Multi-dimensional Resistivity Models of the Shallow Coal Seams at the Opencast Mine 'Garzweiler I' (Northwest of Cologne) inferred from Radiomagnetotelluric, Transient Electromagnetic and Laboratory Data

Farag, Karam S. I. (2004). Multi-dimensional Resistivity Models of the Shallow Coal Seams at the Opencast Mine 'Garzweiler I' (Northwest of Cologne) inferred from Radiomagnetotelluric, Transient Electromagnetic and Laboratory Data. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The entire Cenozoic unconsolidated fill of the Lower Rhine Embayment in Germany hosts the largest single lignite, or brown coal, deposit in Europe which covers an area of some 2,500 km2 to the northwest of Cologne. Rhineland brown coal is mined in large-scale opencast mining and accounts for around one-quarter of the public electricity supply in Germany. The present study was devoted to carrying out radiomagnetotelluric (RMT) and transient electromagnetic (TEM) investigations over the shallow coal seams at the opencast mine 'Garzweiler I.' The main objectives of the survey were to highlight the applicability and efficiency of RMT and TEM methods in an area like brown coal exploration, and to image the vertical electrical resistivity structure of these coal seams. Therefore, the vertical and lateral resolution capabilities of such methods were as necessary as the ability to cover large areas. Consequently, a total of 86 azimuthal RMT and 33 in-loop TEM soundings were carried out along six separate profiles over two opencast benches at the 'Garzweiler I' mine. The local stratigraphy at the survey areas comprises a layer-cake sequence, from top to bottom, of Garzweiler, Frimmersdorf and Morken coal seams embedded in a sand background, consisting of Surface, Neurath, Frimmersdorf and Morken Sands. A considerable amount of clay and silt intervenes the whole succession. The data were interpreted extensively and consistently in terms of one-dimensional (1D) RMT and TEM resistivity models, without using any complex multi-dimensional interpretation. However, the presence of thin, surficial clay masses (or lenses) broke down such interpretation scheme. In this case, to greatly improve the resistivity resolution for these surficial masses and the underlying coal seams, two-dimensional (2D) RMT and three-dimensional (3D) TEM interpretations have been carried out. They could be used effectively to study the local EM distortion on the measured data, where these surficial masses were found, as well as to cross-check the nearby-topography effect. Because the RMT data are usually skin-depth limited, they only provided a resolution depth between 25 and 30 m for the shallow resistivity structures. Whereas, the TEM data still have sufficiently early- to late-time information, and therefore resulted in a better resolution depth of about 100 m for the shallow to sufficiently-deep resistivity structures. The final 1D/2D RMT and 1D/3D TEM resistivity models displayed a satisfied correlation with both thicknesses derived from the stratigraphic-control boreholes and resistivities measured from direct-current (DC) and spectral induced polarization (SIP) laboratory techniques on 16 rock samples. As demonstrated, the integrated use of azimuthal RMT and in-loop TEM soundings was highly successful and effective at mapping the major stratigraphic units at the survey areas, i.e. the shallowest conductive Garzweiler and Frimmersdorf Coals within their fairly resistive sand background. They could not distinguish between Neurath Sand and the underlying sand/silt or between Frimmersdorf Coal and the underlying organic clay. The deepest Morken Coal was beyond the depth-of-investigation of the present measurements. Finally, the resistivity models revealed that both coal seams gently dip in the southwesterly direction. This should be in fairly good agreement with the regional structural makeup of the Rhineland brown coal. However, they showed that Garzweiler Coal is gradually thinned northeastwards, while Frimmersdorf Coal still has almost a regular thickness.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Mehrdimensionale Widerstandsmodelle der flachen Kohleflöze des Tagebaues �Garzweiler I� (nord-westlich der Stadt Köln) abgeleitet aus Radiomagnetotellurik-, Transientelektromagnetik- und Labor-Daten	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die unverfestigten Ablagerungen des Kanäozoikums im unteren Rheingraben in Deutschland beherbergen das größte zusammenhängende Braunkohlevorkommen in Europa. Es befindet sich nord-westlich der Stadt Köln und umfasst eine Fläche von ca. 2.500 km2. In Deutschland wird etwa ein Viertel des Bedarfes an elektrischer Energie durch Braunkohle gedeckt, die im Tagebau aus dem Rheinland gewonnene wird. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kohleflöze des Braunkohletagebaues �Garzweiler I� mit dem Methoden Radiomagnetotellurik (RMT) und Transientelektromagnetik (TEM) untersucht. Hauptziel der Messungen war es, die Anwendbarkeit und Effizienz der Methoden RMT und TEM in der Braunkohleexploration aufzuzeigen und die vertikale Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit von Flözen abzubilden. Zu diesem Zweck waren das vertikale und horizontale Auflösungsvermögen dieser Methoden genauso nötig wie die Möglichkeit große Flächen zu untersuchen. Infolgedessen wurden insgesamt 86 azimuthal RMT und 33 in-loop TEM Sondierung entlang sechs separater Profile auf zwei Strossen im Braunkohlentagebau �Garzweiler I� durchgeführt. Die lokale Stratigraphie am Ort der Meßgebiete entspricht gewöhnlich einer horizontalen Schichtung, bestehend aus den Garzweiler-, Frimmersdorf- und Morken-Kohlen, die in den Oberflächen-, Neurath-, Frimmersdorf- und Morken-Sand eingebettet sind und von unterschiedlich mächtigen Ton und Schlufflagen unterbrochen werden. Die gemessenen RMT und TEM Daten wurden umfangreich und in Übereinstimmung mittels ein dimensionaler (1D) Widerstands-Modelle und ohne Hinzunahme von komplexeren 3D-Strukturen interpretiert. Lagen jedoch dünne Tonlagen oder Linsen vor, war diese Form der Interpretation nicht mehr möglich. In diesem Fall wurden zur Verbesserung des Auflösungsvermögens dieser Oberflächenschichten, zwei-dimensionale (2D) RMT und drei-dimensionale (3D) TEM Interpretationen durchgeführt. Anhand dieser Modellierungen konnte auf effektive Weise der Einfluss der Tonlinsen und der näheren Topographie auf die Messdaten untersucht werden. Durch die eingeschränkte Skin-Tiefe der RMT, konnten anhand der RMT-Daten nur die oberen 25 bis 30 m der Widerstandsverteilung im Boden aufgelöst werden. Die TEM-Daten hingegen besitzen genug Früh- bis hin zu Spätzeit Informationen und erlauben daher Aussagen über die Widerstandverteilung bis in eine Tiefe von etwa 100 m. Die Mächtigkeiten der Schichten, die aus den Widerstandsmodelle für 1D/2D RMT und 1D/3D TEM abgeleitet werden können, stimmen mit den aus Bohrlöchern abgeleiten Mächtigkeiten überein. Eine ähnlich gute Korrelation existiert mit den Widerstandswerten, die man aus Labor Messungen mit Gleichstrom Geoelektrik (DC) und spektraler induzierter Polarisation (SIP) für 16 Gesteinsproben abgeleitet hat. Es wurde gezeigt, dass die kombinierte Anwendung von azimuthal RMT und in-loop TEM Sondierungen sehr erfolgreich und effektiv in der Kartierung der wichtigsten stratigraphischen Einheiten des Untersuchungsgebietes, wie zum Beispiel der in schlechtleitenden Sand eingebetteten oberen leitfähigen Garzweiler und Frimmersdorf Kohlenschichten, ist. Der Neurath Sand konnte nicht vom den tieferen Sand und Sluffe Schichten unterschieden werden. Die Frimmersdorf Kohle konnte nicht von tiefer gelegenen organischen Tonschichten unterschieden werden. Das am tiefsten gelegene Flöz Morken liegt unterhalb der Eindringtiefe der Sondierungen. Die Widerstandsmodelle zeigen, dass beide Kohleflöze leicht in Richtung SW abfallen. Dies ist in guter Übereinstimmung mit der regionalen Geologie für die Braunkohle des Rheinlandes. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Mächtigkeit der Garzweiler Kohle in Richtung NE leicht abnimmt, während die Frimmersdorf Kohle eine konstante Mächtigkeit zeigt.

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