Geoelektrisches Messverfahren
Die geoelektrischen Sondierungen bezwecken, auf Grund der verschiedenen spezifischen Widerstände der Gesteine Aufschluss über deren Verbreitung im Untergrund zu erhalten. Um solche elektrische Widerstandsmessungen vornehmen zu können, bedarf es zweier Elektroden, über welche der Strom in den Boden eingeführt wird (sog. Strom- oder Sendeelektroden), während zwei weitere Elektroden für die Messung des Potentialgefälles benötigt werden (sog. Po tential- oder Messelektroden). Ein solches Verfahren wird daher Vierpunkt-Widerstands-Messverfahren genannt.
Die bisher gebräuchlichen Vierpunkt-Messverfahren arbeiten nun in der Weise, dass zur Durchführung der Messungen alle vier Elektroden in gewissen zeitlichen Abständen verschoben werden, was zur Folge hat, dass die Störungen der Messwerte infolge lokaler Inhomogenitäten längs der Operationsstrecke nur sehr schwer erkannt und lokalisiert und daher oft gar nicht korrigiert werden können. Da bei gewissen bekannten Verfahren zudem mindestens das eine Elektrodenpaar von der Messstation in zwei Richtungen nach aussen wandert, wird eine realtiv sehr grosse Operationsstrecke benötigt, um eine grosse Messtiefe erfassen zu können, was wieder zur Folge hat, dass man mit einzelnen Elektroden öfters aus der unter der Station befindlichen geologischen Einheit hinausgerät.
Da zudem die beiden Messelektroden stets im Einflussbereich beider Sendeelektroden liegen, sind die zu messenden Potentialdifferenzen stets relativ klein gegenüber den absoluten Potentialwerten. Dies verschlechtert ganz allgemein die Messbedingungen und setzt der überhaupt erfassbaren Messtiefe eine relativ enge Grenze.
Die Erfindung bezweckt, diese und weitere Nachteile zu überwinden. Sie betrifft ein Verfahren der genannten Art unter Verwendung eines Sende- und eines Messelektrodenpaares. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Massnahmen: s) das eine Elektrodenpaar bleibt während der ganzen Operation stationär, b) der Abstand zwischen beiden Elektroden dieses Paares beträgt mindestens das Dreifache der grössten zu erfassenden Schichttiefe, c) die eine Elektrode des zweiten Paares bleibt ebenfalls stationär und wird im mindestens angenähert gleichen Abstand von beiden Elektroden des ersten Paares angeordnet, d) die andere Elektrode des zweiten Paares wandert zur Durchführung der einzelnen Messungen schrittweise von der einen Elektrode des ersten Paares ab.
Vorzugsweise werden dabei die Elektroden des stationären, erstgenannten Paares als Sendeelektroden benützt.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser stellt:
Fig. 1 eine schematische Gegenüberstellung der Messanordnungen nach dem neuen und nach einem der bekannten Verfahren dar und
Fig. 2 die beiden dem Widerstandsverlauf entsprechenden Kurven, die sich durch die Messung des gleichen Objektes nach den beiden Verfahren ergeben.
Zur Durchführung einer geoelektrischen Sondierung werden beispielsweise nach dem bekannten Verfahren von Schlumberger gemäss Fig. la auf einer geradlinigen Operations strecke zwei Sendeelektroden Ct und C2 und zwei Messelektroden P1 und P2 in der Weise angeordnet, dass die beiden Elektrodenpaare zu einem gemeinsamen Mittelpunkt symmetrisch liegen.
Diese Bedingung muss während der ganzen Operation eingehalten werden. Stellt die gezeigte Anordnung die Ausgangslage dar, so werden zur Ausführung der einzelnen Messungen die Sendeelektroden C, und C2. symmetrisch auswärts verschoben, während die beiden
Messelektroden P1 und P2 jeweils erst nach einer Reihe von Messungen ebenfalls symmetrisch auswärts verschoben werden. Die Abstände zwischen der in der Miffe gelegenen Messstation S und den Sendeelektroden sind hierbei mit e bezeichnet. Die ganze Operationsdistanz beträgt somit stets 2e.
Demgegenüber ist in Fig. 1 b das erfindungsgemässe Verfahren, bezogen auf den gleichen Stationspunkt S, dargestellt. Bei diesem wird zuerst die eine Sendeelektrode Cj auf der Messstation S eingerichtet. Die andere, hier als sogenannte Fernelektrode bezeichnete Sendeelektrode C2 wird nun stationär in einem Abstand c angeordnet, der mindestens das Dreifache der mit der betreffenden Operation maximal zu erfassenden Schichttiefe beträgt. Die eine Messelektrode P2 wird ebenfalls stationär so angeordnet, dass ihre Abstände von den beiden Sendeelektroden mindestens angenähert gleich sind. P9 braucht indessen nicht auf Verbindungsgeraden C1-C2 zu liegen.
Zur Ausführung sämtlicher für die ganze Sondierung auf der Station S erforderlichen Messungen wird nun nur die zweite Messelektrode Pj, von S ausgehend, verschoben, wobei der jeweilige Abstand - analog e im oben beschriebenen Verfahren - mit r bezeichnet ist. P2 behält somit stets einen sehr kleinen absoluten Potentialwert, so dass die Potentialdifferenz Pl-P2 bei sonst gleichen messtechnischen und geologischen Bedingungen stets viel grösser ist als bei den bekannten Verfahren.
Die aus diesen Messungen sich ergebenden Widerstände werden nun graphisch als Funktion der respektiven Abstände e bzw. r aufgetragen. Fig. 2 zeigt die beiden demselben Objekt entsprechenden Widerstandskurven, wobei Kurve a aus dem bekannten Verfahren gemäss Fig. la und die Kurve b aus dem erfindungsgemässen Verfahren nach Fig. lb resultiert. Abszisse und Ordinate des Bezugssystems sind hierbei logarithmisch.
Die so erhaltenen empirischen Widerstandskurven werden in üblicher Weise mit theoretisch errechneten Kurvenscharen verglichen, bei welchen die Mächtigkeit und der Widerstand der ersten Schicht als Einheit dient. Aus diesem Vergleich können die wirklichen Mächtigkeiten und Widerstände der verschiedenen Schichten ermittelt werden.
Im vorliegenden Fall bedeuten Rl, R2 und R3 die Widerstände der verschiedenen Schichten des Untergrundes, deren Grenzen mit den Tiefenwerten T1 und T2 bezeichnet sind.
Ein Vergleich der Kurven a und b in Fig. 2 ergibt folgende Unterschiede: Die Kulimination der Kurve b wird in bezug auf den wachsenden Elektrodenabstand wesentlich früher (bei 8,5) erreicht als jene (bei 20) der Kurve a. Das bedeutet, dass nach dem bekannten Verfahren die Messungen über eine grössere Distanz e geführt werden müssen als mit dem neuen Verfahren.
Dabei ist zu beachten, dass die erforderliche Operationsstrecke 2e beträgt (vgl. Fig. la). Somit ist nach dem bekannten Verfahren eine beinahe fünfmal grö ssere Operationsstrecke erforderlich, um die korrespondierende Indikation, mit andern Worten dieselbe Tiefenwirkung, zu erzielen. Der Wirkungsgrad ist also bei dem angenommenen Beispiel, das nicht einem besonders günstigen Fall entspricht, mit dem erfindungsgemässen rund fünfmal grösser.
Das neue Verfahren bietet jedoch darüber hinaus noch eine ganze Reihe für die Praxis bedeutungsvol ler Vorteile, von denen die wichtigsten nachstehend aufgeführt sind.
1. Das Verfahren erfordert nur eine einzige variable Elektrode, wodurch gestörte Messwerte infolge lokaler Inhomogenitäten längs der Operationsstrecke leichter erkannt und korrigiert werden können.
2. Durch die Reduktion der minimal erforderlichen Operationsstrecke auf einen Bruchteil ist die Wahrscheinlichkeit grösser, dass die ganze Operationsstrecke innerhalb derselben geologischen Einheit verbleibt und damit undeformierte Werte erhalten werden.
3. Werden die Elektroden des stationären Paares als Sendeelektroden benützt, dann erleichtern sie durch ihre Stabilität die Gewährleistung der besten Sendeintensität (Stromstärke, Sondentiefe, lokale Beschaffenheit des Bodens) auch in schwierigstem Ge lände.
4. Die zu messenden Potentialdifferenzen sind für korrespondierende Elektrodendistanzen trotz der erhöhten Tiefenwirkung ein Vielfaches der bisher zu messenden Grössen.
5. Die Potentialmessungen lassen sich erfahrungsgemäss auch bei schwierigsten Kontaktverhältnissen (z. B. in kaum begehbarem Bergsturzlabyrinth im verschneiten Hochgebirge) ausführen.
6. Dank der obengenannten Vorteile lassen sich geoelektrische Sondierungen, nicht nur bezogen auf die gleichen Bedingungen, sondern überhaupt, in weit grössere Tiefen als bisher ausführen.
7. Die messtechnisch störende Bedeutung der Fernelektrode und der fixen Mittelelektrode ist infolge der grossen Distanz der ersten bzw. der geringen Wirkung der letztern minimal, was besonders wichtig ist, wenn diese bei Messungen in grosse Tiefen nicht mehr in derselben geologischen Einheit liegen wie der Messpunkt. Anderseits ist auch die mit der beweglichen Elektrode durchwanderte Strecke nur ein Bruchteil derjenigen, welche bisher zur Erzielung der gleichen Tiefenwirkung erforderlich war.
8. Das Messergebnis betrifft ein schärfer definiertes Untergrundvolumen, als dies bei den bekannten Verfahren möglich ist.
9. Für die Berechnung der Widerstände werden bestimmte Rechnungsfaktoren in Abhängigkeit der massgeblichen Elektrodenabstände verwendet. Bei dem neuen Verfahren sind diese Faktoren bedeutend klei ner als bei den bisher üblichen, wodurch auch allfällige Messfehler entsprechend weniger vergrössert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die bewegliche Elektrode in der der Fernelektrode entgegengesetzten Richtung bewegt wird.
Bei dem beschriebenen Verfahren lässt sich, wie bei den bisher gebräuchlichen, auch der Inversionsfall (d. h. konsequente Vertauschung der Sende- und der Messelektrode) anwenden, wobei die meisten der aufgeführten Vorteile erhalten bleiben.