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Suche nach tief liegenden Rohstoffquellen mit neuartigen Magnetfeldsensoren

Im Rahmen des Verbundprojekts DESMEX (Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration) wird ein semi-airborne elektromagnetisches Explorationssystem für Erzlagerstätten bis 1 km Tiefe entwickelt. Dieses besteht aus starken elektromagnetischen Sendern am Boden sowie neuartigen, am Leibniz-IPHT entwickelten Magnetfeldsensoren für den luftgestützten Einsatz.

Systemskizze des semi-airborne Explorationsverfahrens in DESMEX (Quelle: Uwe Meyer, BGR Hannover).

In Echtzeit aufgezeichnete Daten des Instruments. Gezeigt wird das Fourierspektrum der drei Signale des 3D-Vektormagnetometers. Die Peaks entsprechen dem sekundären Magnetfeld der periodischen Ströme des bodengestützten Transmitters.

Luftgestütztes Messinstrument von Leibniz-IPHT und Supracon AG im Einsatz bei Kiruna in Nordschweden (Quelle: Maxim Smirnov, LTU).

Von T. Schönau // V. Zakosarenko // M. Schmelz // H.-G. Meyer // R. Stolz // V. Schultze // R. IJsselsteijn // G. Oelsner // F. Wittkämper

Die Schaffung der Versorgungssicherheit der deutschen und europäischen Industrie mit Rohstoffen und die nachhaltige Nutzung dieser Quellen ist eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe insbesondere im Hinblick auf den steigenden Bedarf im 21. Jahrhundert durch neue aufkommende Industrienationen. Dieser Aufgabe widmet sich das Verbundvorhaben DESMEX (Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration). Im Rahmen dieses Vorhabens soll ein semi-airborne Explorationsverfahren zur Erkundung mineralischen Lagerstätten in Deutschland aufgebaut und erforscht werden, welches Explorationstiefen von mehr als 1km ermöglichen soll und so dem Zwang Rechnung trägt, immer tiefere Rohstoffquellen detektieren und beschreiben zu können.

Die zu erfassenden Signalamplituden sind sehr schwach, so dass ein neues Konzept für ein elektromagnetisches Messverfahren notwendig wurde. In DESMEX kommen sehr starke Anregungsquellen am Boden zum Einsatz, deren sehr starke periodisch variierende Ströme über Elektroden tief in das Erdreich und den darin liegenden elektrisch leitfähigen Schichten eingespeist werden. Das sekundäre Magnetfeld der durch die Mineralschichten fließenden Ströme wird mit Hilfe höchst empfindlicher Magnetfeldsensoren, sogenannten Magnetometern, während eines Überflugs gemessen. Eine Systemskizze des semi-airborne Explorationsverfahrens zeigt die Abb. 1.

In diesem semi-airborne Verfahren kommen zum einen neue Induktionsspulen der Firma Metronix zum Einsatz. Zum anderen erforscht die Forschergruppe Magnetometrie des Leibniz-IPHT erforscht neue Magnetometer auf der Basis supraleitender 3D Vektorsensoren sowie optisch gepumpter Magnetometer (OPM), die den Betrag des Magnetfeldvektors bestimmen. Die Basis der 3D-Vektormagnetometer sind Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUID) mit Josephson-Kontakten mit sub-µm-Dimensionen, welche zusammen mit der Gruppe Mikro- und Nanotechnologien im Reinraum des Leibniz-IPHT fabriziert und erforscht werden [1]. In enger Zusammenarbeit mit der Firma Supracon AG werden neue Ausleseprinzipien mit diesen Sensoren entwickelt. Das Ergebnis sind höchstempfindliche, hybrid ausgelesene SQUIDs mit einer Auflösung von 4,5fT/Hz1/2sowie einem riesigen Dynamikumfang von größer als 32 Bit.

Die zweite Klasse von Magnetfeldsensoren sind die optisch gepumpten Magnetometer. Hier laufen weltweit Bestrebungen, die Auflösung der OPM immer weiter zu verbessern, um perspektivisch die gekühlte Sensorik zu ersetzen. Die Forschergruppe will die hohe Empfindlichkeit der OPM auch im magnetisch unabgeschirmten Einsatz erreichen und erforscht dazu neue OPM-Instrumente und Ausleseverfahren. Eines davon, der sogenannte LSD-Mz-Modus [2], ermöglicht den Betrieb hochauflösender OPM im Erdmagnetfeld. Dabei werden zwei mit Cäsiumdampf befüllte Zellen mit zirkular polarisiertem Laserlicht entgegengesetzter Helizität durchstrahlt. Das zu messende Magnetfeld wird aus der Differenz der beiden Signale der Zellen bestimmt.

Im Rahmen von DESMEX sollte das Konzept exemplarisch an zwei Erzlagerstätten unterschiedlicher Genese getestet werden. Im ersten Hauptexperiment im Oktober 2017 wurde eine Fläche in der Umgebung des ehemaligen Bergbaugebiets Schleiz (Thüringen) und Mühltroff (Sachsen) mit den unterschiedlichen im Projekt entwickelten Flugsonden und zugehörigen Magnetometern erfolgreich beflogen. Unter dieser Fläche wurde bis in die 1950er Jahre Antimonit-Bergbau bis in eine Teufe von etwa 200m betrieben. Ziel war es, die elektrisch gut leitenden Strukturen, maßgeblich Graptolithenschiefer, bis in große Tiefen zu verfolgen. Die ersten 3D-Modelle der elektrischen Leitfähigkeit werden aktuell gemeinsam mit den weiter vorliegenden geologischen und geophysikalischen Daten interpretiert. Auf dieser Fläche wurde auch erstmals ein OPM mit LSD-Mz-Modus im Erdmagnetfeld betrieben. Es wurde erstmals eine rauschbegrenzte Magnetfeldauflösung von unter 150fT/Hz1/2mit einer Bandbreite von 2,2kHz gemessen, was signifikant besser als bei kommerziell erhältlichen OPMs ist. Basierend auf den neu gewonnenen Kenntnissen sollen die OPMs in Zukunft sowohl für den boden- als auch luftgestützten Einsatz optimiert werden [3].

Erfolgreich wurde auch das zweite Hauptexperiment im Oktober 2018 bei Kiruna in Nordschweden, siehe Abb. 2, mit den beiden Flugsonden absolviert. Diese Kampagne sollte die größte untertägige Eisenerzmine der Welt bezüglich ihrer Tiefenerstreckung räumlich besser kartieren. Dieses Vorkommen wird bis zu einer Tiefe von etwa 1.300 Metern abgebaut und ist somit sehr gut als Testobjekt für DESMEX geeignet. Ein Beispiel für die zu messenden Rohdaten eines supraleitenden 3D-Vektormagnetometers wird beispielhaft in der Abb. 3 gezeigt. Die Daten des Leibniz-IPHT und der Supracon AG entwickelten Instruments wurden vollumfänglich prozessiert und zeigen eine sehr gute Qualität. Aktuell laufen die Arbeiten zur 3D-Inversion, d.h. zur Rückrechnung auf das Modell der elektrischen Leitfähigkeit in drei Dimensionen, sowie zu deren Interpretation.

Das Projekt DESMEX und vor allem die beiden Hauptexperimente stellten eine sehr große Herausforderung dar, welche nur durch die enge Zusammenarbeit aller Partner erfolgreich gemeistert und mit exzellenten Ergebnissen abgeschlossen werden konnte. Das Team der Magnetometrie bedankt sich ganz herzlich bei dem Institut für Geophysik der Westfälischen Wilhelms-Universität, der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Hannover/Berlin, dem Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln, dem Institut für Mineralogie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg sowie den beiden Firmen Supracon AG und Metronix GmbH.

Die Fortführung der Arbeiten von DESMEX ist bereits in Planung. Die Ziele des Leibniz-IPHT sind luftgestützte und miniaturisierte OPMs sowie perspektivisch die Integration auf unbemannten Flugplattformen.

Gefördert von: BMBF/ PTJ

Zugehörige Publikationen

T. Schönau, V. Zakosarenko, M. Schmelz, S. Anders, H.-G. Meyer, R. Stolz; Flux trapping in multi-loop SQUIDs and its impact on SQUID-based absolute magnetometry. Superconductor Science and Technology 31/3 (2018), 035001.

V. Schultze, B. Schillig, R. IJsselsteijn, T. Scholtes, S. Woetzel, R. Stolz; An Optically Pumped Magnetometer Working in the Light-Shift Dispersed Mz Mode. Sensors 17 (2017), 561.

G. Oelsner, V. Schultze, R. IJsselsteijn, F. Wittkämper, R. Stolz; Sources of heading error of optically pumped magnetometers operated in the Earth’s magnetic field. Phys. Rev. A 99 (2019), 013420.

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