|
|
Institut für Geophysik der TU Clausthal |
Magnetisches Profil über eine 2D-Struktur
Gelände-Praktikum am Institut für Geophysik der TU Clausthal
Applet ( in separatem Fenster )
Bedienungsanleitung
DEMO-Version : Keine Ein- / Ausgabe, nur Beispiel Daten oder Mess- / Modelldaten als Appletparameter
VOLL-Version : Ein- / Ausgabe eigener Daten möglich
( Funktioniert mit dem Appletviewer aus einem JDK_1.1.x, wenn in
.hotjava/properties mit acl.read= und acl.write= der Pfad
für die Daten- / Modell-Files angegeben wird. )
Die Sicherheitseinschränkungen von Applets, insbesondere unter einem
Browser wie Netscape, Explorer etc., entfallen bei einer Application, die
unter einem Java Runtime System ( JRE ) abläuft.
s. Download
Das Applet simuliert eine geomagnetische Feldaufnahme auf einem Profil
beliebiger Richtung über ein zweidimensionales Untergrundmodell
beliebiger Streichrichtung.
Das Modell besteht aus der Oberfläche eines Halbraums, in den bis zu
sechs 2-d Strukturen ( 2-d Körper beliebigen Querschnitts /
Liniendipole ) eingelagert sind.
Die Modellrechnung basiert auf Talwani's Algorithmus für homogen magnetisierte, zweidimensionale Körper.
Die 2-d Näherung deckt zahlreiche praktische Fälle ab, bei denen die
Erstreckung geologischer Strukturen in Streichrichtung sehr viel
größer ist als die Dimensionen eines vertikalen Querschnitts.
Die Annahme einer homogenen Magnetisierung kann zwar nur bei elliptischen
Querschnitten exakt erfüllt sein, führt aber zu tolerablen Fehlern,
zumindest bei "schwach" magnetisierten Körpern, d.h. wenn das
innere Magnetfeld wesentlich schwächer ist als das lokale Erdfeld.
Neben den 2-d Körpern kann ein Modell auch Liniendipole umfassen,
- um die Erfassung von 2-d Strukturen zu vereinfachen, deren
Querschnittsdimensionen wesentlich geringer sind als ihr Abstand von den
Beobachtungspunkten auf dem Profil,
und
- um durch eine Darstellung der Feldlinien die Zerlegung des Feldvektors in
Komponenten eines lokalen Koordinatensystems und die
Überlagerung von Erd- und Störfeld zu verdeutlichen.
Die Topographie entlang eines Messprofils kann durch die Modellierung einer Erdoberfläche berücksichtigt werden.
Praktikumsversuch :
Messung der Vertikal- und Horizontalkomponente mit einem Fluxgate-Magnetometer
auf einem 38 [m] langen NS-Profil über einen ca. 10 [m] langen,
EW-streichenden "Störkörper" ( eine Reihe von
Heizkörpern aus Gußeisen, Oberkante ca. 0.7 [m] unter der
Erdoberfläche ).
Erläuterungen :
Modellrechnung
Koordinaten
KomponentenHOWTO :
Applet / Dialog-Fenster
Messhöhe ...
Dialog DATA I/O
Dialog MODEL I/OGraphik :
Zur Berechnung des Magnetfeldes in einem Aufpunkt außerhalb eines
magnetisch wirksamen Körpers muß über die Beiträge aller
infinitesimalen Volumenelemente des Körpers summiert ( integriert )
werden.
Im Falle einer homogenen, d.h. im gesamten Körper konstanten,
Magnetisierung und für einen Aufpunkt außerhalb des Körpers
kann diese Rechnung stark vereifacht werden durch die Annäherung der
Oberfläche des Körpers durch ebene Dreiecke, und eine Transformation
des Volumenintegrals in ein Integral über die
Oberfläche, und schließlich in ein Linienintegral über
die Dreiecksseiten.
Diese, für dreidimensionale Strukturen anwendbare, und je nach
räumlicher Auflösung einer Struktur immer noch sehr zeitaufwendige
Rechnung, kann für zweidimensionale Körper weiter vereinfacht
werden, wenn deren Querschnitt durch ein Polygon angenähert werden kann,
über dessen stückweise geradlinigen Umfang die Integration zu
erstrecken ist.
Als Ergebnis der impliziten Integration über die ( unendliche )
Erstreckung in Streichrichtung einer 2-d Struktur heben sich Beiträge
von Komponenten der Magnetisierung sowie Feldkomponenten parallel zum
Streichen auf,
d.h. die Felvektoren liegen in einer Ebene senkrecht zum Streichen der
Struktur, und
lediglich die Projektion der Magnetisierung in diese Ebene
( = Bildebene des Fensters MOD, s. unten ) liefert einen
Beitrag zum Ergebnis.
Im Falle eines Liniendipols bezeichnet "remanent" ( REM ) ein magnetisches Moment beliebiger Amplitude und Richtung ( in einer Ebene sekrecht zum Streichen ), "induziert" ( IND ) ein Moment parallel zum lokalen Erdfeld und proportional zu dessen Feldstärke, wobei auch hier lediglich die Projektion in eine Ebene senkrecht zum Streichen zu berücksichtigen ist.
Für die induzierte Magnetisierung und die Überlagerung von Normal- und Anomaliefeld wird das lokale Erdfeld innerhalb der Dimensionen von Modell und Messgebiet als konstant angenommen.
Komponenten des Magnetfeldes :
Dem entspricht eine Vertikalkomponente von
Z = T * sin(INC), positiv n. unten,
und eine Horizontalkomponente von
H = T * cos(INC), nach magnetisch Nord zeigend.
Die Horizontalkomponente kann in eine ( geographische ) Nord- und eine Ost-Komponente zerlegt werden
N = H * cos(DEC) und E = H * sin(DEC),
was in der praktischen Anwendung eine sehr genaue absolute Ausrichtung des Messgerätes erfordert ( bei H = 20000 [nT] muß das Gerät auf ca. 10 Bogensekunden genau augerichtet werden, um den Fehler in der Ostkomponente kleiner als 1 [nT] zu halten ).
Innerhalb der Dimensionen eines Messgegiets wird das lokale Erdfeld als konstant angenommen, und die Abnahme des Betrages mit der Höhe von ca. -15 [nT/km] am magnetischen Äquator, ca. -30 [nT/km] an den magnetischen Polen, sowie die Zunahme mit der magnetischen Breite von ca. +4.5 [nT/km] ( in mittleren Breiten ) werden vernachlässigt.
Bei Geländemessungen in der Angewandten Geophysik wird meistens der Betrag des Feldes ( Totalintesität, T, ! ohne Information über die Orientierung des Feldvektors ! ) beobachtet, und / oder die Änderung der Vertikalkomponente DEL_Z bezüglich eines Basispunktes ( was für jeden Messpunkt lediglich die über Libellen vergleichsweise einfach und schnell durchzuführende Horizontierung des Gerätes erfordert ).
Zur Messung von Änderungen DEL_H der Horizontalkomponente wird das Messgerät meist nach magnetisch Nord ( z.B. Kompass ) ausgerichtet, wobei geringe lokale Variationen dieser Richtung aufgrund des überlagerten Feldes eines Störkörpers im Untergrund vernachlässigt werden.
Bei Messungen zur Erfassung sehr oberflächennaher Strukturen können "langsame" zeitliche Schwankungen des Erdfeldes ( Tagesgang ) und großräumige regionale Feldänderungen weitgehend eliminiert werden durch die Bildung eines räumlichen Differenzenquotienten als Näherung für den Gradienten des Feldes :
Die Gradienten der Vertikal- und der Horizontalkomponente können im
Appletmenue zwar zur Information angewählt werden, haben aber wegen der
aufwendigen Geräteausrichtung nur geringe praktische Bedeutung.
Lediglich der Horizontalgradient in Profilrichtung kann ggf. nach einer
hinreichend genauen Tagesgangkorrektur und bei hinreichender Punktdichte aus
den Profildaten berechnet werden.
Applet / Dialog-Fenster ( Screenshot ) :
DATA I/O öffnet / schließt ein Dialogfenster zum Einlesen und Auflisten der Geometriedaten und der Messwerte eines Profils.
Mit NO INP / CMP 1 ... wird eine von max. 3 Komponenten des Datensatzes ausgewählt zur graphischen Darstellung und zum Vergleich mit für ein Untergrundmodell brechneten Werten.
Die beiden Textfelder rechts daneben beschreiben den eingelesenen Datensatz ( Filename / Beispiel xx / Applet Param. ) und die ausgewählte Komponente ( Name, Messhöhe etc. ).
MODEL I/O öffnet / schließt ein Dialogfenster zum Einlesen und Auflisten von Geometriedaten und magnetischen Eigenschaften eines Untergrundmodells aus der Erdoberfäche und max. sechs Teilstrukturen ( 2-d Körpern / Liniendipolen ).
Mit SAVE ACT / REST SVD MOD kann der aktuelle Zustand eines Modells gesichert und ein zuvor gesicherter Zustand restauriert werden.
In den beiden Dialogfeldern SENSOR / GRADIENT COMPONENT können max. drei Komponenten des berechneten Feldes zur Darstellung im Fenster PRO (s. unten ) ausgewählt werden.
In der Zeile SCALING lassen sich drei Skalierungsfaktoren für die Profilkoordinaten, die Modelldimensionen und die Messhöhe einstellen.
STOP ( im Applet ) schließt alle Fenster,
EXIT ( in der Application ) beendet das Programm.
Zum InhaltsverzeichnisPanel H_SENSOR / Menue SENSOR / GRADIENT COMPONENT :
Um eine graphische Darstellung mehrerer Komponenten in gleicher Skalierung zu ermöglichen ( im Fenster PRO ) werden nur die Abweichungen ( DEL_T, DEL_Z und DEL_H ) vom ungestörten lokalen Erdfeld dargestellt, und die Auswahl im Menue SENSOR / GRADIENT COMPONENT ist auf die Komponenten einer Zeile oder einer Spalte beschränkt.
Dabei geben DEL_Z und DEL_H direkt die entprechenden Komponenten des Feldes
einer Untergrundstruktur wieder, während DEL_T als Differenz des
Betrages der Vektorsumme aus Erdfeld und Störkörperfeld und des
Betrages des ungestörten Erdfeldes ( Totalintensität, T ) brechnet
wird.
Die Absolutwerte können durch Addition der im Fenster SRV aufgelisteten
Bezugswerte ( Lokalfeld ) abgeschätzt werden.
! Nach dem Einlesen von Messdaten und der Auswahl einer der gemessenen Komponenten ( s. DATA I/O und CMP 1 ... ) sind das Panel H_SENSOR, die Dialogfelder SENSOR / GRADIENT COMPONENT und die Skalierung von Profil und Messhöhe inaktiv, da die dort einstellbaren Parameter durch die Messdaten festgelegt sind !
Zum Inhaltsverzeichnis
Für die geographischen Koordinaten und die Höhe des
Messgebietes und das Datum der Feldaufnahme wird das lokale
Magnetfeld durch eine Reihenentwicklung nach Kugelflächenfunktionen
( max. Grad / Ordnung = 10 ) angenähert.
Die hier benutzten Koeffizienten des Referenzmodells ( International
Geomagnetic Reference Field, IGRF ) der International Association of
Geomagnetism and Aeronomy, ( IAGA ) werden bereigestellt vom
National Geophysical Data Center
( NGDC ), USA.
Im unteren Teil der Abbildung sind Richtung und Betrag des lokalen Feldes aufgelistet und in einer lokalen Horizontalebene ( links ) und einer lokalen Vertikalebene ( rechts ) graphisch dargestellt.
! Der Plan soll lediglich horizontale Ausdehnung und Orientierung von Profil und Modell verdeutlichen, d.h. die Tiefenlage von in der Projektion überlappenden Strukturen ist nicht berücksichtigt und der Effekt, daß eine Struktur ggf. eine andere vedeckt, spiegelt lediglich deren Positionen in einer Tabelle wieder, die nach aufsteigendem Index abgearbeitet wird !
Die Referenzlinie für das gesamte Modell ( magenta ) entspricht dessen "Schwerpunkt" im Vertikalschnitt und ein Pfeil ( +X, magenta ) zeigt in die pos. x-Richtung des Modellquerschnitts ( Fenster MOD ).
Der Ursprung des Koordinatensystems ( = 0 [m] E, 0 [m] N ) entspricht der geographischen Länge ( LON ) und Breite ( LAT ) des Messgebiets, die zusammen mit der Deklination ( DEC ) des Lokalfeldes in einer Überschrift aufgelistet sind.
Mit dem Mauszeiger über den Buchstaben DEC werden die aktuellen
Werte für Totalintensität, Horizontal- und Vertikalkomponente des
ungestörten lokalen Erdfeldes angezeigt,
die linke Maustaste zeigt einen einen roten Nord-Pfeil
( mag. N = Richtung der Horizontalkomponente des ungestörten
Erdfeldes ),
die rechte Taste löscht den Pfeil.
Befindet sich der Mauszeiger über dem Schnittpunkt von Profil und
Referenzlinie des Modells, werden aktuelle Parameter von Profil und Modell
aufgelistet :
die Koordinaten des Schnittpunktes ( E/N_REF [m] und
S_MOD [m] ) sowie
Azimuth des Profils und Streichrichtung des Modells.
Menue-Feld ( am oberen Bildrand ) :
- Mit MODEL, PROFILE und ROT BOTH
- werden die erlaubten Mausaktivitäten angewählt :
- Modell und Profil können einzeln und gemeinsam gdreht werden,
- das Profil kann an den Enden verlängert / vekürzt ( linke Maustaste ) und verschoben ( rechte Taste ) werdrn.
- UNDO
- macht die letzte Änderung rückgängig.
! Nach dem Einlesen von Messdaten und der Auswahl einer gemessenen Komponente ( s. DATA I/O und CMP 1 ... ) ist das Profil durch die Messdaten festgelegt und kann nicht mehr verändert werden !
- ZOOM ONLY
- keine Parameteränderungen möglich.
- MOVE MOD / STR
- das Modell oder eine angewählte Teilstruktur kann vertikal oder horizontal verschoben werden am entsprechenden "Balken" oder am Zentrum ( ver. + hor. ) des jeweiligen "Fadenkreuzes".
- ROTATE / SHEAR
- das Modell oder ein angwählter 2-d Körper kann
- gedreht werden ( linke Maustaste ),
- horizontal oder vertikal geschert werden ( rechte Taste )
- an einem "Balken" des jeweiligen "Fadenkreuzes"
( Fixpunkt = Zentrum des "Fadenkreuzes" ).- Horizontale und vertikale Scherung ermöglichen es, bei shräg einfallenden Strukturen mit relativ gut bekannter horizontaler Oberkante oder in verikalem Kontakt zu einer Nachbarstruktur den Einfallswinkel zu variieren, ohne deren Volumen ( hier Fläche des Querschnitts ) und horizontale / vertikale Begrenzung zu verändern.
- MODIFY POINT
- die Eckpunkte des angewählten Polygons ( 2-d Körpers ) lassen sich mit der Maus
- vershieben
- und
- eliminieren ( min = 3 Punkte/Körper ), wenn sie exakt über einen ihrer Nachbarn positioniert werden.
- Ein neuer Eckpunkt kann auf einer Polygonseite hinzugefügt werden ( max = 32 Punkte/Körper ).
- MAGNETIZATION
- der Betrag von iduzierter oder remanenter Magnetisierung / von "induziertem" oder "remanentem" Dipolmoment kann verändert werden,
- die remanente Magnetisierung / das "remanente" Dipolmoment kann in der Vertkalebene gedreht werden.
- Die Änderung betrifft die angewählte Teilstruktur oder alle Strukturen gleichen Typs ( 2-d Körper / Liniendipole ).
- EXCLUDE / INCLUDE STRUCT
- der Beitrag aller Teilstrukturen oder einer angewählten Teilstruktur wird bei der Modellrechnung ausgenommen / eigeschlossen,
- um den Beitrag einzelner 2-d Körper / Liniendipole zum Gesamtfeld des Modells besser überschaubar zu machen.
( Beim Anwählen einer Teistruktur mit STRUCTURE 1 ... wird diese automatisch in die Berechnung eingeschlossen, SURFACE muß explizit mit INCLUDE eingeschlossen werden. )- COPY STRUCT
- kopiert eine angewählte Struktur rechts neben das bereits existierende Modell.
- ADD NEW BODY / DIPOLE
- fügt dem Modell einen weiteren 2-d Körper / Liniendipol mit "default" Parametern hinzu.
- REMOVE STRUCT
- entfernt ( ! endgültig ! ) eine angewählte Teilstruktur aus der Strukturtabelle des Modells.
Befindet sich der Mauszeiger über dem "Schwerpunkt" des Modells oder einer Teilstruktur, werden dessen Koordinaten ( Z / X_REF in der Bildenene, S_PRO = Schnittpunkt der entspechenden Referenzlinie im Fenster MAP mit dem Profil ) und magnetische Eigenschaften ( MAG / MOM und INC = Betrag und Inklination der effektiven Magnetisierung / des effektiven Moments ) angezeigt.
Das Fenster zeigt eine graphische Darstellung von Messdaten und / oder von Daten, berechnet mit den aktuellen Parametern von Messgebiet, Profil und Modell.
Wenn keine Messdaten für die graphische Darstellung ausgewählt sind ( s. DATA I/O und CMP 1 ... ), können bis zu drei berechnete Komponenten aus dem Menue SENSOR / GRADIENT COMPONENT dargestellt werden.
Menue-Feld oben :
- ADJ MOD
- ermöglicht das Verschieben des Modells ( d.h. seines Schnittpunkts mit dem Profil ) längs des Profils,
- und
- aktiviert die Menuepunkte AUTO und APPLY, wenn zum berechneten Feld nur eine Teilstruktur beiträgt ( s. STRUCT 1 ... / SURFACE und EXCLUDE / INCLUDE STRUCT im Fenster MOD ) :
- AUTO passt im dargestellten Profilausschnitt ( s. Zoom ) die berechnete Komponente an die Messwerte an, und bestimmt einen Betrag der Magnetisierung / des magn. Moments, der mit
- APPLY auf die Teilstruktur angewandt wird
( Skalierung von ind. und rem. Anteil ).
- UNDO
- macht die letzte Änderung rückgängig.
Wenn Messdaten eigelesen sind und eine der gemessenen Komponenten ausgewählt ist, erscheint ein zweites
Menue-Feld unten :
- Mit OBS / CALC DATA / OBS + CALC werden
- Messdaten als blaue Rechtecke
- und/oder
- berechnete Werte als rote Kurve
- dargestellt.
Ein den Messwerten evtl. überlagertes Regionalfeld, verursacht durch großräumige / tiefer liegende Strukturen, kann durch ein Polynom max. 6. Grades ( REG FIELD POLYNOME NONE / DEG 0 ... ) angenähert werden.
Die Eingangswerte für die Bestimmung der Polynomkoeffizienten werden mit der linken Maustaste ausgewählt ( graues Rechteck ) und durch ausgefüllte blaue Quadrate gekennzeichnet,
mit der mittleren / rechten Taste können Messwerte ausgenommen werden.Die Darstellung des Regionalfeldpolynoms wird festgelegt durch
SHOW FCT = kein Polynom, Daten wie eingelesen / berechnet,
SHOW REG = Messdaten wie eingelesen sowie Polynom + berechnete Daten,
FCT - REG = Messdaten - Polynom sowie brechnete Daten.
Download :
Die benötigten Class-Files sind verfügbar
für die DEMO-Version ( Applet )
als
zip-File und als
.tar.gz-File,
und
für die VOLL-Version ( Applet + Application )
inkl. Beispiel-Files für Modell und Messdaten
als
zip-File und als
.tar.gz-File.
Das für die Application benögte Java Runtime Environment ( JRE ) ist bei Sun Microsystems, Inc. für verschiedene Plattformen verfügbar.
Bei beiden Versionen ist ein HTML-File enthalten, das mit
Beispiel : Profilmessung als Applet Parameter
<PARAM name="MES" value="Die mit "#XXX>" beginnenden Header-Zeilen enthalten überwiegend Benutzerinformationen.
Lediglich das mit "#DAT>" angegebene Messdatum wird an SRV zur Berechnung des lokalen Normalfeldes übergeben
und
- "#SOD>" beschreibt das Format der Messdaten :
- "S=1=0."
=> Profilkoordinate S_Pro in Spalte 1, Azimuth A_S2n = 0 [deg],
( Profil S -> N )- "C=2-3=DEL_Z=1.20=DEL_H=1.20"
=> gemessene Komponenten in den Spalten 2 bis 3,
=> Spalte 2 = Delta_Z, Messhöhe H_Mes = 1.20 [m],
=> Spalte 3 = Delta_H in Richtung mag. N, Messhöhe H_Mes = 1.20 [m],
- ( alternativ "C=2,3" ... , und für Delta_H :
"DEL_M" = "DEL_H" => magn. N,
"DEL_G" => geogr. N,
"DEL_S" => in Profilrichtung,
"DEL_Q" => senkrecht zum Profil ),- "L=10.3=51.8=600."
=> Koordinaten des Messgebietes ( geogr. Länge u. Breite, Höhe ü. NN, hier Clausthal, s. Fenster SRV ),
- ( alternativ :
"L=CLZ" => Koordinaten und Normalfeld für Clausthal,
oder
"N=48700.=0.=67.0" => totalintensität, Deklination und Inklination im Messgebiet, hier Clausthal ),- "CPL=3"
=> Daten-Liste mit 3 Spalten/Zeile.
Beispiel : Modell als Applet Parameter
<PARAM name="MOD" value="
Nur die mit "#XXX>" beginnenden Zeilen werden
interpretiert,
das Zeichen "!" markiert Kommentarzeilen mit
Benutzerinformationen, die das Erstellen / Editieren eines Modells
erleichtern sollen.
Modellrechnung :
D_X = X(N_Ref,E_Ref,A_X2n) + X_Off(SRF/BDY) + X_Pnt - X(S_Pro,Q_Pro,A_S2n)
D_Z = Z_Ref + Z_Off(SRF/BDY) + Z_Pnt + H_Mes
Weitere Applets : Keller-clz.de
Rev. 27-Jul-2005
Wie auch bei Produkten von Weltkonzernen üblich, wird der Benutzer / Anwender als unfreiwilliger Tester eingestzt.
Daher :
Kommentare bitte an
Fritz Keller
( ned gschempfd isch globd gnueg )
| Zum Anfang | | | Inhaltsverzeichnis | | | HOWTO | | |