Magnetotellurische und elektrische Untersuchungen in der Bajkalzone.
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Magnetotellurische und elektrische Untersuchungen in der Bajkalzone
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Überblick
• Grundlagen der Magnetotellurik (MT)
• Signalquellen
• Beeinflussung durch Untergrund
• Theorie der Inversion
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Magnetotellurik – Feldmessungen
• 3 Magnetfeld Komponenten (in x, y, z Richtung)
Spulen
• 2 E-Feld Komponenten (in x, y Richtung)
Elektrodenpaare
• Datalogger
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Magnetotellurik – Feldmessungen
• Spule für B-Feld Messung
• Länge der Spule bestimmt den Frequenzbereich
• Sonden für E-Feld
• Silber Silberchlorid oder Stahlspies
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Zeitreihe von E- und B-Feld
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Ziel der Magnetotellurik (MT)
• Es werden Zeitreihen• des elektrischen (tellurischen) und
• des magnetischen Feldes
an der Erdoberfläche aufgezeichnet und miteinander verglichen
→ Abbildung der Leitfähigkeitverteilung im Untergrund
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Prinzip der MT
• Verfahren beruht im Wesentlichen darauf, dass sich zeitlich variable elektrische und magnetische Felder gegenseitig induzieren können
• Signale entstehen durch• Stromsysteme in der Ionosphäre (f<1Hz)
• (Gewitter-)Blitze (f>1Hz)
• Signalstärke kann in kurzer Zeit (min) um 1-2 Größenordnungen variieren
• breites Frequenzspektrum: 10-6 bis 104Hz
• betrachteter Frequenzbereich abhängig von zu untersuchender Struktur
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Signalentstehung
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Skintiefe
00
22
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Übertragungsfunktion
• Übertragungsfunktion zwischen E und B:
• Alle Größen sind frequenzabhängig und komplex
• Durch Vergleich der Tensor-Elemente untereinander kann man die Dimensionalität der Leitfähigkeitsstruktur ermitteln
• 2D: Streichrichtung durch Minimierung von
bestimmbar
y
x
yyyx
xyxx
y
x
B
B
ZZ
ZZ
E
EBZE
22
yyxx ZZ
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Widerstand und Phase
= Darstellung der komplexen Übertragungsfunktion als Betrag und Phase
• Betrag → Widerstand
• Phase:
• homogener Halbraum: = 45°
2
0
1xyxy Z
2
0
1yxyx Z
xy
xy
xy Z
Z
Re
Imtan 1
yx
yx
yx Z
Z
Re
Imtan 1
Wannamaker et al., 1989b
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Verfahrensskizze (4 Punkt Anordnung)
Ohmsches Gesetz: I
UR
Gleichstrom-Geolektrik
A M N B
I
U
(µA-A)
(µV-V)
• Stromeinspeisung: AB
• Spannungsmessung: MN
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I
UK g
F
aR
Spezifischer Widerstand
Ohmsches Gesetz:
Spezifischer Widerstand: I
UR
Material-Eigenschaft
Geometrie
Messgrößen
U
aI
FF
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Zielsetzung
→ Bestimmung der Widerstandsverteilung im Untergrund
→ Schichtmodelle bzw.
→ Z.B.: Grundwasser
→ bedingte Rückschlüsse auf stoffliche Zusammensetzung des Untergrunds
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Leitfähigkeit
• charakteristischer Materialparameter
• hauptsächlich elektrolytische Leitung
• außerdem Oberflächenleitfähigkeit
• abhängig von: Korngröße und Wassersättigung
1
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Interpretation - Mehrschichtfälle
• berechne aus Messdaten als ob ein homogener Halbraum vorliegt
• → a(L/2)
Dateninversion
I
UK g
• endliche Datenmenge, Fehler→ Mehrdeutigkeit
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Geoelektrik
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Geoelektrik
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Geoelektrik
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Profil S-S‘, Q-Tomographie und MT
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MT Messgebiet
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MT Kurven
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MT
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Quellen
• Popov et al., Geodynamical interpretation of crustal and upper mantle electrical conductivity anomalies in Sayan-Baikal region, Earth Planets Space, 51, 1999
• Nevedrova et al., Determination of rock mass structure and results of active electromagnetic monitoring, Journal of Mining Science, 40, 2004
• Berdichevsky et al., Geoelectrical model of the Baikal region, Physics of the Earth and planetatry interiors, 22, 1980