Marine Elektromagnetik

Marine Elektromagnetik ist ein geophysikalisches Explorationsverfahren zur Erkundung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung im Meeresuntergrund. Die elektrische Leitfähigkeit bzw. ihr Kehrwert der elektrische Widerstand ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung von Meeressedimenten, sowie zur Untersuchung der ozeanischen Kruste und Mantel.
Im Sediment hängt die Leitfähigkeit in erster Linie von der Porosität und von der Leitfähigkeit des Porenfluids ab. Salzhaltiges Meereswasser ist sehr gut leitend. Im Vergleich dazu sind natürliche Kohlenwasserstoffe wie Öl, Gas und Gashydrat extrem schlecht leitend. Wo sie sich im Porenraum bilden und ansammeln, ist der Gesamtwiderstand der Formation erhöht. In der Kruste und im Mantel spielen die Zusammensetzung der Gesteine, freie und gebundene Fluide, sowie partielle Schmelzen eine Rolle, deren Leitfähigkeiten gegenüber dem „normalen“ Ozeanboden stark erhöht sein können.

Der elektrische Widerstand (bzw. die elektrische Leitfähigkeit) natürliche Gesteine variiert über mehr als 10 Größenordnungen (modifiziert nach Gueguen and Palciauskas, 1994)

Allgemein unterscheidet man aktive elektromagnetische Verfahren (engl. controlled source electromagnetic, kurz CSEM) von passiven Verfahren (Marine Magnetotellurik). Marine CSEM wird zur Erkundung des flachen Meeresbodens bis zu 1-2 km Tiefe eingesetzt, hier vorrangig zur Exploration von Öl, Gas und Gashydratvorkommen sowie von Frischwasserlinsen und Sulfidlagerstätten. Magnetotellurische Messungen werden zur Exploration tiefer Sedimentbecken, Sub-Salz / Sub-Basalt Strukturen, sowie zur Untersuchung der tiefer gelegenen ozeanischen Kruste und Mantel eingesetzt. Der experimentelle Aufbau marin-elektromagnetischer Verfahren kann somit auf die gewünschte Untersuchungstiefe angepasst werden. Seismische und elektromagnetische Verfahren erreichen dabei ähnliche Eindringtiefen und werden zunehmend komplementär eingesetzt. Während seismische Verfahren strukturelle Schichtgrenzen abbilden, liefern elektromagnetische Methoden Volumeneigenschaften und eignen sich zur Charakterisierung und Quantifizierung des Porenfluids.

Ausbreitung des elektrischen Feldes von einem horizontalen elektrischen Dipol am Meeresboden Quelle: BGR

Die Ausbreitung aktiver elektromagnetischer Felder beruht auf der Diffusion eines zeitlich veränderlichen elektrischen oder magnetischen Dipolfelds in einem elektrisch leitenden Medium. Die Stärke und Eindringtiefe des elektromagnetischen Felds hängt zum einen vom anregenden Dipolmoment ab, also von der Länge des Dipols und der eingespeisten Stromstärke, zum anderen von der Frequenz und vom Widerstand bzw. von der Leitfähigkeit des Mediums. Das bedeutet, durch Messungen des elektrischen und/oder magnetischen Felds über einem Reservoir lässt sich die Natur des Reservoirinhalts charakterisieren und die Verteilung und Konzentration abschätzen.

An der BGR werden marine CSEM Methoden, Geräte und Auswerteverfahren zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung im flachen Meeressediment weiterentwickelt und eingesetzt. Das Anwendungsgebiete umfassen derzeit die Erkundung von submarinen Gashydratvorkommen (Projekte SUGAR und NEMESYS) mittels HYDRA sowie die Exploration von Massivsulfidvorkommen in den deutschen Lizenzgebieten im SW Indischen Ozean mit der neuen CSEM Geräteplattform GOLDEN EYE.