Universität zu Köln

Mörbe, Wiebke (2020). Deep Controlled Source Electromagnetics for Mineral Exploration: A Multidimensional Validation Study in Time and Frequency Domain. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The focus of this thesis is the derivation of an independent multidimensional resistivity model utilising land based controlled source electromagnetics (CSEM) with resolution to conductive structures down to 1 km depth. Data is evaluated in both, time and frequency domain. Since the resistivity distribution is strongly multidimensional, besides conventional 1D inversion methods, 2D inversion techniques are applied to the dataset. The objective of the BMBF funded DESMEX (Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration) project is the development of an electromagnetic exploration system which can be used for the detection and assessment of deep mineral resources. In order to obtain a high data coverage as well as a high spatial and depth resolution, airborne and ground based methods are combined in a semi-airborne concept. In the framework of the DESMEX project, the University of Cologne conducted large scale ground based long offset transient ­electromagnetic (LOTEM) measurements along an 8.5 km long transect in a former mining area in eastern Thuringia, Germany. Within the LOTEM validation study, an independent multidimensional resistivity model of the survey area was derived, which serves as a reference model for the semi-airborne concept developed within DESMEX and is eventually integrated into a final mineral deposition model. Utilising in total 6 transmitters in broadside configuration, data at 170 electric field stations were recorded during two large scale LOTEM surveys. In addition, a full component magnetic field dataset was acquired with SQUID sensors using a dense station spacing along the transect. For a preliminary evaluation, conventional 1D techniques are applied to the dataset. The individual switch on transients of the electric field can be explained by a 1D approach, the obtained models however indicate a strong multidimensional subsurface with rather large variations in resistivity. For further interpretation, the LOTEM data is analysed in frequency domain. Obtained 1D and 2D inversion models of the electric field component in frequency domain are in a good agreement with the time domain results. Subsequently, a joint multidimensional inversion of the full dataset in frequency domain was carried out, including electric and magnetic field data. Derived 2D inversion models are discussed in terms of sensitivities and resolution capabilities. Shallow high conductive structures are well comparable to inversion results from other conducted reconnaissance surveys and the semi-airborne CSEM model. The dominant conductivity structures can be linked to the occurrence of Silurian graptolite shales.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung eines unabhängigen Leitfähigkeitsmodells mit Hilfe von bodengebundenen Controlled Source Electromagnetic (CSEM) Messungen, welches Leitfähigkeitsstrukturen bis in 1 km Tiefe auflösen kann. Gemessene Daten werden sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich ausgewertet. Da die Leitfähigkeitsverteilung deutliche Eigenschaften von Mehrdimensionalität aufweist, werden neben 1D Auswertemethoden auch 2D Inversionsalgorithmen angewandt. Ziel des BMBF geförderten DESMEX Projektes (Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration) ist die Entwicklung eines elektromagnetischen Explorationsverfahrens, welches für die Detektion und Bewertung tiefer mineralischer Lagerstätten eingesetzt werden kann. Um sowohl eine hohe flächenhafte Datenabdeckung als auch eine hohe räumliche und vertikale Auflösung zur ermöglichen, werden bodengebundene und luftgestützte Systeme in einem Semi Airborne Konzept kombiniert. Im Rahmen des DESMEX Projektes führte die Universität zu Köln bodengebundene Long Offset Transiente Elektromagnetische (LOTEM) Messungenen entlang eines 8.5 km langen Profils in einem ehemaligen Abbaugebiet in Ostthüringen, Deutschland durch. Im Rahmen der LOTEM Validierungsstudie soll ein mehrdimensionales Leitfähigkeitsmodell abgeleitet werden, das als Referenzmodell für das neue Semi Airborne Konzept dient und in ein gemeinsames Lagerstättenmodell eingebunden wird. Im Rahmen von zwei großskaligen LOTEM Messkampagnen wurden unter Nutzung von 6 Sendern in Broadside Konfiguration Daten an 170 elektrischen Feld Stationen aufgezeichnet. Zusätzlich wurden die 3 Komponenten des Magnetfeldes mit dichtem Stationsabstand entlang des Profils mit einem SQUID Magnetometer aufgenommen. Als ersten Auswerteansatz wurden konventionelle 1D Inversionsroutinen auf den Datensatz angewendet. Die aufgezeichneten Switch-On Transienten des elektrischen Feldes können mit einer 1D Leitfähigkeitsverteilung erklärt werden. Die abgeleiteten 1D Leitfähigkeitsmodelle deuten allerdings auf eine deutlich mehrdimensionale Leitfähigkeitsverteilung mit starken Kontrasten entlang des Profils hin. Für eine weiterführende Interpretation wurde der Datensatz im Frequenzbereich ausgewertet. Die abgeleiteten 1D und 2D Inversionsmodelle im Frequenzbereich stimmen gut mit den Ergebnissen im Zeitbereich überein. Daher wurden im Anschluss eine gemeinsame, mehrdimensionale Inversion des elektrischen und magnetischen Datensatzes durchgeführt. Sensitivitäten und Auflösungseigenschaften der abgeleitete 2D Modelle in Zeit- und Frequenzbereich werden diskutiert. Oberflächennahe Leitfähigkeitsstrukturen stimmen gut mit den Inversionsergebnissen von luftgestützten Voruntersuchungen und dem Semi Airborne Modell überein und korrelieren mit dem Auftreten silurischer Schwarzschiefer. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mörbe, Wiebke moerbe@geo.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-106963
Date:	February 2020
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Electromagnetic Methods English CSEM English LOTEM English Time Domain English DESMEX English
Date of oral exam:	25 November 2019
Referee:	Name Academic Title Tezkan, Bülent Prof. Dr. Hördt, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10696