Entwicklung der Theorie der Induzierten Polarisation mit Anwendungen zur Erkundung von strategischen Rohstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Weller
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425975038

Die Spektrale Induzierte Polarisation (SIP) gilt seit zwei Jahrzehnten als attraktives Forschungsfeld, da sie die Möglichkeit bietet, Grenzflächeneigenschaften von Geomaterialien zu untersuchen. Die SIP-Methode wird verstärkt in der Hydrogeologie, den Umweltwissenschaften, der Geotechnik und bei der Erkundung mineralischer Rohstoffe eingesetzt. Doch bis heute gibt es noch keine umfassende Theorie, die die physikalischen und chemischen Effekte der Induzierten Polarisation vollständig beschreibt. Einerseits sind die Rollen verschiedener Mechanismen (Grenzflächeneffekte, Diffusion von p- und n-Ladungen, elektromagnetische Induktion und der Maxwell-Wagner-Effekt) bei der Polarisation von metallischen Partikeln (MP) noch unklar. Andererseits beschreibt jedes mechanistische Modell der Gesteinspolarisation nur einen Effekt (Sternschicht-Polarisation, Membranpolarisation, Maxwell-Wagner-Effekt). Bisher gibt es kein Modell, das alle Mechanismen integriert. Das Projekt zielt darauf ab, die Verbindung zwischen den einzelnen Effekten herzustellen und ein vereinheitlichtes Modell der Polarisation für die MP und ein verbessertes Modell für die Gesteinspolarisation zu entwickeln.Um die Modelle zu überprüfen, werden umfangreiche Laborexperimente an natürlichen Proben von magmatischen und hydrothermal überprägten Gesteinen, die typisch für Erzlagerstätten sind, durchgeführt. Da die natürlichen Proben oft nicht einfach hinsichtlich Mineralbestand und Porenstruktur zu charakterisieren sind, werden zusätzlich synthetische Proben mit speziellen Eigenschaften hergestellt. Um die Modelle zu testen, werden die IP-Effekte durch numerische Lösungen der Nernst-Plank – Poisson-Boltzmann Differentialgleichungen mit der COMSOL-Multiphysics-Software gelöst. Wir beschäftigen uns mit zwei weiteren methodischen Aspekten der SIP-Datenbearbeitung. Experimentelle Daten werden häufig mit einer Debye-Zerlegung (DZ) ausgewertet. Da angenommen wird, dass nicht alle Polarisationseffekte durch eine Debye-Relaxation beschrieben werden können, wird der DZ-Ansatz auf Nicht-Debye-Relaxationen erweitert. Feldmessungen werden überwiegend mit Zeitbereichsmessungen (ZB) durchgeführt, während im Labor Frequenzbereichsmessungen (FB) eingesetzt werden. Um die ZB- und FB-Daten zu vergleichen, muss eine praxistaugliche ZB-FB-Transformation entwickelt werden.Die theoretischen und methodischen Ergebnisse sollen bei der Erzerkundung eingesetzt werden. Dazu wird ein Prototyp eines IP-Bohrlochinstruments entwickelt und in Erzlagerstätten getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Konstantin Titov, bis 3/2022