05Geophysikalische Prospektion - KIT

4. Stunde
Geophysikalische Prospektion
Geophysikalische Informationen: Interpretation der Daten in Bezug auf geologische
Muster: lithologische Differenzierung, räumliche Beziehungen zwischen Gesteinstypen,
Strukturen, stratigraphische Abfolgen, leitfähige Zonen, Erzkörper etc.. Kombinierte
Anwendung mehrerer Methoden, z.B. Magnetik plus Induzierte Polarisation zur Lösung
einer Fragestellung.
Interpretationen: Erfahrung, Labor-Simulationen, Informationen aus bekannten Beispielen,
Modellierung (Variationen der bekannten geologischen Fakten eines Gebietes, bis Modell mit
Messergebnissen annähernd übereinstimmt).
Oft essentiell in „green fields“ mit wenig geologischen Informationen auf der Suche nach
Erzkörpern (Radiometrie für U, Magnetik für Eisenerz, Elektrische Methoden für Sulfide
u.a.).
Beginn mit airborne geophysics. In explorierten Gebieten mit Erzkörpern („brown fields“):
Muster/Charakteristika vergleichen mit neuen Ergebnissen auf der Suche nach tief
verborgenen Erzkörpern (meist begrenzt auf einige 100 m Tiefe; Noise überlagert Anomalie
bis zur Unkenntlichkeit mit wachsender Tiefe; rules of thumb: z.B. IP bis in Tiefe von etwa 45 mal der Dimension des Erzkörpers; EM: Tiefe mehr als das 5-fache der Distanz zwischen
Transmitter und Receiver).
Anwendung in verschiedenen Stadien der Prospektion und Exploration:
Vorbereitung: Sammlung geophysikalischer Daten aus dem Explorationsgebiet (meistens
magnetische und gravimetrische Daten auf regionaler Basis vorhanden (Behörden wie
Geologische Dienste), z.T. auch lokale Surveys (Behörden, Firmen)); Originaldaten
vergleichen mit publizierten Karten! Dito. mit geologischen Informationen! Einbindung von
Luftbiledern!
Frühe Erkundung: airborne geophysics für regionale Anomalien, niedrige Flughöhe, enge
Linienabstände; meist Magnetik und Elektromagnetik, in Zusammenhang mit geologischer
Kartierung. Gute Informationen zur Unterstützung der Kartierung, besonders in Gebieten mit
Bodenbedeckung und wenig Aufschlüssen.
Prospektion (Target-Suche): Bodengeophysik zur exakten Lokalisierung von Anomalien,
Anwendung zusätzlicher geophysikalischer Methoden und Kartierung
Exploration und darüber hinaus: Bodengeophysik (Lokalisierung für Bohrungen) und
Bohrlochgeophysik: meist: Widerstandsmessung, IP, Elektromagnetik.
Seltener verwendet in Mineralexploration (häufiger in Öl-Gas-Prospektion): Gravimetrie und
Magnetik, Seismik (wichtig in Ölexploration zur strukturellen Analyse).
Airborne geophysical Survey: Vorteile:
• schnell (z.B. einige 100 km line survey mit airborne electromagnetics pro Tag
gegenüber 3-5 km am Boden),
•
•
•
•
billig pro Flächeneinheit (für Elektromagnetik plus Radiometrie plus Magnetik: 1/4
bis 1/5 der Kosten für Bodengeophysik),
weniger Prospektionsaktivitäten als Vorbedingung nötig, aber genaue topographische
Karten, eventuell fotographische Aufnahme des Befliegungsgebietes. Genaue
Lokalisierung der Messlinien.
mehrere Methoden gleichzeitig,
keine Behinderung durch Topographie, Bewuchs, Moore und Seen. Gute Einsicht aus
der Luft in Aktivitäten der Konkurrenz!
Nur sinnvoll über große Flächen, nicht für wenige km2.
Begrenzung: Wetterbedingungen (Flughöhe weniger als 150m über Grund, visuelle
Navigation früher, heute GPS-Einsatz; exakte Fluglinienpositionen notwendig; alte Daten
ohne genaue Lokalisierung kaum brauchbar!). Größere Genauigkeit als Bodensurvey, aber
mit weniger Details und geringerem Kontrast (Bodensurvey mit engeren Messlinien möglich,
mit mehr Methoden und verschiedener Ausrüstung).
Helikopter: bessere konstante Flughöhe über topographisch schwierigem Gebiet, langsam
(bessere Genauigkeit), Landung falls nötig und Fortsetzung. Aber sehr teuer, nur 1/3 der
Linienlänge/Tag zu erreichen, kurze Flugzeiten.
Mehrere Methoden, meist benutzt (in dieser Reihenfolge): Magnetik, Magnetik plus
Radiometrie; Magnetik plus Elektromagnetik; Elektromagnetik. Auch Gravimetrie
(Helikopter, begrenzter Einsatz).
Anwendung z.B. für sulfidische Erze, Kimberlite: mit airborne magnetics und
electromagnetics, enge Messrouten; Kartendarstellung, Bestimmung irrelevanter Anomalien
(Elektrizitätsleitungen, größere Fe-Schrottmengen, Pipelines); übrige Anomalien mit
Bodengeophysik zu prüfen.
Bodengeophysik:
• Zur Aufsuche von Anomalien (falls keine airborne geophysics durchgeführt, aber
seltener Fall),
• zur genauen Lokalisierung von Anomalien aus Fernerkundung und airborne
geophysics,
• ergibt auch Kontrastverbesserung gegenüber airborne survey und zusätzliche Details,
• geologische Detailaufnahme (Gesteinstyp), eventuell zusätzliche Verfahren wie
Gravimetrie, IP, Widerstandsmessung etc. zur Festlegung von Bohrungen.
Bodengeophysik auch über geochemischen Anomalien oder aus geologischen Gründen, falls
Mineralisation vermutet wird, einschließlich Detailuntersuchungen innerhalb einer Anomalie.
Vor allem elektrische Surveys und EM. Auch für geologische Informationen (Kartierung).
Anwendung der Methoden in Mineralexploration:
Magnetik: Laterale Kontraste der Suszeptibilität. Reicht von Oberfläche bis zur CurieIsotherme.
Für Hilfe bei Kartierung und für Suche nach Erzkörpern:
• Gesteinstypen mit unterschiedlichen Anteilen magnetischer Minerale (Magnetit,
Magnetkies, Ilmenit), z.B. Magnetit-reiche mafische Intrusion, Kontaktzone um
Intrusion mit kontakt-metasomatischem Magnetit,
•
•
strukturelle Trends, eventuell Tiefe, Form;
primäre magmatische und sedimentäre Prozesse, sekundäre Prozesse mit Bildung
(Magnetit in Kontaktzonen zu Intrusiva) oder Zerstörung (hydrothermale Prozesse
und begleitende Mineralisationen) von Magnetit.
.
Anzeichen für lithologischen Kontrast, Falten, Störungen, Anreicherungen magnetischer
Minerale (Fe- und Fe-Ti-Oxide: Magnetit, Titanomagnetit, Ilmenit, Titanohämatit; Sulfide:
Magnetkies, Greigit (Fe3S4)).
Starke Anomalie:
• Hinweis auf Magnetit-Erz (z.B. BIF),
• Magnetit-reiche mafische Intrusion (Gabbro etc.),
• Magnetit-haltige felsische Intrusion (früher: I-type granite), vulkanische Ablagerungen
im Kontrast zu benachbarten felsischen Intrusionen, zu rhyolitischem Vulkanismus, zu
den meisten sedimentären Gesteinen (falls nicht selbst Magnetit-reich);
• metamorphe Fe-haltige Sedimente mit starkem Kontrast (Bildung von Magnetit durch
Metamorphose, auch Kontaktmetamorphose).
Radiometrie: Gamma-ray spectrometry und total-radiation radiometrics, aus bis etwa 50cm
Tiefe. Bodenradiometrie weniger für Geologie als für U-Vererzungen,
Messung von eU-, eTh-, K-Strahlung, auch Radon-Messungen, z.B. U von einer UMineralisation oder einem Pegmatit mit U-haltigen Mineralen; Th von Monazit-haltigen
Sanden, K von K-reichem Granit (gute Differenzierung innerhalb eines Batholithen mit
diversen Intrusionsphasen!)
Anwendung für Mineralvorkommen:
• Uran-Vererzungen mit U, Th;
• auch für Vorkommen von Sn, W, REE, Nb, Zr (die Th-und/oder U-haltige Minerale
führen).
• Eventuell für Mineralisationen mit Au, Ag, Hg, Co, Ni, Bi, Cr, Mo, Pb, Zn, falls
Kontrast mit umgebenden Gestein durch Mineralisationsprozess (Serizitisierung
(hoher K-Gehalt), Silizifizierung (kein bis sehr niedriger K, U, Th-Gehalt)).
Verwendung stark begrenzt durch Mächtigkeit des Overburdens (absorbiert durch 50 cm
Boden/Gestein; Schnee, Vegetation): Unterscheidung alluvialer Boden versus residualer
Boden. Nacktes Gestein und Hügel unter dünner Bodenbedeckung: höhere Strahlung;
alluviale Ebenen, Flüsse: gering. Topographie-Einfluss: Abhängigkeit der Intensität der
Strahlung von Messhöhe über Grund (bei airborne survey)!
Also: Kenntnis des Overburdens, gute topographische Karten (Photogeologie!), Gesteine.
Kombination U und K für Interpretation z.B. U in Arkose, in U-haltigem Phosphatlager
(U-Gehalte im Apatit etwa 20 bis 200 ppm).
Geologische Anwendung in Kartierung von Alterationszonen um felsische und
intermediäre Gesteinen (Serizitisierung), Suche nach und Bewertung von
Phosphatvorkommen und einigen Seifenlagerstätten; Boden-Kartierung (verschiedene
radiometrische Signaturen je nach Gesteinstyp, aus dem sie entstanden sind); verschiedene
Kartendarstellung (für K, eU, eTh, ternäre Darstellung, eU/eTh-Verhältnis); auch als
Ergänzung zu magnetischen Messungen bei der Kartierung; z.B. Nachweis alter Flussläufe
(paleo-channels unter geringer Bedeckung).
Elektrische Methoden: prinzipieller Vorteil von Bodengeophysik mit elektrischen Methoden
durch direkten Kontakt mit Boden, benutzt hauptsächlich für Suche nach massiven Sulfiden.
Zwei Quellen: ionische Leitfähigkeit (in Flüssigkeiten, Wasser in Poren) und elektronische
Leitfähigkeit (in Metallen).
Anwendungen: Hydrologie, sulfidische Mineralisationen, Strukturen, Lithologien.
Elektromagnetik (einschließlich passiver Elektromagnetik: Audio frequency magnetics
(AFMAG), und very low frequency magnetics (VLF)): elektrische Leitfähigkeit in obersten
Krustenteilen mit lateralen und vertikalen Informationen über Tiefenbereiche bis 10 m; VLF
bis 100 m, andere Verfahren bis 10 km;
Besonders geeignet für massive Sulfidmineralisationen (hohe Leitfähigkeit, geringer
Widerstand) in Gebieten mit geringer Oxidation (gemäßigte Klimate, arktische Gebiete),
weniger für geologische Kartierung (z.B. für Lithologie-bedingte Leitfähigkeiten in
Gebieten mit mächtigem Overburden und wenig Aufschlüssen).
Oft kombiniert mit mehreren Methoden (aeromagnetics, radiometry), und Verwendung
mehrerer elektromagnetischer Methoden „in einem Rutsch“. Relativ neu: TEM, für massive
Sulfide, aber auch für disseminierte Mineralisationen (Porphyries), stratiforme
Vererzungen, Kimberlite, Wasser-Ressourcen.
Vorsicht: Graphitische Gesteine (leitfähig); leitfähiges Overburden, leitfähige Tonlagen!
Widerstandsmessungen (resistivity): laterale und vertikale Leitfähigkeitsänderungen bis
etwa 2 km Tiefe. „Nasse“ Gesteine notwendig!
Meist für Bestimmung von
• Overburden-Mächtigkeit (Porenwasser!),
• Grundwasserspiegel,
• Bedrock surface (wenn etwa horizontal) unter Bodenbedeckung,
• Bestimmung der Ausdehnung von Massengesteinen, z.B. Tonlagerstätten (elektrisch
polarisiert und daher geringer Widerstand, wenn feucht), Kieslinsen (wenn sauber,
ohne Tonanteile) in Tonlagen, Kaolin über Graniten oder transportiert und abgelagert
als ball clay in Depressionen;
• massive Sulfid-Vererzungen,
• argillic-alteration um hydrothermale Systeme.
Mise à la masse: Nachweis leitender Körper, bis einige 100 m Eindringtiefe; selten
verwendet, für Kartierung massiver Sulfid-Vererzungen (z.B. durch Bohrlochmessungen).
Eigenpotential: vertikale Änderungen der Eh/pH-Werte durch elektrische Leiter, bis einige
100 m; Sulfid-Vererzungen mit fortdauernder Oxidation (Freisetzung von Ionen!),
Grundwasser.
Induzierte Polarisation (IP): sehr „populär“, bis etwa 2 km Tiefe, laterale und vertikale
Informationen; reagiert auf Porenwasser und metallische Minerale (mit metallischem
Glanz) sowie Tone (OH-haltig) und Zeolite (H2O in „Käfigen“!); nahe null für Sandstein,
deutlich in Tonen, sehr stark in Graphit, metallischen Sulfiden; für base metal exploration!!
Besser für disseminierte Mineralisationen (größere Oberfläche der Sulfide, ab etwa 0.5
Vol.% metallic luster minerals nachweisbar) als für massive, bedded Sulfides und
Gangvererzungen ( hierfür aber besser als elektrische Widerstandsmessungen). (Auch Pyrit
reagiert!!), nicht für ZnS (kein metallic luster)! PbS: geringe Anomaliestärke.
Großer Aufwand (Personal, langsam).
Gravimetrie: Prinzip: Laterale Dichtekontraste, von Oberfläche bis einige km tief reichende
Messdaten. Kleine Körper nicht nachweisbar.
Im airborne survey i. allg. wenig verwendet, aktuelle Effekte sehr klein, Schwierigkeit der
Korrektur (Topographie); eher für Detail-Untersuchungen am Boden und als Ergänzung zur
Interpretation anderer geophysikalischer Anomalien. Im wesentlichen: Abgrenzung von
lithologischen Einheiten, Struktur-Interpretation.
Zur Auffindung von Erzkörpern:
• hohe Schwere: massive Chromitite (aber meist zu kleine Erzkörper für Nachweis),
Hämatit/Magnetit-Erzkörper, eventuell Baryt, seltener: massive Sulfidlagerstätten; die
massive Sulfid-Lagerstätte Neves Corvo/Portugal, größte Lagerstätte im Iberischen
Pyritgürtel, gefunden durch Bohrungen in 350 m Tiefe auf einer gravimetrischen
Anomalie (detaillierte Boden-Gravimetrie); auch im Tiefbau (Bleiberg/Österreich:
Lokalisierung von dichten/schweren Pb-Zn-Erzkörpern).
• niedrige Schwere: Salzstöcke, verwitterte Kimberlite.
Daten können zur Abschätzung der Größe eines Körpers verwendet werden.
Seismische Methoden: laterale und vertikale Informationen, tief eindringend; hohe Kosten,
schwierige Interpretation vor allem im Größenbereich von Minerallagerstätten und in
Gebieten mit starker Tektonik und starker Alteration.
Zur Bestimmung von bedrock configuration (Kohle, Salz, Erdöl/Erdgas), Schichtgrenzen,
Schichtmächtigkeiten in Gebieten mit alluvialer Überdeckung (z.B in Placer-Exploration mit
Hammerschlagseismik), Bestimmung von Grundwasserhorizonten.
Ground penetrating Radar: ähnliche Bilder wie Seismik; nur wenige m bis 10er m
Eindringtiefe, stoppt an Grundwasserspiegel (Explorations-Verwendung in diesem Fall:
veränderte Abbaubedingungen unterhalb des Wasserspiegels, dadurch höhere Kosten);
Abbildung von Diskontinuitäten; verwendbar für Lokalisierung von Gängen und
Bruchzonen, Mächtigkeitsbestimmung des overburden, Lokalisierung alter Abbaue in
produzierender Lagerstätte, Suche nach alluvialen und marinen Seifenlagerstätten (auch
Paläochannels onshore, Stratigraphie, Mächtigkeit und Ausdehnung von Kies- und
Gerölllagen).
Bei Satellitenaufnahmen: Reflektionen an Oberflächenstrukturen.
Thermische Messungen:
Messung des thermischen Flusses oder der thermischen
Leitfähigkeit im Bohrloch, bzw. bei Remote sensing: thermal inertia (hier nur bis 5 cm
Eindringtiefe), Vergleich von Messergebnissen von Tages- und Nachtaufnahmen (verwendbar
für Kartierung zur Unterscheidung lithologischer Einheiten).
Bohrloch: für Geothermie, selten in der Mineralexploration (eventuell für oxidierende
Sulfid-Mineralisationen: Wärmeentwicklung (Grubenbrände durch rasch oxidierenden Pyrit
bekannt!) oder aktive hydrothermale Systeme).
Remote sensing (Infrarot-Messungen): geothermische Exploration, eventuell Nachweis
höherer Oberflächentemperaturen durch Sulfid-Oxidation.
Remote Sensing: Messung der spektralen Reflektion und des Albedo (Intensität der
diffusen Streuung des Lichtes), Oberflächeninformation. (s. Präsentation „Satelliten“), LaserLuminiszenz
Bohrloch geophysical logging: magnetisches und gravimetrisches logging selten, Seismik
und Radiometrie wichtig in Ölexploration, wenig in Mineralexploration. Hier:
Widerstandsmessung, IP, Elektromagnetik; mise à la masse (zur Untersuchung der
Fortsetzung von Mineralisationen zwischen Bohrlöchern mit angetroffener Mineralisation)
und andere Verfahren (s. Präsentation „Bohrungen“).
Aufgaben des Geologen
Entscheidungsfindung: welche Informationen werden erwartet? Was kann die Geophysik
(welche Verfahren) unter den gegebenen geologischen Bedingungen leisten? Welche
Informationen können nicht erwartet werden? Unter Budget-Aspekten (Geophysik ist eine der
teuersten Maßnahmen in der Exploration): gibt es eine (kostengünstigere) Alternative?
Planung in Zusammenarbeit mit Geophysiker!! (In-house-Geophysiker: einfach; andernfalls
mit unabhängigem Geophysiker als Consultant, nicht mit Kontraktor (Business-Interesse!):
geologische Information (Tektonik, Lithologie, Typ der erwarteten Mineralisation
(Erzminerale, massive oder disseminierte Vererzung, Alterationen)), bereits vorhandene
geophysikalische Ergebnisse.
Auswahl der Methode, der Instrumente und geophysikalische Strategie: Aufgabe des
Geophysikers, nicht des Geologen!
Wichtige Punkte zur Vorbereitung:
Beginn: Erstellung eines geophysikalischen Explorations-Modells:
• alle geologischen Informationen;
• Grenzen bezüglich Kosten, Zeit, zeitliche Abfolge
• Festlegen: Gebietsgröße, Detailgenauigkeit, Ausrichtung und Abstand der Messlinien
und Genauigkeit der Lokalisierung (survey line control), Format der Daten, eventuell
Auswertung, generelle Topographie, saisonale Bedingungen
Vorbereitung für Messungen
• Infos durch Geologen: geologische Bedingungen (Diskontinuitäten, lithologische
Kontraste für physikalische Charakteristika wie Dichte, Leitfähigkeit, magnetische
Suszeptibilität); Störquellen (natürliche (leitfähiges Overburden, Sumpfgebiete) und
künstliche (Pipelines, Bergwerke etc.); Zugangsbedingungen (Gelände, rechtliche
Fragen); Infrastruktur (Campsite, Reparatur- und Wartung etc.)
• Zeitraum (Jahreszeiteneinfluss) für Befliegung und Bodensurvey, KontraktorAuslastung, Einplanung zeitlicher Verzögerungen (Geräteausfall, Wetterbedingungen,
andere Probleme)
• Gemeinsame Geländebegehung über Anomalie, Aufschlüsse; eventuell Proben für
Messung im Labor
• Survey control: Karten, Luftbilder; Messlinien vorbereiten
• Planung von Bohrungen für Informationen über Stratigraphie, Mächtigkeiten,
Probenahme (Infos für Geophysiker und Geologen)
Koordinierung der Arbeiten für zusätzliche Kartierung, Ausdehnung des Messgebietes,
zusätzliche Messmethoden.
Schlussarbeiten: Dateninterpretation, zusätzliche geologische Informationen, Festlegung der
ersten Bohrpunkte.
Beispiele:
Regionaler Survey (einige 100 km2), aeromagnetische Karte vorhanden.
Fragen: ausreichende Information oder neuer, detaillierter Survey nötig?
Werden die Targets auf Magnetik reagieren, wird es lithologisch oder tektonisch begründete
Anomalien geben? Sollten gleichzeitig andere Verfahren (Elektromagnetik, Radiometrie)
angewendet werden (Zusatzkosten versus zusätzliche Information)? Topographie: Helikopter
oder Starrflügelflugzeug? Kosten für Kontrakt-Supervision und Interpretation?
Lokaler Survey auf massive Sulfide auf Prospekt von einigen km2: einige Erzkörper mit SP
(Eigenpotential) Survey im regionalen Gebiet lokalisiert, andere vermutlich nicht registriert.
Notwendig, neuen, detaillerten Survey mit SP durchzuführen (kostengünstiges Verfahren)
zusätzlich zu vorgesehener Anwendung anderer und teuerer Verfahren zur vollständigen
Evaluierung? Andere Methoden überall anwenden oder auf bestimmte Anomalien
beschränken?
Konflikte mit geochemischem Survey-Team: line cutting (Schneisen durch Vegetation) and
pegging (Markierung) auf regelmäßigem Muster, Distanzen aber nicht immer brauchbar für
Anwendung geophysikalischer Verfahren (Widerstandsmessungen, Elektromagnetik, IP mit
konstanten Kabel- oder Elektroden-Abständen, oft nicht mit Grid des geochem. Survey
übereinstimmend, dann zusätzliche Kosten für neue Schneisen etc.!).
Kontrakte
Mit Geophysiker als Adviser: z.B. Methoden, Survey-Parameter (z.B. Messlinienabstände
und Orientierung), Festlegung der Anforderungen an Endbericht und Datendarstellung.
Geophysiker: technische Fragen wie Toleranzen der Messgenauigkeit und der Navigation
(bei Air borne Survey), Instrumentenauswahl, Datenkontrolle und Verarbeitungsprozeduren.
Supervision der aktuellen Arbeit durch Geologen entsprechend Kontrakt (Sicherheit,
Umwelt, Tag-für-Tag Planung, volle Tagesleistung, gute und vollständige Feldnotizen,
Datenreduktion, Paperwork). Üblicherweise keine Interpretation (Kombination mit
geologischen Daten) mit Kontraktor vereinbart sondern mit unabhängigem oder in-houseGeophysiker.