Laboratory investigations and theoretical considerations on the electrical properties of seafloor massive sulfides
Final Report Abstract
Marine Massivsulfide sind Erzgesteine, die in Regionen mit untermeerischer vulkanischer Aktivität gefunden werden, z.B. an mittelozeanischen Rücken. Sie haben ein hohes Potential, substanziell zur globalen Versorgung mit wichtigen metallischen Rohstoffen beizutragen. Um solche Gesteine zu finden und zu charakterisieren, werden geophysikalische Messungen eingesetzt. Methoden, welche die elektrische Leitfähigkeit bestimmen, sind besonders gut geeignet, weil die Leitfähigkeit der Erzgesteine in der Regel deutlich höher ist, als die der umgebenden Gesteine. Zudem kann die frequenzabhängige Messung der elektrischen Leitfähigkeit, quantifiziert über die sogenannte Polarisierbarkeit, wichtige Informationen liefern, z.B. über den Mineralgehalt oder über die Art der vorhandenen Metalle. Über die genauen elektrischen Eigenschaften, und insbesondere über die Polarisierbarkeit von marinen Massivsulfiden, ist bisher wenig bekannt. Dies liegt unter anderem daran, dass Gesteinsproben nicht in großer Stückzahl allgemein zugänglich sind. Zudem liegen die Proben in der Regel als unförmige Handstücke, und nicht in Zylinderform vor, was aber notwendig ist, um sie mit konventionellen Verfahren im Labor zu untersuchen. Das Entnehmen von Zylinderproben aus den Handstücken ist wegen deren Wert oft nicht erlaubt, oder wegen der mechanischen Eigenschaften des Materials nicht möglich. In diesem Vorhaben wurde eine Methode entwickelt, mit der sich beliebig geformte Proben im Labor elektrisch vermessen lassen. Hierzu werden die Proben in ein leitendes Material mit bekannten elektrischen Eigenschaften, in diesem Fall Quarzsand, eingebettet. Die eingebettete Probe kann dann mittels konventioneller zylinderförmiger Probenhalter vermessen werden. Mittels einer geeigneten Theorie und numerischen Simulationen lassen sich die Eigenschaften der Probe aus denen des Gesamtmaterials berechnen. Die Methode wurde auf einen speziellen Probensatz von marinen Massivsulfiden angewandt, der ausnahmsweise in Zylinderform vorliegt, so dass die Ergebnisse mit der direkten Messung an den Zylindern verglichen werden konnten. Die Ungenauigkeiten der neuen Methode liegen im Rahmen des Erwartbaren. Angesichts dessen, dass die Proben in der Regel heterogen sind und die Charakterisierung auch bei direkten Messungen einer großen Streuung unterliegt, ist das hier entwickelte Verfahren für die Praxis ausreichend genau. Für das Auffinden und die Charakterisierung der marinen Massivsulfide mit elektrischen Verfahren ist auch das theoretische Verständnis der physikalischen Prozesse wichtig, welche die Frequenzabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit steuern. Bisherige Theorien gehen davon aus, dass die Polarisierbarkeit durch eine Interaktion der elektrisch leitenden Minerale mit einem im Porenraum vorhandenen Elektrolyten hervorgerufen wird. Um diese Annahme zu überprüfen, wurde eine Experimentreihe mit getrockneten Proben durchgeführt. Hierfür musste u.a. ein neues, geeignetes Material gefunden werden, um die Proben an die Messelektroden anzukoppeln, da das üblicherweise verwendete Gel sich wegen der Abgabe von Wasser als ungeeignet erwies. Handelsübliche Knete stellte sich als am besten geeignet heraus, da sie formbar, trocken und elektrisch hinreichend gut leitend ist. Die Experimentreihe ergab eindeutig, dass die Polarisierbarkeit der Proben durch die Trocknung nicht verschwindet. Das Ergebnis ist überraschend und wichtig, da es bedeutet, dass die bisherige Theorien die physikalischen Prozesse nicht hinreichend beschreibt und neue Ansätze erforderlich sind.
Publications
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2019. Laboruntersuchungen von marinen Massivsulfiden mittels Spektraler Induzierter Polarisation. 79. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Braunschweig
Lührs, M., Hördt, A.
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2021. Impedanzelektrische Vermessung von eingebetteten marinen Massivsulfiden. 81. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel
Lührs, M., Glebe, R., Hoppenbrock, J., Hördt, A.
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2021. Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation an trockenen marinen Massivsulfiden. 81. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Kiel/online
Lührs, M., Glebe, R., Hoppenbrock, J., Hördt, A.
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2022. Estimating spectra of embedded ore samples. 6th international workshop on induced polarization, Annecy
Lührs, M., Hördt, A.
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2022. Measurement of dried seafloor massive sulphides. 6th international workshop on induced polarization, Annecy
Lührs, M., Hördt, A.
