Geomagnetik

Magnetfeldmessungen stellen das vielleicht universellste Verfahren in der Geophysik dar; gleichzeitig gehören sie zu den kostengünstigsten Methoden.

Grundlage für die Geomagnetik ist die Existenz eines irdischen Magnetfeldes. In ihm bekommen alle Stoffe (alle!) durch einen Induktionsprozess magnetische Eigenschaften oder – mit anderen Worten – eine induzierte Magnetisierung. Die stoffliche Eigenschaft nennt man magnetische Suszeptibilität. Sie kann für in der Geophysik wichtige Stoffe (Gesteine, Erze; im Umweltbereich: eisenmetallische Objekte, gebrannte Keramik [Ziegel!]) um viele Größenordnungen differieren.

Durch die Induktion im Erdmagnetfeld werden Gesteinskörper oder andere Objekte selbst zu einer Art Magnet mit einem sie umgebenden Magnetfeld. Dieses Magnetfeld überlagert sich dem induzierenden (sog. normalen) Erdfeld als störendes Feld; es erzeugt Anomalien im Normalfeld.

Die Vermessung solcher Anomalien mit geeigneten Messgeräten (Magnetometer) erlaubt das Aufsuchen, Abgrenzen und Modellieren (Lage, Tiefe, Form) magnetisierter Körper und Objekte.

Man nutzt die Magnetik:

– als Hilfsmittel geologischer Kartierung (Tonsteine im allgemeinen stärker magnetisch als Sandsteine; basische Gesteine i.a. stärker magnetisch als saure usw.)

– zur Prospektion auf Lagerstätten

– in der Umweltgeophysik zum Nachweis und Abgrenzen von Altlasten; zur Ortung eisenmetallischer Objekte (Fässer, Tanks, Munition, Blindgänger, eisenmetallische Leitungen) und unterirdischer Bauten.

Magnetfeldmessungen werden mit Magnetometern durchgeführt. Die in der Vergangenheit viel benutzten mechanischen Magnetometer (Feldwaagen, Torsionsmagnetometer) sind von elektronisch oder atomphysikalisch arbeiten Systemen abgelöst worden: Saturationskern-M. (Fluxgate-M.; “Förster-Sonden”), Protonenpräzessions-M. (kurz auch: Protonen-M.), optisch pumpende M. (z.B. Cäsium-M.).

Protonenpräzessions-Magnetometer.

Spezielle Meßsysteme nutzen sogenannte Gradiometer, bei denen mit zwei Magnetometersonden in einem (meist vertikalen) Abstand von grob 0,5 m die Differenz der Feldwerte gemessen wird. Gradiometer registrieren so näherungsweise den Gradienten (meist den Vertikalgradienten der Vertikalkomponente) des Erdmagnetfeldes, also seine räumliche Änderung. Gradiometer haben ein großes Auflösungsvermögen bei kleinräumigen Strukturen, was aber mit verringerten Untersuchungstiefen erkauft wird. Durch die Differenzbildung werden bei der Gradiometermessung auch die – häufig unregelmäßigen und abrupten – zeitlichen Schwankungen des Erdmagnetfeldes eliminiert (siehe auch Magnetotellurik in der Geoelektrik), die sonst durch Wiederholungsmessungen oder feste Basisstationen registriert werden müssen.

Besonderheiten:

die remanente Magnetisierung.
Einer bestimmten Gruppe von Stoffen (z.B. Eisen, Stahl; bei den Mineralen: z.B. Magnetit, Maghemit (gamma-Fe2O3), Titanomagnetite, Magnetkies; bei den Gesteinen vor allem magnetithaltige, z.B. Basalte) ist außer der induzierten Magnetisierung eine bleibende oder remanente Magnetisierung (Remanenz) eigen. Verschiedene Prozesse (Abkühlung von Schmelzen, chemische Veränderungen, mechanische Einwirkungen, Blitzschlag u.a.) können zu beachtlichen Magnetisierungen führen, die die induzierte bei weitem übersteigen kann. Wird die remanente Magnetisierung nicht beachtet, kann das zu gravierenden Fehldeutungen führen.

Ein ernstes Problem kann sich bei der magnetometrischen Ortung von Bombenblindgängern ergeben: Sind remanente und induzierte Magnetisierung als Vektorgrößen in der Bombe gleichgroß und einander entgegengerichtet, so kann sie nach außen nicht messbar magnetisch werden. Solche Fälle sind bekannt.

Mikromagnetik.
In der Mikromagnetik werden mit sehr empfindlichen Magnetometern auch sehr schwach magnetische Gesteine und bei sehr kleinen Messpunktabständen (Dezimeter-Bereich) untersucht. Es geht dabei um die Erfassung des magnetischen Gefüges von Gesteinskörpern, das sich in den Wellenlängen, den Amplituden und richtungsstatistischen Eigenheiten der Anomalien äußern kann. Magnetisches Gefüge im Gestein kann vielfältigen Parametern (Einregelung von Komponenten, Schüttungsrichtung von Sedimenten, Fließgefüge, Klüftung u.a.) zugeordnet werden.

Magnetfeldmessungen in Bohrungen
Dazu gehören Messungen der Suszeptibilität mit speziellen Messsonden und normale Magnetfeldmessungen, meist mit Gradiometern. Solche Messungen dienen zur lithologischen Gliederung und Korrelation von Bohrungen sowie zur Ortung und räumlichen Erfassung magnetisierter Massen und Objekte (Bomben-Blindgängerortung in der Kampfmittelräumung. Tiefenerstreckung von Spundwänden, armierten Betonpfeilern usw.).

Fluxgate-Magnetometer-Gradiometer für Bohrlochmessungen.