A resistivity-depth model of the central Azraq basin area, Jordan: 2D forward and inverse modeling of time domain electromagnetic data

Yogeshwar, Pritam (2014). A resistivity-depth model of the central Azraq basin area, Jordan: 2D forward and inverse modeling of time domain electromagnetic data. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The focus of this thesis is the geophysical exploration of the central part of the Azraq basin in the northeastern desert of Jordan. In addition to common 1D inversion techniques, further 2D forward modeling strategies and a rarely used 2D inverse modeling scheme are applied to transient electromagnetic data. The Azraq area is of potential interest for palaeoclimatical and archaeological research in the frame of the interdisciplinary Collaborative Research Centre 806, entitled "Our Way to Europe" (CRC 806). The project investigates the history of modern human, particularly population movements in the past 190,000 years before present. The center of the Azraq basin is covered by a 10 km x 10 km mudflat consisting thick sedimentary deposits. To provide the basis for probable future drilling projects within the CRC 806, a 7 km and a 5 km long transects were investigated in the mudflat area. An extensive survey was conducted consisting of 150 recorded central loop transient electromagnetic (TEM) sounding locations. The electrical resistivity tomography (ERT) was applied as a complementary method to validate the TEM results. Common 1D inversion techniques are applied to interpret the TEM field data and to investigate the uncertainty of the inverse models. The results are patched together to quasi 2D resistivity-depth sections. The derived quasi 2D sections are consistent and provide a detailed image of the subsurface electrical resistivity distribution down to approximately 100 m depth. The results identify a resistive buried basalt layer in the periphery of the mudflat and a resistivity increase inside the high conductive mudflat sediments, which obviously corresponds to the layer below. The subsurface models are in excellent agreement with lithological borehole data and the geological information. Moreover, a transition zone from moderate to very low resistivities is observed, which is of interest for the groundwater management in Azraq. To verify the derived 1D inverse models, a detailed 2D modeling study is performed. Although the subsurface resistivity structure varies significantly along both investigated transects, the study demonstrates that a 1D inversion is sufficient to interpret the TEM data. Due to reduced data quality at late transient times for a few sounding locations, the deep resistivity contrast inside the mudflat is not well resolved in those zones. Further systematical 2D forward modeling shows that the resistivity increase is in general required to fit the TEM field data. The 2D forward modeling approach is based on the prior selection of a model and, therefore, does not provide an independent validation of the subsurface resistivity distribution. For this reason, a rarely applied 2D TEM inversion scheme is used to interpret the field data. The obtained 2D inverse models reveal a remarkable agreement with the quasi resistivity-depth sections, which are derived from the 1D results. Moreover, the unsatisfactory resolved deep resistivity contrast below the mudflat is reconstructed by using a-priori information, which is integrated into the parameterization of the model. Accordingly, the 2D inversion provides a strong independent validation of the subsurface resistivity distribution.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist der geophysikalischen Exploration des zentralen Bereichs des Azraq Beckens in der nordöstlichen Wüste Jordaniens gewidmet. Zur Interpretation von Transient-Elektromagnetik Daten, werden gebräuchliche eindimensionale (1D) Inversionstechniken, zweidimensionale (2D) Modellierungsstrategien, sowie ein bisher selten angewandtes zweidimensionales Inversionsverfahren eingesetzt. Das Gebiet um Azraq ist von potentiellem Interesse für paläoklimatische und archäologische Forschungsvorhaben des interdisziplinären Sonderforschungsbereichs 806 mit dem Titel "Our Way to Europe" (SFB~806). Das Projekt erforscht die Geschichte des modernen Menschen und insbesondere Migrationsbewegungen im Zeitraum der letzten 190.000 Jahre. Im Zentrum des Azraq Beckens haben sich mächtige Sedimente abgelagert und bilden eine ca. 10 km x 10 km große "Mudflat" (auch Playa genannt). Zum Zwecke der Vorerkundung und um eine Basis für eventuelle zukünftige Bohrungen im Rahmen des SFB 806 zu schaffen, wurden umfangreiche geophysikalische Messungen durchgeführt. Insgesamt wurden dabei 150 Transient-Elektromagnetik (TEM) Stationen vermessen. Zur Validierung der TEM Ergebnisse wurde die Elektrische Widerstands-Tomographie (ERT) als ergänzende Methode angewendet. Gebräuchliche 1D Inversionstechniken werden dabei zur Interpretation der TEM Felddaten benutzt und die Modell-Unsicherheiten mit äquivalenten Modellen und Parameter-Wichtigkeiten (Importances) abgeschätzt. Weiterhin werden die 1D Modelle zu quasi 2D Sektionen zusammengefügt. Diese abgeleiteten quasi 2D Sektionen sind konsistent und liefern ein sehr detailliertes Bild der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund bis ca. 100 m Tiefe. Die Ergebnisse zeigen eine schlecht leitende Basaltschicht im Randbereich der Mudflat und eine Abnahme der Leitfähigkeit innerhalb der Mudflat, die auf die darunterliegende Schicht schließen lässt. Die Untergrundmodelle zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit lithologischen Daten aus Bohrungen sowie mit der geologischen Vorinformation. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse eine laterale Übergangszone von moderaten zu extrem hohen Leitfähigkeiten, die von Interesse für das Grundwasser Management in Azraq ist. weiterhin wird eine detaillierte 2D Modellierung durchgeführt, um die 1D Ergebnisse zu verifizieren. Diese Studie demonstriert, dass die 1D Interpretation der TEM Daten ausreichend ist, obwohl die laterale Leitfähigkeit des Untergrunds stark variiert. Einige Stationen zeigen eine verminderte Datenqualität zu späten Zeiten im Transienten. Dies führt zu einer geringeren Auflösung der Schicht unterhalb der Mudflat-Sedimente. Systematische Modellierungen zeigen jedoch, dass dieser Kontrast im Allgemeinen benötigt wird, um die Felddaten zu erklären. Die 2D Modellierung basiert auf der vorherigen Auswahl eines Modells und stellt daher keine unabhängige Validierung der Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund dar. Aus diesem Grund, wird ein bisher nicht gebräuchlicher 2D TEM Inversionsalgorithmus zur Interpretation der Felddaten angewendet. Die inversen 2D Modelle zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den quasi 2D Sektionen. Darüber hinaus rekonstruiert die 2D Inversion den Kontrast der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb der Mudflat durch eine geeignete Parametrisierung und Integration von Vorinformation in das Modell. Demzufolge liefert die 2D Inversion eine überzeugende Validierung der Leitfähigkeitsverteilung im zentralen Bereich des Azraq Beckens.

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