Magnetotellurik

Die Magnetotellurik (MT) ist eine geophysikalische Methode, bei der man sich die elektromagnetische Induktion zunutze macht, um geologische Strukturen in der Erde aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit abzubilden. Die klassische MT ist eine passive Methode. Sie nutzt als Signalquellen Gewitter und elektrische Stromsysteme in der Ionosphäre, die durch Reaktionen des Sonnenplasmas mit dem geomagnetischen Feld entstehen. Die daraus resultierenden natürlichen, zeitveränderlichen primären Magnetfelder erzeugen im Untergrund der Erde elektrische Ströme, die wiederum sekundäre Magnetfelder erzeugen. Beides wird gemessen.

Magnetotellurische Messungen in Jordanien zur Erkundung von tiefen Aquiferen Quelle: BGR

Aufgrund der verwendeten Signalquelle und des breiten Periodenspektrums des Signals existieren mehrere Varianten von MT:

• Klassische Magnetotellurik: es werden lange periodische Felder (10⁰-10⁵ s) mit Quelle in der Magnetosphäre und Ionosphäre verwendet, und es ist eine lange Aufzeichnungszeit erforderlich (von einigen Tagen bis zu mehreren Wochen oder sogar Monaten) und eine tiefe Exploration (mehrere zehn oder sogar hunderte von Kilometern) möglich.
• Audiomagnetotellurik (AMT): Es wird ein kurzes periodisches Feld (10^-4-10⁰ s) verwendet, das durch die Strahlung und die Reflexion von Blitzen in der Atmosphäre verursacht wird, und es ist eine Aufnahme von mehreren Stunden erforderlich, um Tiefen von einigen zehn Metern bis zu einigen Kilometern zu erkunden.
• Radiomagnetotellurik (RMT): elektromagnetische Wellen (10^-6-10^-4 s), die von Radiosendern ausgestrahlt werden, werden für die Kartierung flacher Merkmale von wenigen bis zu mehreren zehn Metern verwendet.
• Controlled Source Audio Magnetotellurics (CSAMT): verwendet eine aktive, künstliche Quelle (Sender), um das Signalrauschverhältnis für audiomagnetotellurische Messungen zu verbessern.

Magnetotellurik Prinzipskizze (Signalquellen, Skintiefen, Messaufbau) Quelle: BGR

Das breite Spektrum der periodischen Fluktuationen (10^-6-10⁵ s) sorgt für Eindring- und Untersuchungstiefen von Zentimeter bei der RMT bis zu einigen hundert Kilometern bei der MT; je länger die Periode des Primärfeldes, desto größer die Eindringtiefen in die Erde (Skin-Effekt).
So wird MT sowohl zur Untersuchung tektonischer Prozesse in der Kruste als auch zur Abbildung der Leitfähigkeitsverteilung im oberen Erdmantel sowie zur mineralogischen, geothermalen oder hydrogeologischen (Link Jordanien) Erkundung eingesetzt.

Bei allen MT-Methoden werden die elektrischen Felder an der Erdoberfläche mit nicht polarisierbaren leicht vergrabenen Sondenpaaren (Ex, Ey) entlang zweier zueinander orthogonaler Strecken erfasst. Die Magnetfelder werden meist mit Induktionsspulen (Hx, Hy) gemessen, die oberirdisch aufstellt oder vergraben werden und zwei zueinander orthogonale horizontale Feldrichtungen (i.d.R. NS und EW) erfassen. Wird zusätzlich auch eine Vertikalspule (Hz) eingesetzt, besteht die Möglichkeit, vertikale auf horizontale Magnetfelder zu beziehen. Man spricht dann von der „Erdmagnetischen Tiefensondierung“ (ETS).

Beispiel von magnetotellurischen und magnetischen Übertragungsfunktionen (Sondierungskurven) von einem Messpunkt in Jordanien Quelle: BGR

Nach der Datenerfassung im Feld werden die aufgezeichneten Zeitreihen im Wesentlichem statistisch analysiert und die elektrischen und magnetischen Felder vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert (Fourier Transformation). Dies umfasst mehrere Prozesse, die als Datenprozessing aufgefasst werden. Dabei werden die Verhältnisse aus zueinander orthogonalen Feldkomponenten der elektrischen und magnetischen Felder (Impedanzen) für diskrete Messfrequenzen ausgewertet und das Endprodukt als periodenabhängige magnetotellurische Übertragungsfunktionen (Sondierungskurven) des Untergrundes dargestellt. Aus den horizontalen und vertikalen magnetischen Komponenten können zusätzlich magnetische Übertragungsfunktionen (Tipper) berechnet werden. Mithilfe von Inversionstechnik können dann aus den Übertragungsfunktionen ein-, zwei und dreidimensionale Leitfähigkeitsmodelle des Untergrundes berechnet werden, die schließlich in einem geowissenschaftlichen Zusammnehang eingeordnet und interpretiert werden.

Eine Messstation während der Messungen in Jordanien Quelle: BGR

Literatur:

Vozoff, K., 1987. The magnetotelluric method. In: Nabighian, M.N. (ed.), Electromagnetic methods in applied geophysics, Vol. 2, Application. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, OK, 641-711.

Projekt:

Jordanien - "Management der Grundwasserressourcen"