Universität zu Köln

Scholl, Carsten (2005). The influence of multidimensional structures on the interpretation of LOTEM data with one-dimensional models and the application to data from Israel. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The influence of multidimensional resistivity structures on inversion results of Transient ElectroMagnetic (TEM) data using one-dimensional (1-D) models is examined. The investigation is focused on the Long-Offset TEM (LOTEM) method. Synthetic data for the electric and magnetic field components typically measured at LOTEM receiver sites are calculated for a wide variety of models. These transients are inverted with a 1-D smooth model inversion algorithm. The inversions results do not exactly reproduce the original model. An attempt to reduce the model distortions caused by the multidimensional structures with different regularisation schemes fails. Statistically, the new regularisation schemes reduce the roughness of the models slightly, which will suppress artificial structures. In general, however, the geological interpretation will not be changed. The inversion of synthetic data sets shows that the different LOTEM-components provide different information with respect to the multidimensional structure. The 1-D models resulting from automated inversions thus may be inconsistent for the different components. In most cases meaningful information about the underlying model can be derived from the pseudo-sections of composed 1-D models. However, the inversion results do not only reflect the subsurface close to the receiver (Rx) but also the subsurface close to the transmitter (Tx) and between Rx and Tx. In the best cases, the inversion results thus reflect the gross resistivity structure of the subsurface. Comparing the TEM results to the selective information from a borehole therefore might show some discrepancies. The LOTEM results will also be different to results for the SHort-Offset TEM (SHOTEM) modification, as the volume of the subsurface contributing to the induction process differs significantly from the one for the LOTEM setup. The inconsistencies of the models for the different components causes a problem. The various models derived from different TEM-components at one single position have to be merged into one consistent geophysical model. A common approach would be to invert all data sets jointly in one inversion. However, this approach turned out to be dangerous as the so-called joint-inversions of different LOTEM-components tends to produce artifacts instead of suppressing them. A new joint-inversion approach is presented. Here, variations between the models for the different data sets are allowed to account for inconsistencies in the transients. The regularisation of the inversion favours results, where the variations between the models for the different data sets are small. The resulting pseudo-sections in general show far less spurious structures than for the pseudo-sections derived from the standard joint-inversions. In addition, the different models allow to analyse the inconsistencies and to estimate the reliability of a certain feature. Further it is shown that the data distortion by certain inhomogeneities close to the Tx can be accounted for by introducing additional parameters to the inversion process. This way pseudo-sections can be derived from the data sets which reproduce the gross resistivity structure very well for almost all data sets. The new regularisation scheme, the new joint-inversion algorithm and the additional distortion parameters are used to interpret data sets from a field campaign in northern Israel. The objective of the project is to derive the distribution of saline water in the subsurface. This knowledge would help to determine the source of saline water currently flowing into the Sea of Galilee and degrading its water quality. The new interpretation scheme proves to be very helpful to derive meaningful resistivity models from the measured data sets. The analyses of the data shows that some stations have to be excluded from the interpretation. Nevertheless, a cross-section between the Mediterranean and the Sea of Galilee is derived from the TEM data sets. It supports the hypothesis that saltwater from the Mediterranean plays an active role in the salination of the Sea of Galilee.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Der Einfluss mehrdimensionaler Strukturen auf die Interpretation von LOTEM-Daten mit eindimensionalen Modellen und die Anwendung auf Daten aus Israel German
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Arbeit werden die Auswirkungen einer mehrdimensionalen Leitfähigkeitsverteilung auf die Inversion von Transient ElektroMagnetischen (TEM) Daten mittels eindimensionaler (1-D) Modelle untersucht. Die Studie konzentriert sich hauptsächlich auf Datensätze der Long-Offset-TEM-Methode (LOTEM). Dazu werden Datensätze der elektrischen und magnetischen Feldkomponenten, die üblicherweise an LOTEM-Empfängern aufgezeichnet werden, für eine große Anzahl synthetischer Modell generiert. Anschließend werden die Datensätze mit einem 1-D Inversionsalgorithmus invertiert. Der Inversionsalgorithmus versucht dabei, über eine zusätzliche Regularisierung ein möglichst glattes Modell zu finden, das die Daten erklärt. Ergebnisses dieses Inversionsansatzes entsprechen erwartungsgemäß dem synthetische Modell nicht exakt. Der Versuch, die Modellverzerrungen durch eine geeignete Regularisierungsstrategie zu vermindern, scheitert. Zwar reduzieren einige der neuen Strategien die Rauigkeit der Modelle leicht, unterdrückt werden die Verzerrungen aber nicht. Die Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Regularisierungsstrategien sind klein. Die Gefahr der Missinterpretation der Ergebnisse wäre identisch. Die Inversionen der einzelnen LOTEM-Komponenten zeigen, dass diese unterschiedlich von verschiedenen mehrdimensionalen Strukturen beeinflußt werden. Die erhaltenen Modelle weisen unterschiedliche Verzerrungen auf und sind damit inkonsistent. Die Verzerrungen sind allerdings in den meisten Fällen nicht sehr stark. Die Pseudosektionen aus aneinandergefügten 1-D Modellen repräsentieren das wahre Modell meist so gut, dass sinnvolle Informationen über den Untergrund aus ihnen abgeleitet werden können. Die Inversionsergebnisse zeigen, dass die Modelle nicht nur den Untergrund unter dem Empfänger (Rx), sondern auch den unter dem Sender (Tx) und den Bereich dazwischen repräsentieren. In den besten Fällen geben die erhaltenen Modelle ein gemitteltes Bild des Untergrunds wieder. Wenn diese Modelle mit den punktuellen Informationen aus einem Bohrloch verglichen werden, sind Diskrepanzen zu erwarten. Bei der SHort-Offset-TEM-Methode (SHOTEM) kommen deutlich kleinere Offsets als bei LOTEM zum Einsatz. Der Bereich des Untergrunds, der Einfluss auf die Messdaten hat, ist kleiner. Der Einfluss derselben mehrdimensionalen Struktur auf das Inversionsergebnis für einen SHOTEM Datensatz unterscheidet sich daher deutlich von dem auf den an gleicher Stelle aufgezeichneten LOTEM Datensatz. Die inkonsistenten Modelle für die verschiedenen, am gleichen Ort gemessenen Komponenten stellen ein Problem dar. Für die endgültige Interpretation ist ein einheitliches Leitfähigkeitsmodell erforderlich. Eine gängige Methode, um ein gemeinsames Modell zu erstellen, wäre eine so genannte "Joint-Inversion". Hier werden die Datensätze gemeinsam in einer Inversion verwendet, um ein einheitliches Modell zu finden, welches alle Datensätze gleichermaßen erklärt. Bei den Modellrechnungen in dieser Arbeit zeigt sich jedoch, dass dieser Ansatz nicht sinnvoll ist, wenn die Daten durch mehrdimensionale Strukturen verzerrt sind. Die Ergebnisse derartiger Joint-Inversionen weisen oft starke Artefakte auf. Daher wird ein neuer Ansatz zur Joint-Inversion entwickelt. Hierbei wird jeder Datensatz einem eigenen Modell zugeordnet. über eine geeignete Regularisierungsbedingung wird erreicht, dass sich die Modelle nur unterscheiden soweit dies erforderlich ist. Die daraus abgeleiteten Pseudosektionen weisen weitaus weniger Artefakte auf als für die bisher übliche Joint-Inversion. Zusätzlich kann man über die Betrachtung der Einzelergebnisse die Störungen der Datensätze analysieren und die Verlässlichkeit einzelner Modellmerkmale abschätzen. Weiterhin wird gezeigt, dass man die Datenverzerrungen, die durch sendernahe Störkörper hervorgerufen werden, durch zwei zusätzliche Modellparameter in der Inversion berücksichtigen kann. Aus den meisten der unter Umständen stark verzerrten Datensätzen kann so die grundsätzliche Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund abgeleitet werden. Die neue Regularisierungsstrategie, die neu entwickelte Joint-Inversion und die Verzerrungsparameter werden verwendet, um die Datensätze einer Messkampagne in Nord-Israel zu interpretieren. Das Ziel des Projekts ist, die Verteilung salinen Wassers im Untergrund festzustellen. Damit möchte man die Frage nach der Quelle des salinen Wassers klären, das sich in den See Genezareth ergießt und die Wasserqualität des Sees deutlich herabsetzt. Das neue Interpretationsschema ist sehr hilfreich bei der Bearbeitung der Datensätze. Die Analyse der Datensätze zeigt, dass die Daten einiger Stationen als zu gestört verworfen werden müssen. Dennoch kann ein Leitfähigkeitsschnittbild vom Mittelmeer zum See Genezareth aus den TEM-Daten abgeleitet werden. Diese unterstützt die Hypothese, dass das Salzwasser aus dem Mittelmeer eine aktive Rolle bei der Versalzung des See Genezareth spielt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Scholl, Carsten scholl@geo.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15979
Date:	2005
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 Geophysik , TEM , Inversion , Hydrogeologie , Israel German Geophysics , TEM , Inversion , Hydrogeology , Israel English
Date of oral exam:	10 November 2005
Referee:	Name Academic Title Tezkan, Bülent Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1597