DESMEX: Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration

DESMEX umfasst eine Projektreihe, in der luftgestützte geophysikalische EM-Methoden für die Tiefenexploration entwickelt und demonstriert werden. DESMEX wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms: r4 - Innovative Technologien für Ressourceneffizienz - Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe (https://www.ptj.de/r4) als Verbundvorhaben mit Partnern aus dem universitären Bereich, aus Forschungsinstituten und der Industrie gefördert. Unsere Arbeitsgruppe koordiniert die DESMEX Projekte. Weitere Details sind auf der Projektwebseite zu finden (https://www.uni-muenster.de/DESMEX/startseite.html).

In DESMEX I (2015-2019) wurde die semi-airborne EM-Methode implementiert und erprobt. Das Explorationskonzept nutzt am Boden installierte Starkstromquellen, über die ein Wechselstrom in den Untergrund eingespeist wird, und einen passive Empfänger, der von einem Hubschrauber in einer Schleppsonde über das Messgebiet geflogen wird. In DESMEX I wurden die Empfängerinstrumente entwickelt und im Einsatz erprobt, Datenbearbeitungsroutinen entwickelt und eine 3-D Simulationsoftware zur Berechnung realistischer Messgeometrien implementiert. Das semi-airborne EM Verfahren wurde erfolgreich an Standorten in Thüringen und in Kiruna (Schweden) erprobt.

Imagefilm (externer Link: https://www.bgr.bund.de/EN/Themen/GG_Geophysik/Aerogeophysik/Projekte/laufend/DESMEX-II/DESMEX-Video/DESMEX-video_node_en.html;jsessionid=49D1E61C646189B7358BE2706EA48B24.2_cid331)

In DESMEX II (2019-2023) wird das Anwendungsspektrum der DESMEX-Methoden erweitert. Ziele sind die Nutzung natürliche Signale im Audiofrequenzbereich (AFMAG) und um die Entwicklung und Anwendung von Drohnengestützten Instrumenten zur EM-Erkundung. Diese Entwicklungen sollen auch den Markteintritt unterstützen.

Im Vorhaben DESMEX-REAL (2022-2025) sollen die DESMEX-Methoden industrienah demonstriert werden. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf der Erkundung des Oberharzer Altbergbaugebietes, das in einer Reihe von Befliegungen komplett abgedeckt werden soll. Die Ergebnisse der geophysikalischen Erkundung werden mit geologischen und petrophysikalischen Daten und mit archivierten Daten aus dem Altbergbau integriert.

DESMEX-MinD (ab 2026) ist ein vom BMFTR gefördertes Verbundvorhaben, das darauf abzielt, zentrale Herausforderungen in Explorationsprogrammen zu überwinden. Dafür werden innovative Erkundungsmethoden weiterentwickelt und moderne Explorationsansätze kombiniert, um neue Modelle für potenzielle Bergbauregionen in Deutschland zu entwickeln. Der Fokus liegt dabei sowohl auf technologischen und methodischen Fortschritten als auch auf der Untersuchung von Mineralsystemen im Erzgebirge und im Oberharz.

Kontakt: Michael Becken, Lina Schumacher

Ausgewählte Publikationen:

Becken, M., Kotowski, P.O., Schmalzl, J., Symons, G., Brauch, K., 2022. Semi-Airborne Electromagnetic Exploration Using a Scalar Magnetometer Suspended below a Multicopter. First Break, 40(8), 37-46. https://doi.org/10.3997/1365-2397.fb2022064

Becken, M., Nittinger, C.G., Smirnova, M., Steuer, A., Martin, T., Petersen, H., Meyer, U., Mörbe, W., Yogeshwar, P., Tezkan, B., Matzander, U., Friedrichs, B., Rochlitz, R., Gunther, T., Schiffler, M. and Stolz, R. [2020]. DESMEX: A novel system development for semi-airborne electromagnetic exploration. Geophysics, 85, E253–E267, https://doi.org/10.1190/geo2019-0336.1

Kotowski, P.O., Becken, M., Thiede, A., Schmidt, V., Schmalzl, J., Ueding, S. and Klingen, S. [2022]. Evaluation of a Semi-Airborne Electromagnetic Survey Based on a Multicopter Aircraft System. Geo-sciences, 12, 26. https://doi.org/10.3390/geosciences12010026

Smirnova, M.V., Becken, M., Nittinger, C., Yogeshwar, P., Mörbe, W., Rochlitz, R., Steuer, A., Costabel, S. and Smirnov, M.Y. [2019]. DESMEX Working Group. A novel semiairborne frequency-domain controlled-source electromagnetic system: Three-dimensional inversion of semiairborne data from the flight experiment over an ancient mining area near Schleiz, Germany. Geophysics, 84, E281–E292. http://dx.doi.org/10.1190/geo2018-0659.1

Smirnova, M., Juhojuntti, N., Becken, M., Smirnov, M., and the DESMEX WG, [2020]. Exploring Kiruna Iron Ore fields with largescale, semi-airborne, controlled-source electromagnetics. First Break, 38(1), 35–40. https://doi.org/10.3997/1365-2397.fb2020070

Steuer, S., Smirnova, M., Becken, M., Schiffler, M., Gunther, T., Rochlitz, R., Yogeshwar, P., Mörbe, W., Siemon, B., Costabel, S., Preugschat, B., Ibs-von Seht, M., Zampa, L.S. and Muller, F. [2020]. Comparison of novel semi-airborne electromagnetic data with multi-scale geophysical, petrophysical and geological data from Schleiz, Germany, J. Appl. Geophys., 182, 104172, https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104172

UNDERCOVER: Unified Novel Deep ExploRation for Critical Ore discoVERy

Die ambitionierten Ziele der EU, wie sie im Critical Raw Materials Act (CRMA), im NetZero Industry Act und im European Green Deal festgelegt sind, werden zu einem Anstieg der Nachfrage nach kritischen Rohstoffen (CRM) führen. Um den Bedarf zu decken, muss die Nutzung der tiefer im Gestein liegenden Lagerstätten erforscht und entwickelt werden. Der Geologische Dienst Finnlands (GTK) koordiniert das EU-Projekt Horizon Europe, das einen Paradigmenwechsel bei der Erkundung tiefer kritischer Rohstoffe herbeiführen soll.
Das Forschungsprojekt UNDERCOVER zielt darauf ab, die verantwortungsvolle Versorgung mit Rohstoffen zu verbessern. Zu den Zielen des Projekts gehören die Förderung von Technologien für die Exploration von tiefen Mineralen, die Förderung von Forschung und Entwicklung und die Unterstützung ihrer verantwortungsvollen Nutzung durch die Akteure der Exploration und des Bergbaus in der EU.
Das Projekt zielt auf die Entwicklung der tiefen CRM-Exploration ab. Zu diesem Zweck wird das Konzept der mineral systems zur systematischen Erkundung von CRM-Lagerstätten, die tiefer im Gestein verborgen sind, angewendet. Das Projekt wird neuartige geophysikalische Technologien und Methoden entwickeln und integrieren, die sowohl kosteneffizient als auch umweltfreundlich sind.

Europa verfügt über ein erhebliches Potenzial für CRMs, insbesondere in Regionen wie dem Fennoskandischen Schild und dem iberischen Pyritgürtel. Doch nach jahrhundertelangem Bergbau werden die flachen und leicht zugänglichen Lagerstätten immer seltener. Daher müssen wir uns auch auf tief liegende Lagerstätten konzentrieren.
Bei den herkömmlichen Methoden der Mineralexploration wird in der Regel nach anomalen Eigenschaften gesucht, z. B. Anomalien in geochemischen oder luftgestützten geophysikalischen Daten, die dann durch Bohrungen überprüft werden. Trotz umfangreicher empirischer Daten für ein bestimmtes Gebiet ist es nach wie vor äußerst selten, tiefe Lagerstätten zu entdecken. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „tief“ auf Tiefen von einigen hundert Metern bis zu mehr als einem Kilometer unter der Erdoberfläche.
Fallstudien in Finnland (Kuusamo-Schiefergürtel), Portugal (Iberischer Pyritgürtel) und Namibia (Kalahari-Kupfergürtel) werden dazu dienen, die Technologien der neuen Strategie zu entwickeln und zu integrieren.

Die Arbeitsgruppe wird maßgeblich an den luftgestützten elektromagnetische Messungen im Rahmen dieses Projekts beteiligt sein.

Das UNDERCOVER-Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung 101177528 finanziert.

Kontakt:
Michael Becken,
Juha Kaija, Senior specialist, Project Manager, GTK Finland

In dem von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) geförderten Forschungsprojekt „GeoMetEr“ sollen in zwei Forschungsregionen in Deutschland geophysikalische Messverfahren für übertägige Erkundungsprogramme für die Suche nach einem Endlager für radioaktive Abfälle weiterentwickelt und in der Kombination getestet werden. Die Arbeitsgruppe ist mit der Durchführung und Auswertung von semi-airborne EM an dem Verbundvorhaben betetiligt. Eine Übersicht über das Gesamtprojekt, das vom LIAG Hannover koordiniert wird, ist auf der Projektseite zu finden.

Laufzeit: 01.2023 – 03.2028

Kontakt: Michael Becken

Förderung:

Archäologische Prospektion Amyklaion, Griechenland

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Klassische und Christliche Archäologie der WWU Münster und der Ionischen Universität Korfu führen wir geophysikalische Messungen zur Erkundung des Apollon Amyklaios-Heiligtums bei Sparta durch ( https://amyklaion.gr/en/ ). Ziel der Untersuchungen ist, weitere anthropogene Strukturen in der unmittelbaren Umgebung des schon bekannten Heiligtums zu identifizieren. Im Sommer 2022 wurden dazu die ersten Messungen in Form von geoelektrischer Tomographie, Georadar und Magnetfeldmessungen durchgeführt.

Dieses Projekt wird vom Deutschen Akademischen Austauschdienst gefördert.

Kontakt: Volkmar Schmidt

Die Oberflächendeformation im Inneren des Kontinents, abseits aktiver tektonischer Ränder, ist bislang rätselhaft und die zugrunde liegenden Mechanismen sind nicht vollständig geklärt, weshalb sie als eine offene und wichtige Frage der kontinentalen Dynamik gilt. Die Bergkette Hangai in der zentralen Mongolei ist ein natürliches Versuchsfeld, um diese Frage zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um eine hochgelegene intrakontinentale Region innerhalb der mongolischen Hochebene und des zentralasiatischen Orogengürtels. Interessant ist, dass die Hangai-Region auf eine lange Geschichte vulkanischer Aktivitäten zurückblicken kann, einschließlich känozoischer Episoden des Intraplattenvulkanismus, die erst im Holozän auftraten. Die Region ist durch verstreuten, kleinvolumigen Alkalibasaltvulkanismus gekennzeichnet, jedoch sind die Prozesse und Antriebsmechanismen, die für die Entstehung des Intraplattenmagmatismus verantwortlich sind, noch weitgehend ungeklärt. Darüber hinaus wird die Hangai-Region von großen Verwerfungen begrenzt, die im letzten Jahrhundert mehrere intrakontinentale Erdbeben großer Magnitude (>7) hervorgerufen haben.

Dieses Projekt zielt darauf ab, erstens hochaufgelöste und mehrskalige magnetotellurische Daten zu erheben, welche Schwankungen der natürlichen elektromagnetischen Felder nutzen, um die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit in der Kruste und im oberen Mantel unter der zentralen Mongolei abzubilden, und zweitens diese Daten mit thermomechanischen Modellen zu verknüpfen, mit denen plausible geodynamische Szenarien und die Bedingungen, unter denen sie auftreten können, untersucht werden können, um die Mechanismen besser zu verstehen, die für die intrakontinentale Hebung und den Intraplattenvulkanismus in dieser einzigartigen Region verantwortlich sind.
Magnetotellurische Daten werden seit 2016 in der gesamten zentralen Mongolei, im Hangai-Gebirge, im Osten und im Süden der Gobi-Altai-Region aufgezeichnet und es ist geplant, diese Abdeckung nach Norden auszuweiten.

Kontakt: Matthew Comeau, TU Delft

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Comeau, M. J., Rigaud, R., Plett, J., Becken, M., & Kuvshinov, A. (2024, November). Improved Responses with Multitaper Spectral Analysis for Magnetotelluric Time Series Data Processing: Examples from Field Data. In Acta Geologica Sinica‐English Edition (Vol. 98, No. S1, pp. 14-17).

Comeau, M. J., Rigaud, R., Batmagnai, E., Tserendug, S., Kuvshinov, A., Becken, M., & Demberel, S. (2024). Insights into the structure of the Mongol‐Okhotsk suture zone, Adaatsag ophiolite, and tectonic boundaries of the Central Asian Orogenic Belt (Mongolia) from electrical resistivity imaging and seismic velocity models. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129(4), e2023JB028503.

Comeau, M. J., Ueding, S., & Becken, M. (2024). Long‐term stability, noise, and temperature sensitivity of modular porous‐pot electrodes designed for geophysical and geotechnical applications, and details of their construction. Earth and Space Science, 11(2), e2023EA003327.

Comeau, M. J., Stein, C., Becken, M., & Hansen, U. (2022). Towards integrating results from electrical resistivity models into geodynamic modeling to better understand the evolution of the lithosphere. In 29. Schmucker-Weidelt-Kolloquium für Elektromagnetische Tiefenforschung (pp. 18-24). Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e. V..

Comeau, M. J., Becken, M., Grayver, A. V., Käufl, J. S., & Kuvshinov, A. V. (2022). The geophysical signature of a continental intraplate volcanic system: From surface to mantle source. Earth and Planetary Science Letters, 578, 117307.

Stein, C., Comeau, M. J., Becken, M., & Hansen, U. (2022). Numerical study on the style of delamination. Tectonophysics, 827, 229276

Comeau, M. J., Becken, M., Kuvshinov, A. V., Demberel, S., Batmagnai, E., & Tserendug, S. (2021, November). Investigating the whole-lithosphere structure of a mineral system—Pathways and source of ore-forming fluids imaged with magnetotelluric modeling. In DEEP International Symposium on Deep Earth Exploration and Practices Extended abstract.

Comeau, M. J., Stein, C., Becken, M., & Hansen, U. (2021). Geodynamic modeling of lithospheric removal and surface deformation: Application to intraplate uplift in Central Mongolia. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126(5), e2020JB021304.

Comeau, M. J., Becken, M., Kuvshinov, A. V., & Demberel, S. (2021). Crustal architecture of a metallogenic belt and ophiolite belt: Implications for mineral genesis and emplacement from 3-D electrical resistivity models (Bayankhongor area, Mongolia). Earth, Planets and Space, 73(1), 1-20.

Comeau, M. J., Becken, M., Connolly, J. A., Grayver, A. V., & Kuvshinov, A. V. (2020). Compaction‐driven fluid localization as an explanation for lower crustal electrical conductors in an intracontinental setting. Geophysical Research Letters, 47(19), e2020GL088455.

Comeau, M. J., Becken, M., Käufl, J. S., Grayver, A. V., Kuvshinov, A. V., Tserendug, S., ... & Demberel, S. (2020). Evidence for terrane boundaries and suture zones across Southern Mongolia detected with a 2-dimensional magnetotelluric transect. Earth, Planets and Space, 72(1), 1-13.

Käufl, J. S., Grayver, A. V., Comeau, M. J., Kuvshinov, A. V., Becken, M., Kamm, J., ... & Demberel, S. (2020). Magnetotelluric multiscale 3-D inversion reveals crustal and upper mantle structure beneath the Hangai and Gobi-Altai region in Mongolia. Geophysical Journal International, 221(2), 1002-1028.

Comeau, M. J., Käufl, J. S., Becken, M., Kuvshinov, A., Grayver, A. V., Kamm, J., ... & Batmagnai, E. (2018). Evidence for fluid and melt generation in response to an asthenospheric upwelling beneath the Hangai Dome, Mongolia. Earth and Planetary Science Letters, 487, 201-209.
 

Elastic Net Optimierung zur Schätzung der maximalen Magnetisierungstiefe

Wir testen Inversionsmethoden des Elastic Net bei äußerst schlecht gestellten Problemen wie der geomagnetischen Inversion. Die Regularisierung mit Elastic Net stellt einen optimalen Kompromiss zwischen äquivalenten Lösungen mit unterschiedlichen Modellnormen dar, die für sich genommen entweder zu dünn besetzten Schätzungen mit unphysikalischen Parameterwerten oder zu verschmierten und schwierig zu interpretierenden Schätzungen führen. Ein Teilergebnis des Inversionsschemas ist eine Schätzung der maximalen Tiefe der Magnetisierung, die wir mit klassischen spektralen Abschätzungen vergleichen.

Kontakt: Obinna Benedict Nwosu

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Nwosu, O. B., & Becken, M. (2022). Testing the use of elastic-net constrained inversion for magnetic bottom depth (Zb) estimation. In 29. Schmucker-Weidelt-Kolloquium für Elektromagnetische Tiefenforschung (pp. 124-124). Deutsche Geophysikalische Gesellschaft e. V..

Nwosu, O. B., & Becken, M. (2022). Testing the use of elastic-net constrained optimization for magnetic bottom depth estimation. Poster presentation at the 100th DGG conference, Munich, Germany.

Drohnengestützte montanarchäologische Prospektion Oberhalbstein, Schweiz

In den Alpen wurden über Jahrtausende hinweg ein breites Spektrum an Rohstoffen gewonnen. Schon in der Bronzezeit führte der stetig wachsende Bedarf an Metall zu intensivem Kupfererzbergbau, so auch in der Region Oberhalbstein in Graubünden. Geomagnetische Messungen sollen dabei helfen, die räumliche Gliederung des Bergbaureviers zu untersuchen. Da in dem steilen und sumpfigen Gelände magnetische Messungen am Boden nur schwer durchzuführen sind, wurde eine Drohne für luftgestützte Messungen eingesetzt. Eine besondere Herausforderung für die Messdurchführung ist das Fliegen in geringer Höhe im alpinen Gelände. Dies war nur unter Einsatz eines genauen Geländemodelles möglich, welches durch photogrammetrische Messungen erstellt wurde. Im Juni 2022 konnten die ersten magnetischen Daten erfolgreich gewonnen werden.

Dieses Projekt wird vom Deutsches Bergbau-Museum Bochum / der Thyssen-Stiftung gefördert.

Kontakt: Volkmar Schmidt

Magnetische Eigenschaften und magnetische Anisotropie von Salzgesteinen

Die magnetischen Eigenschaften von Gesteinen sind in vielen Gebieten der Geowissenschaften von großem Interesse. Eine spezielle Anwendung der Gesteinsmagnetik ist die Messung der Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität (AMS) zur Bestimmung der Mineraleinregelung und der Gesteinsdeformation. Salzgesteine sind sehr schwach magnetisch und die Messung der AMS ist daher mit großem Aufwand verbunden.

Wir untersuchen die magnetischen Eigenschaften von Salzgesteinen aus dem Zechstein des Norddeutschen Beckens und vergleichen die magnetischen Eigenschaften mit der mineralogischen Zusammensetzung. Dabei fanden wir auch eine signifikante AMS, welche eine Mineraleinregelung anzeigt. Weitere Untersuchungen sind nötig um zu verstehen, durch welche geologischen Prozesse die AMS generiert wird. 

Kontakt: Volkmar Schmidt

Permittivitätsmessungen an Gesteinen

Die Permittivität ist eine physikalische Eigenschaft, die die Ausbreitung von elektromagnetischen Feldern bestimmt. Sie ist besonders wichtig für die Ausbreitung von Radarwellen, die Frequenzen im MHz-Bereich haben. Werden Radarwellen verwendet, um den Untergrund abzubilden, wird die Methode als Bodenradar (GPR) bezeichnet. Um die GPR-Methode zur Erkundung einzusetzen werden Kenntnisse über die Permittivität des Untergrundmaterials benötigt. Die Dielektrizitätskonstante kann im Labor gemessen werden, aber Daten von kleinen Proben sind oft nicht auf natürliche Gesteine übertragbar.

Wir haben eine zylindrische Messzelle konstruiert, die die Untersuchung von großen Gesteinsproben ermöglicht. In Kombination mit einem Vektor-Netzwerkanalysator ermöglicht das Messsystem die schnelle Bestimmung der spektralen Permittivität zwischen 1 MHz und 500 MHz. Bei Bohrkernen können räumliche Variationen der Permittivität im Sub-Zentimeter-Bereich aufgelöst werden.

Kontakt: Volkmar Schmidt

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Schmidt, V., Wilting, W., Gruse, M., & Wagner, N. (2015). A cylindrical guarded capacitor for spectral permittivity measurements of hard rock samples in the MHz-range. Measurement Science and Technology, 26(10), 105902.

Pipeline-EM: Nutzung des kathodischen Fremdstromschutzes für die EM-Exploration

Mitteleuropa ist durchzogen von Pipelines für den Transport von Wasser, Gas und Öl. Metallpipelines werden routinemäßig mit einer Beschichtung gegen elektrochemische Korrosion geschützt, die durch ein kathodisches Schutzsystem ergänzt wird. Für Prüfungen der Integrität von Pipelines wird der Gleichstrom vorübergehend ein- und ausgeschaltet. Das Schaltschema erzeugt zeitlich veränderliche elektrische Ströme und induziert sekundäre elektrische und magnetische Felder im Untergrund, die räumlich und zeitlich in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand des Untergrunds abklingen.

Hier schlagen wir vor, die induzierten elektromagnetischen Felder, die durch geschaltete kathodische Schutzströme erzeugt werden, zu messen und zu analysieren, um die Struktur des elektrischen Widerstandes im Untergrund im oberen Bereich von einigen Kilometern Tiefe zu bestimmen. Wir konzentrieren uns auf ein Testgelände im Weserbergland, wo wir elektrische Feldarraymessungen des induzierten elektromagnetischen Feldes mit detaillierten Untersuchungen der Stromverteilung in der Pipeline, d.h. dem Quellstrom, kombinieren. Unsere Kooperationspartner von der Westnetz GmbH werden Ergebnisse von kürzlich im Testgebiet durchgeführten Pipeline-Integritätsuntersuchungen sowie Zugang zu den technischen Anlagen des kathodischen Schutzsystems zur Verfügung stellen. In Kombination mit zusätzlichen gleichstromelektrischen und magnetostatischen Messungen wird dies die Bestimmung des Quellstroms ermöglichen. Für die Interpretation der Array-Messungen werden wir sowohl das transiente Zeitverhalten als auch das Frequenzverhalten des Erdreichs auf den in eine Pipelinestruktur eingespeisten und induktiv sowie an Erdungspunkten und Umhüllungsdefekten galvanisch in das Erdreich abfließenden Strom berücksichtigen.

Dieser Ansatz ist eng mit der Elektromagnetik mit kontrollierter Stromquelle verwandt und kann eine kostengünstige Ergänzung zu bestehenden elektromagnetischen geophysikalischen Sondierungstechniken darstellen, die in verrauschten Umgebungen anwendbar ist, ohne die logistische Herausforderung der Installation einer starken Stromquelle im Feld. Die Methodik kann bei der geophysikalischen Erkundung des Untergrundes helfen, die bei der Erkundung und Überwachung von Ressourcen, Lagerstätten und geologischen Speichern zum Einsatz kommt.

Kontakt: Tobias Lindau, Michael Becken

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Lindau, T., & Becken, M. (2018). Using impressed current cathodic protection systems of pipelines for electromagnetic explorationPipeline EM. Geophysics, 83(4), B155-B165.

Lindau, T., & Becken, M. (2014, August). Impressed pipeline currents for EM exploration. In: Proceedings of the 22nd EM Induction Workshop, Weimar, Germany.

Becken, M., & Lindau, T. (2014, June). Utilizing impressed current cathodic protection as the source for electromagnetic exploration. In 76th EAGE Conference and Exhibition-Workshops (pp. cp-401). European Association of Geoscientists & Engineers.

Lindau, T., & Becken, M. (2014, March). First test measurements for utilizing Impressed Current Cathodic Protection of pipelines as a source for EM exploration. In: 74th DGG-Meeting, Karlsruhe, Germany.

Archäo-geophysikalische Erkundungen bei Nonnweiler / Saarland

Auf dem Gebiet der Gemeinde Nonnweiler im Hunsrück, etwa 30 km südöstlich von Trier, befinden sich eine Vielzahl interessanter archäologischer Objekte sowohl von Kelten als auch von Römern. Unweit der bekannten keltischen Ringwallanlage „Hunnenring“ ist ein Ensemble von Gräberfeldern der Eisenzeit und vermutlich römischen Periode bekannt. Drei Grabhügelgruppen mit 11 Hügelgräbern bezeugen die Nutzung der Siedlungskammer seit dem 3. Jh. v. Chr. Die Anwesenheit einer lokalen Oberschicht belegt der Fund eines Wagengrabes.

Im Vorfeld und begleitend zu archäologischen Grabungen in Nonnweiler werden geophysikalische Messungen durchgeführt. Diese haben das Ziel, die für eine Grabung aussichtsreichsten Flächen zu erkennen. Außerdem können mit diesen nicht-invasiven Verfahren archäologische und geologische Strukturen auf einer größeren Fläche im Umfeld der Grabung sichtbar gemacht werden. Besonders magnetische Methoden eignen sich zur Abbildung archäologischer Strukturen, aber auch mit Georadar und Widerstandstomographie können zusätzliche Informationen über den Untergrund gewonnen werden. Durch in-situ-Messungen der physikalischen Eigenschaften der im Messgebiet vorkommenden Materialien während Ausgrabungskampagnen versuchen wir, eine gesicherte Auswertung und Interpretation der Daten zu erreichen.

Ein keltisches Gräberfeld nahe Nonnweiler-Bierfeld konnte mit magnetischen Messungen lokalisiert werden. Ausgrabungen bestätigten die Lage der Gräber. Mehrere nahegelegene Hügelgräber werden mit geoelektrischen Messungen untersucht. Dadurch kann auf die interne Struktur der Hügelgräber geschlossen werden. 

Kontakt: Volkmar Schmidt

Nutzung von Gleichstrom-Eisenbahnen für die geophysikalische Exploration

Im Gegensatz zu Deutschland, wo die Eisenbahn mit einem Wechselstrom von 16 2/3 Hz versorgt wird, nutzen viele andere Länder (u.a. die Niederlande, Italien, Polen) Gleichstrom. Derartige Schienennetze besitzen signifikante elektrische Dipolmomente und erzeugen Störsignale, die über viele 10-er Kilometer messbar sind. Je nach Last (z.B. anfahrende Züge) werden im Betrieb breitbandige elektromagnetische Impulse generiert, die den Einsatz der elektromagnetischen Geophysik für Untergrunduntersuchungen (z.B. geothermische Exploration, Grundwassererkundung, Kohlenwasserstoffexploration) stark beeinträchtigen können. In dem Projekt soll erprobt werden, ob Schienennetze als (unkontrollierte) Quelle für die Geophysik genutzt werden könnten. Das Projekt befasst sich mit (i) der Entwicklung eines approximativen elektromagnetischen Quellenmodells der Eisenbahn auf der Grundlage von synthetischen Modellstudien und Felddaten, (ii) der Anpassung von Zeitreihenverarbeitungsschemata an die spezifischen Merkmale von Zugquellen und (iii) der Erfassung, Verarbeitung und Modellierung von Felddaten in der Nähe einer Eisenbahnlinie in einem ausgewählten Testgebiet.

Eine Pilotstudie wurde in den Niederlanden durchgeführt. An einem Testabschnitt wurde ein elektromagnetisches Empfängerarray installiert, und die Zeitreihenaufzeichnungen mit Hilfe von bi- und multivariaten statistischen Verfahren in Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich verarbeitet. Es zeigte sich, dass die EM-Emissionen von der Bahnlinie über Hunderte von Quadratkilometern stark korreliert sind und dass die Quelle annähernd stationär ist - trotz der Tatsache, dass Züge bewegliche Quellen sind. Dies deutet darauf hin, dass die Hauptquelle der Störsignale auf Leckströme an bestimmten Punkten entlang der Strecke (z. B. Bahnhöfe, Bahnübergänge, Brücken) zurückzuführen ist. Vor diesem Hintergrund wurde ein Modellierungs- und Inversionsansatz entwickelt, um sowohl die Quellströme im Schienennetz als auch die Leitfähigkeit des Untergrunds iterativ zu bestimmen, ähnlich wie bei Modellierungsverfahren für globale Induktionsprobleme.

Dieses Projekt wurde von Shell Global Solutions finanziert und in Zusammenarbeit mit Rita Streich (Shell) durchgeführt.

Kontakt: Anna Avdeeva, Michael Becken

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Becken, M., Avdeeva, A., & Streich, R. (2015). Are DC trains useful for electromagnetic exploration? In: Proceedings of the 26th Schmucker-Weidelt-Kolloquium, 21.-25. Sep. 2015, Dassel, Germany.

Avdeeva, A., Becken, M., & Streich, R. (2014, August). Towards imaging the Earth using EM fields emitted by DC railways. In: Proceedings of the 22nd EM Induction Workshop, Weimar, Germany.

EDE: Tellurisches Aufzeichnungssystem

Elektromagnetische Vermessung in Anwendungen mit kontrollierten und natürlichen Quellen kann von dichten Arrays elektrischer Feldaufzeichnungen in Kombination mit spärlicher verteilten Fünf-Komponenten-Stationen (elektrisch und magnetisch) profitieren. Zur Erleichterung einer solchen Vermessungsstrategie haben wir einen kostengünstigen, stromsparenden und einfach einzurichtenden Zwei-Komponenten-Datenlogger gebaut.

Kontakt: Bernd Bömer

Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge:

Becken, M., Schmalzl, J., Bömer, B., & Ueding, S. (2014, August). Development of a E-field data logger and of time series processing tools in matlab. In: Proceedings of the 22nd EM Induction Workshop, Weimar, Germany.

Schmalzl, J., Lindau, T., Böhmer, B.,  Ueding, S.,  Becken, M. (2014, March). Development of an E-field data logger and first tests. In: 74th DGG-Meeting, Karlsruhe, Germany.

Archäologische Prospektion bei Bucium / Rumänien

Im alten Bergbaurevier Bucium im transsylvanischen Erzgebirge finden sich zahlreiche Spuren des römischen Bergbaus, darunter Reste von Siedlungen, Friedhöfen und Straßen. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Bergbau-Museum Bochum (Deutschland) und dem Muzeul National al Unirii in Alba Iulia (Rumänien) untersuchen wir das Gelände mit nicht-invasiven geophysikalischen Methoden. Viele archäologische Strukturen können mit magnetischen Methoden abgebildet werden, da sie Anomalien im Magnetfeld erzeugen. Wir bemühen uns um eine vollständige magnetische Kartierung des Gebietes, die uns hilft, den Aufbau des Bergbaugebietes zu rekonstruieren. Wir verwenden auch elektrische 2D- und 3D-Methoden, um unterirdische Strukturen abzubilden.

Kontakt: Volkmar Schmidt