DIE GEOMAGNETIK

(ingenieurgeophysikalischer Einsatz)

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Zusammensetzung des Erdmagnetfeldes

Das Gesamtfeld der Erde setzt sich aus folg. vektoriellen Anteilen zusammen (s. Abb. 3):

Hauptfeld
Es ist der vorherrschende Feldanteil mit einer relativ geringen, aber langzeitlichen Änderung. Sein Ursprung liegt im Erdinnern.

Außenfeld
Es erreicht nur einen Bruchteil der Hauptfeldintensität, ändert sich aber zeitl. relativ rasch. Die Ursache liegt außerhalb der festen Erde.

Anomalienfeld

Es ist meist viel kleiner als das Hauptfeld und zeitlich nahezu konstant. Der Ursprung liegt in der oberen Erdkruste.

Für die Belange der Ingenieurgeophysik ist das Anomalienfeld von Interesse. Magnetfeldanomalien sind örtliche Abweichungen vom Haupt- und Außenfeld. Ihre natürlichen Ursachen liegen in Magnetisierungskontrasten der Gesteine und insbesondere ihrem Gehalt an ferromagnetischen Mineralen. Künstliche Ursachen sind v.a. verborgene Eisenobjekte oder auch Bauobjekte, welche einen Magnetisierungskontrast bewirken.

Größenordnung von Magnetfeldwerten

(Totalintensität der magnetischen Flussdichte B in üblichen Messhöhen)

Hauptfeld:
um 47.000 nT in mitteleuropäischen Breiten

Außenfeld:
meist unter 50 nT, teilweise jedoch auch mehrere 100 nT

Anomalienfeld:
Erzlagerstätten: mehrere 10.000 nT
archäologische Objekte: bis 50 nT
Metallfass, 2 m tief: bis 100 nT
Hausmülldeponien: über 2.000 nT
Pleistozänrinnen: etwa 100 nT
Pkw 5 m entfernt: bis 200 nT
Basaltlagerstätte: 500 nT
Pipeline (30 cm Durchmesser) 10 m entfernt: 100 nT

Induktive Magnetisierung

Im Vakuum ist die magnetische Flussdichte B (Induktionswirkung des Magnetfeldes, deswegen auch als magnetische Induktion bezeichnet) der vorliegenden Feldstärke H proportional
B = μ₀H     μ₀ universelle magnetische Feldkonstante

Bringt man Materie in ein Magnetfeld, so erhöht sich die Flussdichte B durch einen Feldzuwachs, verursacht durch die induzierte Magnetisierung M_i der eingebrachten Materie
B = μ₀H + μ₀M_i

In der Magnetisierung M_i stecken stoffliche Eigenschaften, die mit der Permeabilitätszahl μ_r = 1 + M_i/H oder der Suszeptibilität χ = M_i/H beschrieben werden können. Damit lässt sich vorige Gleichung wie folgt formulieren:
B = μ₀ μ_rH = μ₀ (1+χ)H

Die Permeabilitätszahl μ_r ist der Faktor, um den die magnetische Flussdichte durch das Einbringen von Materie in das Feld verändert wird.

Für die Geomagnetik ist folgende Einteilung relevant:

deutliche Verstärkung der Flussdichte bewirken
Ferromagnetika μ_r >> 1 (z.B. Eisen μ_r ~ 1.000, Nickel μ_r ~ 300)
Ferrimagnetika μ_r >> 1 (z.B. Magnetit Fe₃O₄ μ_r ~ 15, Maghämit γFe₂O₃ μ_r ~ 15)

i.a. vernachlässigbaren Einfluss auf die Flussdichte haben
Paramagnetika μ_r > 1 (z.B. Aluminium μ_r ~1,000 023, Olivin μ_r ~1,000 500, Pyrit μ_r ~1,000 050)
Diamagnetika μ_r < 1 (z.B. Kupfer μ_r ~ 0,999 991, Quarz μ_r ~ 0,999 985, Steinsalz μ_r ~ 0,999 990)
Antiferromagnetika μ_r > 1 (z.B. Hämatit αFe₂O₃ μ_r ~ 1.001)

Die meisten Minerale sind para- oder diamagnetisch. Wichtig sind die Eisenoxide, welche die meisten ferrimagnetischen Minerale bilden. Der Gesteinsmagnetismus richtet sich nach der Mineralzusammensetzung. Entsprechend der starken Wirkung der Ferro- und Ferrimagnetika bilden diese als Mineralbestandteil der Gesteine bzw. in Form von Eisenteilen die in der Ingenieurgeophysik gesuchten Anomalien. Da Eisen mit Abstand der am meisten in der Bautechnik verwendete ferromagnetische Stoff ist, können Magnetometer i.A. sehr gut als selektive Eisendetektoren eingesetzt werden.

Remanente Magnetisierung

Die Magnetisierung von Ferro- und Ferrimagnetika setzt sich aus dem zuvor beschriebenen induktiven (Mi) und aus einem remanenten Anteil Mr zusammen. Die remanente Magnetisierung ist permanent und fest mit der Materie verbunden. Wesentliche Ursachen remanenter Magnetisierung sind u.a. thermische, sedimentäre und chemische Vorgänge.

Thermoremanenz

Die magnetischen Eigenschaften von Atomen können vereinfacht durch Elementarmagnete, wie in Abb. 4 als Pfeile dargestellt, beschrieben werden. Oberhalb der sog. Curie-Temperatur (Eisen: T_C ~ 700 °C) sind die Richtungen dieser Elementarmagnete infolge Temperaturbewegung willkürlich orientiert, so dass das Gesamtfeld inetwa den Wert Null annimmt (A). Unterhalb der Curie-Temperatur ordnen sich die Elementarmagnete parallel innerhalb von Domänen an (B), welche eine definierte Magnetisierung besitzen. Wenn die Materie bei Vorhandensein eines äußeren Magnetfeldes unter die Curie-Temperatur abkühlt, werden die im äußeren Magnetfeld ausgerichteten Elementarmagnete „eingefroren“ (C) und die Materie ist permanent magnetisch (Thermoremanenz). Dieser Effekt wird v.a. bei der Aufklärung der langzeitlichen (säkularen) Entwicklung des Erdmagnetfeldes ausgenutzt. Daneben ergibt sich daraus auch eine Anwendung innerhalb der Archäometrie (z.B. gebrannte Ziegel, Brennöfen).

Viskose Remanenz

Durch langandauernde Einwirkung eines äußeren Feldes (Erdmagnetfeld) kann ein Gestein zunehmend magnetisiert werden. Die Stärke richtet sich nach der Einwirkdauer und kann oft durch eine logarithmische Zeitfunktion beschrieben werden.
Weitere Remanenzarten: isothermale Remanenz, Druckremanenz, inverse Remanenz.

Anwendungsart

Gemessen wird entweder der Betrag bzw. eine Komponente der magnetischen Flussdichte oder deren Gradient (meist Vertikalgradient). Dies geschieht entweder entlang von Profillinien als Profilierung oder flächendeckend mit einem bestimmten Messraster als Kartierung. Enge Messraster für Detailuntersuchungen liegen bei etwa 1 m, wogegen bei Übersichtsuntersuchungen die Messpunktabstände 5 m und teilweise mehr betragen können. Daneben wird an festen Basisstationen der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes (Außenfeld) registriert, um die Magnetfeldwerte vom zeitlichen Einfluss befreien zu können. Dies ist bei Gradientenmessungen nicht notwendig. Die Dichte des Messrasters richtet sich v.a. nach der „Rauhigkeit“ der Anomalienform. Die Anomalienform und -stärke ist u.a. durch den Messabstand zur Anomalienursache bedingt. Beispielsweise nehmen die Amplituden einer lokalen Dipolanomalie mit der 3. Potenz der Entfernung ab. Die Messwertaufnahme in mehreren Abständen bzw. Messhöhen lässt sich günstig zur Massen- und Tiefenabschätzung ausnutzen. Die Messhöhen liegen i.A. zwischen 1,0 m und 2,5 m über der Geländeoberkante (GOK).

Darstellung und Beurteilung der Messwerte

Die Magnetfeldanomalien (Totalfeld, Feldkomponenten, Gradient) werden üblicherweise in Profildiagrammen, Isolinienplänen (Isogrammen) oder Farbdiagrammen dargestellt. Zuvor werden notwendige Korrekturen durchgeführt, z.B. die Anteile des Haupt- und Außenfeldes reduziert. Eine Höhenreduktion ist nur in Spezialfällen notwendig.
Die einfachste Datenauswertung ist die Ortsangabe aufgrund der Anomalienposition, die Tiefenabschätzung aufgrund ihrer Halbwertsbreite und eine Massenklassifizierung aufgrund ihrer Stärke. Dies geschieht i.A. unter vereinfachenden Annahmen der Objektformen (z.B. Kugel, Platte) und ohne Berücksichtigung von remanentem Magnetismus.
Die anspruchsvollere Auswertung beinhaltet die rechnerische Modellierung der Anomalie, wobei die Objektgröße, -form und -tiefe, das Hauptfeld, die remanente Magnetisierung sowie v.a. die Permeabilität μ_r einbezogen werden.

Die Abb. 7 veranschaulicht beispielhaft den Einfluss der Objektform sowie der Richtung des induzierenden Magnetfeldes. In Abb. 7a ist das magnetisierbare Material innerhalb eines kompakten Würfels konzentriert, wogegen es in Abb. 7b in einer flachen Scheibe verteilt ist und dadurch eine deutlich schwächere Anomalienstärke bewirkt. Daneben ist in beiden Bildteilen zu bemerken, dass das Anomaliemaximum gegenüber der Objektposition (x/y = 0/0) leicht verschoben ist. Dies wird durch die Richtung des induzierenden Erdmagnetfeldes (siehe Abb. 1) bewirkt. Entsprechend ergibt sich durch die geomagnetischen Breite des Messortes auf der Erde eine Verschiebung des Anomaliemaximums.

Bemerkungen

Sehr wichtig bei der Geomagnetik ist die genaue Dokumentierung von störenden Eisenobjekten wie Maste, Fahrzeuge, Zäune usw. Diese haben starken Einfluss auf die Messwerte und müssen in jedem Fall bei der Auswertung berücksichtigt werden. Aus Obigem geht hervor, dass einerseits bei mäßigen Genauigkeitsansprüchen die Geomagnetik mit geringem Aufwand sehr schnell brauchbare Ergebnisse liefern kann. Andererseits kann insbesondere der Auswerteaufwand umfangreich werden, falls möglichst präzise Aussagen gemacht werden sollen. Da die Messungen i.A. sehr schnell gehen, liegt der Aufwand für die Feldmessungen v.a. im Festlegen der Messpunkte und Abschreiten des Messgebietes. Entsprechend spielt die Zugänglichkeit eine große Rolle.