Development of Novel Time-Domain Electromagnetic Methods for Offshore Groundwater Studies: A Data Application from Bat Yam, Israel

Haroon, Amir (2016). Development of Novel Time-Domain Electromagnetic Methods for Offshore Groundwater Studies: A Data Application from Bat Yam, Israel. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Recent marine long-offset transient electromagnetic (LOTEM) measurements yielded the offshore delineation of a fresh groundwater body beneath the seafloor in the region of Bat Yam, Israel. The LOTEM application was effective in detecting this freshwater body underneath the Mediterranean Sea and allowed an estimation of its seaward extent. However, the measured data set was insufficient to understand the hydrogeological configuration and mechanism controlling the occurrence of this fresh groundwater discovery. Especially the lateral geometry of the freshwater boundary, important for the hydrogeological modelling, could not be resolved. Without such an understanding, a rational management of this unexploited groundwater reservoir is not possible. Two new high-resolution marine time-domain electromagnetic methods are theoretically developed to derive the hydrogeological structure of the western aquifer boundary. The first is called Circular Electric Dipole (CED). It is the land-based analogous of the Vertical Electric Dipole (VED), which is commonly applied to detect resistive structures in the subsurface. Although the CED shows exceptional detectability characteristics in the step-off signal towards the sub-seafloor freshwater body, an actual application was not carried out in the extent of this study. It was found that the method suffers from an insufficient signal strength to adequately delineate the resistive aquifer under realistic noise conditions. Moreover, modelling studies demonstrated that severe signal distortions are caused by the slightest geometrical inaccuracies. As a result, a successful application of CED in Israel proved to be rather doubtful. A second method called Differential Electric Dipole (DED) is developed as an alternative to the intended CED method. Compared to the conventional marine time-domain electromagnetic system that commonly applies a horizontal electric dipole transmitter, the DED is composed of two horizontal electric dipoles in an in-line configuration that share a common central electrode. Theoretically, DED has similar detectability/resolution characteristics compared to the conventional LOTEM system. However, the superior lateral resolution towards multi-dimensional resistivity structures make an application desirable. Furthermore, the method is less susceptible towards geometrical errors making an application in Israel feasible. In the extent of this thesis, the novel marine DED method is substantiated using several one-dimensional (1D) and multi-dimensional (2D/3D) modelling studies. The main emphasis lies on the application in Israel. Preliminary resistivity models are derived from the previous marine LOTEM measurement and tested for a DED application. The DED method is effective in locating the two-dimensional resistivity structure at the western aquifer boundary. Moreover, a prediction regarding the hydrogeological boundary conditions are feasible, provided a brackish water zone exists at the head of the interface. A seafloor-based DED transmitter/receiver system is designed and built at the Institute of Geophysics and Meteorology at the University of Cologne. The first DED measurements were carried out in Israel in April 2016. The acquired data set is the first of its kind. The measured data is processed and subsequently interpreted using 1D inversion. The intended aim of interpreting both step-on and step-off signals failed, due to the insufficient data quality of the latter. Yet, the 1D inversion models of the DED step-on signals clearly detect the freshwater body for receivers located close to the Israeli coast. Additionally, a lateral resistivity contrast is observable in the 1D inversion models that allow to constrain the seaward extent of this freshwater body. A large-scale 2D modelling study followed the 1D interpretation. In total, 425 600 forward calculations are conducted to find a sub-seafloor resistivity distribution that adequately explains the measured data. The results indicate that the western aquifer boundary is located at 3600 m - 3700 m before the coast. Moreover, a brackish water zone of 3 Omega*m to 5 Omega*m with a lateral extent of less than 300 m is likely located at the head of the freshwater aquifer. Based on these results, it is predicted that the sub-seafloor freshwater body is indeed open to the sea and may be vulnerable to seawater intrusion.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Eine vorangegangene marine Long-Offset Transient-Elektromagnetische (LOTEM) Messung in der Gegend von Bat Yam, Israel, verdeutlichte die Abgrenzung eines Grundwasserkörpers unter dem Meeresboden. Die LOTEM-Anwendung konnte diesen Grundwasserkörper unter dem Mittelmeer detektieren und die Ausdehnung eingrenzen. Der gemessene Datensatz ist jedoch nicht ausreichend, um die hydro-geologische Konfiguration und den Mechanismus nachzuvollziehen, die für das Auftreten dieses Grundwasserreservoirs verantwortlich sind. Vor allem die laterale Geometrie der Aquiferkante, die für die hydrogeologischen Modellierung relevant ist, konnte nicht aufgelöst werden. Ohne dieses Verständnis ist eine Bewirtschaftung des ungenutzten Grundwasserreservoirs nicht möglich. Zwei neue hochauflösende marine zeitbereichs-elektromagnetische Methoden sind theoretisch entwickelt worden, um die hydrogeologische Struktur der westlichen Aquiferkante abzuleiten. Die erste Methode ist der Circular Electric Dipole (CED). Diese Sendekonfiguration ist das Analog-Verfahren zum Vertical Electric Dipole (VED). Dieser wird häufig zum Detektieren schlechtleitender Strukturen im Untergrund angewandt. Obwohl der CED im Ausschaltsignal eine hohe Detektierbarkeit zeigt, um den submarinen Grundwasserkörper zu erkunden, wurde eine praktische Anwendung in der Studie nicht durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass das CED-Verfahren unter einer unzureichenden Signalstärke leidet, die das Detektieren des Grundwasserleiters unter realistischen Rauschbedingungen nicht ermöglicht. Darüber hinaus zeigen theoretische Modellierungen, dass starke Signalverzerrungen durch die geringste geometrische Ungenauigkeit verursacht werden. Daher erschien eine erfolgreiche Anwendung von CED in Israel nicht erfolgsversprechend. Ein zweites Verfahren namens Differential Electric Dipole (DED) wurde als Alternative zu der CED-Methode entwickelt. Im Vergleich zu dem herkömmlichen LOTEM-System, das einen horizontalen elektrischen Dipol-Sender verwendet, besteht der DED-Sender aus zwei horizontalen elektrischen Dipolen in einer Inline-Konfiguration. Theoretisch weist der DED zu dem herkömmlichen System vergleichbare Detektierbarkeit und Auflösungseigenschaften gegenüber 1D Leitfähigkeitsstrukturen auf. Die höheren lateralen Auflösungseigenschaften für mehrdimensionale Widerstands-strukturen machen eine Anwendung jedoch erstrebenswert. Darüber hinaus ist das Verfahren für geometrische Fehler weniger anfällig als das CED-Verfahren, was eine praktische Anwendung in Israel möglich macht. Im Umfang dieser Arbeit wird das neue DED-Verfahren mit mehreren eindimensionalen und mehrdimensionalen Modellierungsstudien untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Anwendung in Israel. Vorläufige Widerstandsmodelle sind aus der früheren LOTEM Messung abgeleitet worden und werden für eine DED-Anwendung getestet. Das DED-Verfahren lokalisiert die zweidimensionale Widerstand-Struktur auf der westlichen Aquiferkante. Außerdem ist eine Vorhersage über die hydrogeologischen Randbedingungen möglich, sofern sich eine Brackwasserzone an der Spitze der Aquiferkante befindet. Erste DED-Messungen wurden in Israel im April 2016 durchgeführt. Der erfasste Datensatz ist der erste seiner Art. Die gemessenen Daten wurden prozessiert und mittels 1D Inversion interpretiert. Das angestrebte Interpretations-Ziel konnte aufgrund der unzureichenden Datenqualität der Ausschaltsignale nicht durchgeführt werden. Dennoch konnten 1D Inversions-Modelle der Einschaltsignale eindeutig den Grundwasserkörper detektieren. Außerdem ist ein lateraler Widerstandskontrast in den 1D Inversions-Modellen zu beobachten, der auf eine seewärtige Abgrenzung dieses Grundwasserkörper hinweist. Die 1D Inversions-Modelle wurden als Grundlage für eine großangelegte 2D Modellierungsstudie verwendet. Insgesamt wurden 425 600 Vorwärtsrechnungen durchge-führt, um ein zweidimensionales Widerstandsmodell herzuleiten, dass die gemessenen Daten adäquat erklärt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die westliche Aquifer-Kante 3600 m bis 3700 m vor der Küste befindet. Darüber hinaus ist eine Brackwasserzone von 3 Omega*m bis 5 Omega*m mit einer lateralen Ausdehnung von weniger als 300 m an der Spitze des Grundwasser-Aquifers wahrscheinlich. Mit diesen Ergebnissen kann vorhergesagt werden, dass der Grundwasserkörper zum Meer hin womöglich offen, und somit für das Eindrigen von Meerwasser anfällig ist.

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