Universität zu Köln

Steuer, Annika (2008). Joint application of ground-based transient electromagnetics and airborne electromagnetics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The focus of this thesis lies on the joint application of ground-based and airborne electromagnetic methods for the investigation of a glacial valley. For the first time two different airborne electromagnetic (AEM) surveying methods were employed to determine the resistivity structure of a single geological target: the frequency-domain helicopter-borne electromagnetic (HEM) system operated by the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Germany, and the time-domain SkyTEM system developed at the University of Aarhus, Denmark. For verification of the airborne results, ground-based transient electromagnetics (TEM) and 2D resistivity surveying were also performed. The target survey area was the Cuxhaven valley in northern Germany, a significant local groundwater reservoir. The course of this buried valley was revealed by drillings, and the shape determined by reflection seismics along several transects across the valley. Electrical and electromagnetic methods were applied to investigate the structure of the valley fill, consisting of gravel, sand, silt and clay. Here, the extension and the thickness of clay layers are of particular interest. They have a low hydraulic permeability and often serve as protection for underlying aquifers against pollution from the surface. The standard tools for presenting AEM data are apparent-resistivity maps and resistivity-depth sections. Although the large and dense data sets are favorable for 3D interpretation, it is still not common to perform 3D inversion in AEM, as the effort in terms of computing time is too high. Therefore, 1D inversion models are still used to display 3D resistivity distributions by stitching together the 1D layered inversion models. Besides the 3D inversion the combination of different data sets in one inversion scheme is an ongoing research issue. One approach is the classical joint inversion, which results in one resistivity model at the shared survey sites, whereas each site is regarded as individual. In this thesis I follow a different approach: spatially constrained inversion (SCI). SCI is a technique where different data sets are combined in one inversion scheme and spatial constraints are applied to the resistivity structure revealed at adjacent survey sites. Thus, the method is particularly useful for large data sets as obtained in AEM. Using spatial constraints, information can be propagated horizontally to adjacent models. With this technique it is then possible to resolve layers which are locally poorly resolved. SCI was originally developed at University of Aarhus for SkyTEM data. In this thesis I adapt the technique for the use on HEM data and apply it to both, SkyTEM and HEM data of the Cuxhaven valley using a priori information from geology, drilling, and seismics. Systematic studies of the SCI parameters show that a) the inversion results applying SCI are less dependent on the starting model in comparison to single-site inversion, b) HEM data resolve the base of a conductive layer which can be identified as the Lauenburg clay, and c) SkyTEM data reveal the base of the Cuxhaven valley which is also confirmed by a seismic section and high-moment TEM measurements. The influence of the valley geometry on the 1D inversion results were systematically studied by 3D forward modeling of different slope geometries. 1D inversions of the synthetic data across the slope were performed with and without constraints between neighboring sites. The resulting 1D models are affected by the slope and simulate a valley base at shallower depth than in the 3D model. Using constraints again decreases the dependency on the starting model. This thesis demonstrates that 1.) by the joint application of ground-based and airborne electromagnetic methods, 2.) by the application of the SCI including a priori information and 3.) by explaining 2D effects of valley slopes using a 3D forward code, a better understanding of the structure of the Cuxhaven valley is obtained.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Gemeinsame Anwendung von bodengestützter Transienten-Elektromagnetik und Aero-Elektromagnetik German
Translated abstract:	Abstract Language Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die gemeinsame Anwendung von boden- und aerogeophysikalischen Methoden zur Erkundung einer eiszeitlichen Rinne. Hier wurden erstmals zwei verschiedene aeroelektromagnetische Methoden eingesetzt, um die Widerstandsstruktur in einem Messgebiet zu bestimmen: das HEM-System, das im Frequenzbereich misst und von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) betrieben wird und das SkyTEM-System, das im Zeitbereich misst und an der Universität von Aarhus entwickelt wurde. Zur Verifikation der aeroelektromagnetischen Ergebnisse wurden bodengeophysikalische Messungen des elektrischen Widerstandes im vergleichbaren Tiefenbereich mit folgenden Methoden durchgeführt: Transient-Elektromagnetik und 2D-Geoelektrik. Das Messgebiet war die Cuxhavener Rinne in Norddeutschland, ein wichtiges, lokales Grundwasserreservoir. Der Verlauf der Rinne wurde durch Bohrungen ermittelt und die Form wurde mit Reflexionsseismik entlang einiger die Rinne kreuzenden Profile bestimmt. Elektrische und elektromagnetische Methoden wurden angewendet, um die Struktur der Rinnenfüllung zu untersuchen, die aus Kiesen, Sanden und Tonen besteht. Besonders interessant ist hierbei die Ausdehnung und die Dicke von Tonschichten. Diese besitzen eine geringe hydraulische Permeabilität und dienen damit häufig zum Schutz der darunterliegenden grundwasserführenden Schichten vor Verschmutzungen von der Erdoberfläche. Standardmäßig werden aeroelektromagnetische Daten als Karten des scheinbaren spezifischen Widerstands und als Widerstands-Tiefen-Schnitte präsentiert. Obwohl sich die großen und dichten Datensätze dafür anbieten, ist es aufgrund der sehr hohen Rechenzeiten in der Aeroelektromagnetik immer noch nicht üblich 3D-Inversionen durchzuführen. Stattdessen werden 1D-Inversionsmodelle benutzt, um 3D-Widerstandsverteilungen durch die Aneinanderreihung der geschichteten Halbraummodelle darzustellen. Neben der 3D-Inversion ist die Verknüpfung verschiedener Datensätze in einem Inversionsverfahren zur Zeit ein aktuelles Forschungsthema. Ein Ansatz stellt die klassische 1D joint inversion dar, dessen Ergebnis ein Widerstandsmodell an den gemeinsamen Messpunkten ist, wobei jeder Messpunkt für sich betrachtet wird. In dieser Arbeit bin ich einem weiteren Ansatz nachgegangen: spatially constrained inversion (SCI, räumlich verknüpfte Inversion). Die SCI ist eine Inversionstechnik die von der hohen Datendichte auf andere Art und Weise profitiert indem sie gleichzeitig mehrere Datensätze in einem Inversionsschema miteinander verknüpft. Durch das Setzen von Randbedingungen, so genannten constraints, können Informationen zu benachbarten Modellen verteilt werden. Mit dieser Technik ist es dann möglich, Schichten aufzulösen, die lokal schwach aufgelöst sind. Die SCI wurde an der Universität von Aarhus für SkyTEM-Daten entwickelt. Ich habe diese Technik für die Anwendung auf HEM-Daten adaptiert und sie auf SkyTEM- und HEM-Daten der Cuxhavener Rinne unter Einbeziehung von a priori Informationen angewendet. Systematische Untersuchungen der SCI Parameter zeigen: a) Ergebnisse der SCI sind weniger abhängig vom Startmodell als die der Einzelinversionen, b) durch die Hinzunahme von Randbedingungen lösen HEM-Daten die Basis der tiefer gelegenen Tonschicht auf, die als Lauenburger Ton identifiziert wurde und c) SkyTEM-Daten ermitteln die Basis der Cuxhavener Rinne, die durch eine Seismiksektion und TEM-Messungen mit großem Sendemoment bestätigt wird. In einer Modellstudie untersuche ich, inwieweit sich die Simplifizierung der Rinnenstruktur auf 1D-Schichtmodelle an den Messpunkten auswirkt. Hierbei modelliere ich mit einem 3D-Vorwärtsprogramm TEM-Daten entlang eines Querprofiles über 2D-Rinnenstrukturen mit unterschiedlichen Geometrien. Anschließend invertiere ich die synthetischen Daten mit einem 1D-Inversionsprogramm mit und ohne constraints. Die resultierenden 1D-Modelle werden durch die Rinnenflanken beeinflusst und simulieren eine flachere Rinnenbasis. Durch die Verwendung der constraints nimmt die Abhängigkeit von der Wahl des Startmodells ab. Diese Arbeit zeigt, dass 1.) durch die gemeinsame Anwendung boden- und luftgestützter elektromagnetischer Methoden, 2.) durch die Anwendung von SCI unter Einbeziehung von a priori Informationen und 3.) durch die Erklärung von 2D-Effekten der Rinnenflanken mithilfe einer 2D-Modellstudie, ein besseres Verständniss der Struktur der Cuxhavener Rinne erreicht wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Steuer, Annika annika.steuer@liag-hannover.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-27584
Date:	2008
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 Elektromagnetik, Hydrogeophysik, Grundwasser, Cuxhavener Rinne, Hubschraubergeophysik German electromagnetics, hydrogeophysics, groundwater, TEM, HEM English
Date of oral exam:	25 November 2008
Referee:	Name Academic Title Tezkan, Bülent Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2758