Potentialverfahren

Die Gravimetrie und Magnetometrie zählen zu den Potentialverfahren. Potentialfelder sind solche, die durch einen bestimmten mathematischen Formalismus beschrieben werden können (Laplace-Gleichung). Das Potential ist das Vermögen des Schwere- oder Magnetfeldes, Arbeit zu leisten. Wird zum Beispiel im Schwerefeld eine Masse längs eines bestimmten Weges transportiert, so kann dies nur über eine definierte Arbeit geleistet werden. In der Gravimetrie und Magnetometrie werden die räumlichen und zeitlichen Variationen sowie die Absolutgrößen des Erdschwere- bzw. des Erdmagnetfeldes gemessen. Dabei werden entweder die Einzelkomponenten in den drei Raumrichtungen (Vektormessung) oder der Totalwert (Skalarmessung) bestimmt.

Gravimetriemessungen an Land Quelle: BGR

Gravimetrie

Die räumliche Variation des Schwerefeldes gibt Aufschluss über die Dichteverteilung der Massen im Erdinneren. So hat zum Beispiel kontinentale Kruste eine geringere Dichte als ozeanische Kruste, Sedimentgestein eine geringere Dichte als Festgestein. Die Messung der räumlichen Schwerevariation lässt zusammen mit geologischen Kenntnissen über ein Untersuchungsgebiet eine Modellierung des Untergrundes zu. Solche Modellierungen sind leider nicht eindeutig und müssen über weitere, unabhängige Verfahren gestützt werden.

Da die Schweremessungen abhängig sind von ihrem Ort und ihrer Höhe über Grund, werden die Beobachtungen meist auf ein Normalniveau zurückgerechnet. Dieses Normalniveau ist die mittlere, ungestörte Meereshöhe. Gleichzeitig wird ein breitenabhängiges Erdmodell abgezogen, um die räumlichen Abweichungen vom Normalfeld (Anomalien) hervorzuheben.

Es bleibt ein starker Einfluss der Topografie in den Daten enthalten. Um diesen Einfluss zugunsten von tieferen Inhomogenitäten zu reduzieren, müssen weitere Korrekturen des topografischen Effektes durchgeführt werden (über eine Bouguer-Platten-Reduktion und eine Terrainkorrektion). Danach bleiben im Wesentlichen nur Strukturen sichtbar, die aus dem Inneren der Erdkruste und des Erdmantels generiert werden. Nimmt man darüber hinaus an, dass die Erdkruste auf dem Erdmantel schwimmt, kann man isostatische Ausgleichsrechnungen anstellen, die weitere Details der Schwerefeldanomalien sichtbar werden lassen. Diese Verfahren werden global eingesetzt, um sich ein detailliertes Bild über den inneren Aufbau der Erde zu verschaffen und lokal bis regional um Rohstoffe zu explorieren und Umwelt-relevante Studien zu unterstützen.

Die zeitlichen Variationen des Schwerefeldes werden hauptsächlich durch Gezeiteneffekte generiert sowie durch Eigenschwingungen zum Beispiel an der Kern-Mantel-Grenze. Durch neue, hochgenaue Messtechniken können aber auch sich zeitlich verändernde Strukturen wie zum Beispiel Schwankungen im Grundwasserspiegel bestimmt werden.

Die Gravimetrie wird eingesetzt an der festen Erdoberfläche (terrestrische Gravimetrie), auf dem Schiff (marine Gravimetrie) und auf Flugzeugen (Aerogravimetrie). Seit wenigen Jahren sind auch Satellitenmissionen zur Vermessung des Erdschwerefeldes im Einsatz.

Magnetikmessung Quelle: BGR

Magnetik

Magnetometrische Beobachtungen beziehen sich hauptsächlich auf die Messung der magnetischen Feldstärke. Das Erdmagnetfeld wird durch Dynamoeffekte zwischen Erdkern und Erdmantel generiert und bildet nach außen hin in erster Näherung ein Dipolfeld, dessen Hauptachse die Erde je am nördlichen und südlichen Magnetpol durchstößt. Das Erdmagnetfeld unterliegt im Gegensatz zum Schwerefeld großen zeitlichen Variationen, die bis zum Zusammenbruch des Feldes und einer Feldumkehr führen können. Diese Variationen spielen sich ab in Zeiträumen von mehreren Millionen Jahren. Wesentliche kürzere Variationen von Stunden und Minuten sind bedingt durch die Interaktion von Erde und Sonne. Elektrisch geladene Sonnenpartikel treffen je nach Aktivität auf das Magnetfeld der Erde. Dabei wirkt das Magnetfeld als Schutzschild, nur an den Magnetpolen können geladene Teilchen den Schild durchdringen. Dabei entstehen die Polarlichter. Die eingedrungenen geladenen Teilchen setzen dann im Erdmagnetfeldes ihre Reise fort und bilden die polaren Elekrojets und den äquatorialen Elektrojet, die in der Ionosphäre der Erde ausgebildet werden.


Die Messung und Auswertung der zeitlichen Variationen zählt nicht zu den Potentialverfahren. In der Praxis jedoch ist die zeitliche Variation in der Messung enthalten und muss entsprechend korrigiert werden. Die zeitlichen Variationen des Magnetfeldes werden genutzt in den Verfahren, die die elektromagnetische Induktion nutzen (siehe Magnetotellurik).

Erstarrt nun stark überhitztes, flüssiges Gestein im Erdmagnetfeld, so wird je nach den Gesteinseigenschaften das Magnetfeld dieser Zeit beim Abkühlen „eingefroren“ (Paleomagnetik). Dies ist besonders wichtig bei der Untersuchung des Ozeanbodens. An den Rückensystemen dringt heißes Mantelmaterial an die Oberfläche und kühlt dort aus. Daraus entstehen bei mehrfacher Feldumkehr positiv-negativ-Streifenmuster, die entsprechend kartiert werden können und Aufschluss über das Krustenalter geben können. Über Land kann ähnlich wie in der Gravimetrie der Untergrund erkundet werden. Allerdings spielen in der Magnetometrie auch oberflächennahe Effekte eine große Rolle, sei es durch die Ausbildung von Magnetitgängen in der Erdkruste als auch durch menschlichen Einfluss über die Einbringung von Altlasten.

Gesteinsmagnetometrie

Die Magnetisierung von Gestein ist stark abhängig von seiner Zusammensetzung. Ist zum Beispiel im Gestein viel Magnetit oder Eisen vorhanden, so kann das Gestein ein relativ hohes remanentes („eingefrorenes“) und (durch Umlagerung im rezenten Magnetfeld) induziertes Eigenmagnetfeld aufbauen. Dieses Feld ist nur bis zu einer bestimmten Höchsttemperatur (Curie-Temperatur) stabil. Untersuchungen der Variation des Erdmagnetfeldes allgemein laufen unter der Bezeichnung Geomagnetik, werden spezielle Proben untersucht so bezeichnet man das Verfahren als Gesteinsmagnetik.

Magnetometrie wird angewandt an der festen Erdoberfläche (terrestrische Magnetometrie und Bohrlochmagnetometrie), vom Schiff aus (marine Magnetometrie) und vom Flugzeug aus (Aeromagnetometrie). Spezielle Satellitenmissionen sind im Einsatz, um das äußere Magnetfeld der Erde zu bestimmen.

Zu den Potentialverfahren zählt auch die Gleichstromelektrik, die hier jedoch unter den elektromagnetischen Verfahren behandelt wird.