neigung, sekundäre Felder zu verdecken, die von Erzlagern

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ausgehen, so daß es häufig erwünscht ist, sie auszuschalten. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Stromschichten im Boden in einem großen Bereich der Bodenleitfähigkeit mit einer.Abweichung von 2° oder weniger eine Phasenverschiebung von fast 45° gegenüber dem elektrischen Feld haben. Falls die magnetische Feldkomponente bei einem Winkel von 90° bis zum Phasenwinkel der Stromschicht im Boden (d.h. bis zu einem Winkel von 135° bezogen auf das vertikale elektrische Feld) synchron abgetastet wird, so gelangt keine der zur Stromschicht im Boden gehörenden magnetischen Feldkomponenten durch den synchron arbeitenden Detektor, und das resultierende Signal ist frei von Komponenten infolge der Bodenströme. Diese Betriebsweise kann mit einem Computer erreicht werden; es kann jedoch auch ein 45° Phasenschieber in der Anordnung vorgesehen werden. Die in den Anordnungen (z.B. Fig. oder 4)gesammelten Daten enthalten jedoch alle erforderlichen Informationen, und es ist zweckmäßiger, die Verarbeitung im Laboratorium vorzunehmen, statt die im Vermessungsflugzeug zu befördernde Anordnung komplizierter zu machen.

Die relative Unabhängigkeit der Phase der vertikalen elektrischen Feldkomponente von örtlichen Änderungen der Leitfähigkeit im Boden ist unabhängig von der Frequenz. Deshalb wird die obere Frequenzgrenze üblicherweise durch die gewünschte Eindringtiefe bestimmt. Verhältnismäßig oberflächliche Unregelmäßigkeiten können unteT Verwendung höherer Frequenzen erforscht werden. Die Verwendung hoher Frequenzen (z.B_o bis 1 MHz

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und möglicherweise höher) ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Einfluß verhältnismäßig tief liegender leiter ausgeschaltet werden soll. Im hohen Frequenzbereich klingt die Bodenwelle jedoch viel schneller ab, so daß die Reichweite der erfindungsgemäßen Vorrichtung begrenzter ist. Diese Schwierigkeiten können bis zu einem gewissen Grade durch die Verwendung lokaler, wenige Kilometer vom Vermessungsfoereich angeordneter Sender vermieden werden.

Die folgende Tabelle gibt den Standort einiger typisches· VLF-Sender an:

Sender Ort Frequenz

NAA Cutler, Maine " 17,8 kHz

KSF Annapolis, Maryland 21,4 kHz

NPG Seattle, Washington 18,6 kHz

WWVL Fort Collins, Colorado 20,0 kHz

GBR Rugby, England 16,0 kHz

Die Erfindung soll hauptsächlich im Fernfeld des Senders, d.h. mehr als fünf Wellenlängen entfernt arbeiten. Im Nahfeld ändert sich die Phasendifferenz zwischen der vertikalen elektrischen Feldkomponente und der horizontalen magnetischen FeIdkomponente mit dem Abstand vom Sender, jedoch bleibt die vertikale elektrische Feldkomponente verhältnismäßig unbeeinflußt von Änderungen der Bodenleitfähigkeit. Soll als© beim Arbeiten im. Nahfeld des Senders die vertikale elektrische Feldkomponente als Bezugsgröße benutzt werden, so muS die ge-

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naue Lage des Senders bekannt sein, und es müssen entsprechende Einstellungen vorgenommen werden, um die entfernungsabhängige Phasenänderung der vertikalen elektrischen Feldkomponente auszugleichen.

Es ist erwünscht, einen VLF-Sender (oder eine andere Quelle) mit einem solchen Standort zu wählen, daß die Richtung der sich durch die Erde ausbreitenden magnetischen Feldkomponente möglichst rechtwinklig zur Haupterstreckungsrichtung der im zu vermessenden Gebiet liegenden Erzlager verläuft. Dies ist nicht immer zu erreichen, und die Haupterstreckungsrichtung ist nicht immer vorher bekannt. Dann empfiehlt es sich, zwei gleiche erfindungsgemäße Vorrichtungen zu benutzen, die auf verschiedene VLF-Sender abgestimmt sind. Die beiden Sender werden so gewählt, daß sich die erzeugten magnetischen Feldkomponenten im Vermessungsbereich möglichst rechtwinklig schneiden.

Die Eindringtiefe hängt von der Frequenz und von der Leifähigkeit der Bodenschichten ab. Bei homogenem Erdboden beträgt bei einer Frequenz von 18 kHz die berechnete Eindringtiefe bei einem Erdwiderstand von 1000-Cm etwa 120 m, bei einem Erdwiderstand von 100.Om etwa 40 m und bei einem Erdwiderstand von 10-Cm etwa 10 m. Über einem horizontal geschichtetem Erdboden, dessen Schichttiefe geringer als die Eindringtiefe ist, läßt sich das vertikale Schichtprofil durch Messung der Bodenimpedanzen bei zwei oder mehr wesentlich unterschiedlichen Wellenlängen ermitteln. So kann die Messung z.B.

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bei 18 kHz und bei 180 kHz vorgenommen werden, wobei man sich, um den Faktor 3 unterscheidende Eindringtiefen erhält. Je mehr Frequenzen verwendet werden, desto genauer läßt sich das Schichtprofil ermitteln. Nach oben ergibt sich eine Frequenzgrenze durch das schnelle Abklingen der Bodenwelle bei hohen Frequenzen und durch den verstärkten Einfluß von komplexen Impedanzen.

In den bisher beschriebenen Anordnungen wurden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Bodenwellen von VLF-Sendern benutzt. Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung mit Feldern zu benutzen, die bei Blitzentladungen entstehen. Während eines Blitzschlages fließen extrem große Ströme in annähernd vertikaler Richtung entlang einer ionisierten Bahn. Dieser Strom erzeugt einen elektromagnetischen Stoß mit einem sehr breiten Frequenzband von etwa 3 Hz bis in den VHF-Bereich. Bei einem Abstand von nicht weniger als wenige hundert Kilometer von einem gegebenen Blitzschlag tritt die hauptsächliche Energie in der Nähe von 8 Hz bis 500 Hz und 5000 Hz bis 20 kHz auf. In diesen Frequenzbändern bestehen in der Ionosphäre gute Ausbreitungsmöglichkeiten, und es können Signale ' viele tausend Kilometer von ihren Sendequellen entfernt empfangen werden. Benutzt man eine Blitzentladtang als Quelle für die Bodenwelle, so kennt man nicht die genaue Richtung dieser Quelle. Diese Schwierigkeit kann jedoch dadurch umgangen, werden, daß man das gesamte horizontale magnetische Feld mißt, wie dies anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Die beschriebene Anordnung kann herab bis zu Frequenzen In. der Größenordnung

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von 2 kHz benutzt werden^ wenn die Entladung mindestens 400 km entfernt ist.

Wie "bereits beschrieben, 1st die Phasendifferenz zwischen der vertikalen elektrischen Feldkomponente und der horizontalen magnetischen Feldkomponente bei einem Abstand von weniger als etwa 5 Wellenlängen von der Quelle abhängig vom Abstand. Bei Verwendung natürlicher elektromagnetischer Felder (z.B. von Blitzentladungen) ist es erwünscht, mit so hohen Frequenzen (etwa 10 kHz) zu arbeiten, daß die statistische Wahrscheinlichkeit groß ist, daß der Abstand von der Quelle größer als 5 Wellenlängen ist. Falls besonders niedrige Frequenzen für die Untersuchung von Bereichen benutzt werden, z.B. in der Größenordnung von 50 Hz oder weniger, ist dafür zu sorgen, daß Signale, die von Quellen in einem Abstand von weniger als 5 Wellenlängen stammen, unterdrückt werden.

Die von der beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung gesammelten Daten sind gut für die Verarbeitung im Computer geeignet. Falls gewünscht, kann eine gewisse Datenverarbeitung im Vermessungsflugzeug durchgeführt werden, so daß dem Computer nur noch die Analyse der Daten bleibt. So ist es beispielsweise möglich, die von der vertikalen elektrischen Antenne und von den magnetischen Antennen aufgefangenen Signale gleichzeitig aufzuzeichnen, ohne daß dabei im Flugzeug Phasendetektoren verwendet werden, und diese Daten später e „nein Computer zuzuführen, der daraus die Phasen- und Verschic bungskomponente des magnetischen Feldes bestimmt.

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Claims (12)

1. •I Q -I 1 CO¹T

   Patentansprüche ^IOIIDO/

   \ 1. Verfahren zur Messung der Verformung eines in den Erdboden eindringenden elektromagnetischen Feldes, das von einer entfernten Quelle abgestrahlt wird und eine im wesentlichen horizontale magnetische Feldkomponente und eine iia wesentlichen vertikale elektrische Feldkomponente enthält^ insbesondere für geophysikalische Zwecke, dadurch gekennzeichnet, daß entlang eines vorbestimmten Weges ein erstes Signal mit fester Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente aufgenommen und aufgezeichnet wird und daß gleichzeitig ein zweites Signal mit fester Phasenbeziehung zu mindestens einer ersten Komponente des magnetischen Feldes aufgenommen und aufgezeichnet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Weges zusätzlich eine weitere Komponente des magnetischen Feldes aufgenommen und aufgezeichnet wird, die senkrecht zum zweiten Signal und wie dieses in der Horizontalen liegt, und daß die Amplituden der gegenüber der" vertikalen elektrischen Feldkomponente um 90° phasenverschobenen Komponenten des magnetischen Feldes gemessen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der gemessenen Amplitudenwerte gezogen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

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   daß die Amplituden derjenigen Teile der magnetischen Feldkomponente gemessen werden, die in Phase mit der vertikalen elektrischen Feldkomponente sind.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Komponente des elektrischen Feldes gemessen wird, die gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente um 90° phasenverschoben ist und parallel zur Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Feldes liegt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von horizontaler phasenverschobener Komponente zu vertikaler Komponente des elektrischen Feldes bestimmt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zweiten Signal diejenigen Komponenten entfernt werden, die gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente 45° phasenverschoben sind.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine erste Empfangsantenne (10) mit nachgeschaltetem Verstärker (15) für das erste Signal, durch eine zv/eite Empfangsantenne (11) mit nachgeschaltetem Verstärker (16) für das zweite Signal und durch einen ersten mit der ersten und zweiten Empfangsan-

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   tenne (10,11) verbundenen Phasendetektor.(18) zur Erzeugung einer ersten Spannung mit vorbestimmter Phasenbeziehung zur vertikalen elektrischen Feldkomponente.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische FeIdkomponente für das zweite Signal in der Horizontalen liegt und daß die erste Spannung gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente 90° phasenverschoben ist.
10. 10. "Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch

    eine dritte Empfangsantenne (24) mit nachgeschaltetem Verstärker (26) für ein drittes Signal mit fester Phasenbeziehung zu einer zweiten Komponente des magnetischen Feldes, die horizontal und senkrecht zur ersten Komponente liegt, und durch einen zweiten mit der dritten Empfangsantenne (24) verbundenen Phasendetektor (28) zur Erzeugung einer zweiten gegenüber der vertikalen elektrischen Feldkomponente 90° phasenverschobenen Spannung.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen mit der ersten Empfangs antenne. (10) verbundenen 90°-Phasenschieber (19), der mit einem dritten an die zweite Empfangsantenne (11) angeschlossenen Phasendetektor (17) verbunden ist, welcher eine dritte mit der vertikalen elektrischen Feldkomponente phasengleiche Spannung erzeugt, und durch einen mit der dritten Empfangs antenne (24) und dem

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    90°-Phasenschieber (19) verbundenen Phasendetektor (29) zur Erzeugung einer vierten mit der vertikalen elektrischen Feldkomponente phasengleichen Spannung.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenz des elektromagnetischen
    Feldes zwischen H und 30 kHz liegt und der Abstand von der Feldquelle mindestens 5 Wellenlängen beträgt.

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