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Neue Magnetfeldsensoren für die elektromagnetische Tiefensondierung

Im Rahmen von DESMEX (Elektromagnetische Tiefensondierung für die Lagerstättenerkundung) werden neue Magnetfeldsensoren und Instrumente für eine semi-luftgestützte Methode zur Suche nach Hochtechnologierohstoffen erforscht und entwickelt. Ströme werden in den Boden eingespeist und fließen durch die Lagerstätte. Das sekundäre Magnetfeld wird aus der Luft mit hochempfindlichen Quantensensoren erfasst.

Neues Instrument im Einsatz bei Schleiz.

Karte der Transferfunktion der vertikalen Feldkomponente bei 7,46Hz.

Von Ronny Stolz // Markus Schiffler // Matthias Schmelz // Andreas Chwala // Gregor Oelsner // Rob IJsselsteijn // Thomas Schönau // Vyacheslav Zakosarenko // Volkmar Schultze

Die Versorgungssicherheit der Deutschen und Europäischen Industrie mit wichtigen Mineral- und Hochtechnologierohstoffen ist von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung und bedingt die Entwicklung und Erforschung neuer hochempfindlicher Instrumente für die Erkundung von tiefliegenden und/oder kleinräumigen Rohstoffressourcen sowie die Neubewertung ehemaliger Lagerstätten.

Das ist der Kontext, dem sich das Team aus den Universitäten Münster und Köln, die TU Bergakademie Freiberg, die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) sowie die Firmen Metronix Meßgeräte und Elektronik GmbH und die Supracon AG im Forschungsprojekt DESMEX (Elektromagnetische Tiefensondierung für die Lagerstättenerkundung) widmet. Ziel ist ein semi-luftgestütztes Messinstrument zu entwickeln, welches schnell, kostengünstig und effizient Rohstofflagerstätten bis zu einem Tiefenbereich von 1.500 m über ihre elektrische Leitfähigkeit erfassen kann. Dazu werden mit einem zur Erdoberfläche horizontalen elektrischen Dipol Ströme in den Untergrund eingespeist. Das primäre Magnetfeld des Stroms überlagert sich mit der sekundären Magnetfeldantwort auf die Verteilung dieses Stroms in den geologischen Strukturen unter der Erdoberfläche in Abhängigkeit von deren elektrischer Leitfähigkeit und Geometrie. Das so zusammengesetzte Magnetfeld wird aus der Luft mit neuen, hochempfindlichen Magnetfeldsensoren erfasst. Die Sensoren werden dazu auf langen parallelen Linien senkrecht zum Transmitterdipol bewegt. Aus dem Verhältnis der gemessenen Magnetfeldkomponenten zum aufgezeichneten Transmitterstrom bei Frequenzen von 10 Hz bis etwa 30 kHz kann nachfolgend die elektrische Leitfähigkeit als 3D-Modell mittels neu zu entwickelnder Inversionsverfahren berechnet werden. Die große Hürde in dem Projekt ist, das Bewegungsrauschen beim Betrieb der Sensoren in der Luft so zu reduzieren, dass die sehr schwachen Signale der fließenden Ströme extrahiert werden können. Die Signalamplituden liegen viele Größenordnungen unter dem Bewegungsrauschen und bedingen einen sehr großen Signal-Rausch-Abstand (SNR) von weit mehr als 24 bit für die neuen Sensorinstrumente.

Der Fokus des Leibniz-IPHT in enger Zusammenarbeit mit der Supracon AG liegt in der Entwicklung von neuartigen Quantensensoren für die hochgenaue Erfassung des Magnetfeldes:

Ein Instrument verwendet neue optisch gepumpte Magnetometer (OPM), die zunächst am Boden und später aus der Luft eingesetzt werden sollen. Bei den ersten bodengestützten Feldeinsätzen wurde magnetisch unabgeschirmt mit einem OPM ein Rauschen von etwa 100 fT/Hz1/2gemessen. Die Entwicklung dieser Sensoren ist noch nicht abgeschlossen. Ziel ist es, eine Empfindlichkeit von unter 20 fT/Hz1/2zu erreichen.

Das zweite luftgestützte Instrument verwendet Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUIDs), welche als Quantensensoren eine periodische Abhängigkeit der Spannung von dem extern eingeprägten Magnetfeld aufweisen. Die Periode entspricht dem magnetischen Flussquant Ф0=h/2e. Diese wird zur Auslese der SQUID verwendet, um dem Instrument einen SNR von mehr als echten 28 bit zu ermöglichen. Es wurden zwei Vorstoßrichtungen verfolgt: Die Implementation der vom Leibniz-IPHT patentierten SQUID-Kaskade-Anordnung mit Magnetfeldsensoren gestaffelter Empfindlichkeit und zum zweiten eine Flussquanten-zählende Auslese von SQUIDs mit intrinsischer Rückkopplung. Mit diesem Instrument wird ein Systemrauschen von etwa 30 fT/Hz1/2im Flugbetrieb erreicht. Dazu wird das Instrument in einen aerodynamischen Schleppkörper eingebaut und von einem Hubschrauber etwa 30 m über dem Boden geschleppt, siehe Abb. 1. In der von der Supracon AG entwickelten Datenerfassung an Bord des Schleppkörpers werden die Daten gespeichert, in Echtzeit dezimiert und zum Hubschrauber übertragen, um die Funktion des Instruments im Flug überwachen zu können.

In Spätherbst 2017 wurde eine ausgedehnte Feldkampagne im Umland von Schleiz und Greiz vom DESMEX-Team durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Instrumente über einem Altbergbau von Antimonit zu erforschen. Die Abb. 2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt einer Karte der Transferfunktion des vertikalen Magnetfeldsensors für eine spezifische Frequenz. Die Auswertung der Daten, die mit den Instrumenten des Leibniz-IPHT aufgezeichnet wurden, ist abgeschlossen. Derzeit laufen die Arbeiten zur Entwicklung der zugehörigen Inversionstools, mit deren Hilfe die Daten in ein 3D-Modell der zugrundeliegenden elektrischen Leitfähigkeiten überführt werden sollen.

2018 ist ein weiteres Feldexperiment über einer realen mineralogischen Lagerstätte in Schweden geplant. Die Vorbereitungsarbeiten dafür wurden begonnen.

Die vom Leibniz-IPHT entwickelte Sensorik hat somit die Hürde des riesigen SNR genommen, die den Einsatz von Magnetfeldsensoren mit einem vektoriellen Charakter im Erdmagnetfeld gekoppelt mit Bewegungen bisher verhindert haben. Als Konsequenz können perspektivisch verschiedene weitere Applikationen mit diesen Sensoren adressiert werden.

Gefördert von: BMBF, PTJ

Zugehörige Publikationen

Schönau et al. (2017): Flux trapping in multi-loop SQUIDs and its impact on SQUID-based absolute magnetometry, Superconductor Science and Technology 31(3), 035001-1, doi: 10.1088/1361-6668/aaa44f
Schultze et al. (2017): An Optically pumped magnetometer working in the light-shift dispersed Mz Mode, Sensors 17(3), 561, doi: 10.3390/s17030561

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