Universität zu Köln

Blanco Arrué, B. ORCID: 0000-0002-0470-3542 (2024). Multidimensional inversion of transient electromagnetic data for the exploration of clay pans in the Atacama Desert, Chile. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis focuses on the geophysical exploration of selected clay pans in northern Chile, the so-called PAG and Paranal clay pans. These sedimentary deposits, are sensitive archives of the Atacama Desert paleoclimate and contain valuable information on the precipitation history. The loop source transient electromagnetic (TEM) method is used to provide the geometry and bedrock topography of each site. In addition to standard 1D inversion techniques, 2D forward modeling approaches are utilized, and a recently published 3D forward modeling and inverse scheme are applied to the TEM data. The investigated sites are study areas of the interdisciplinary Collaborative Research Center, \textit{Earth Evolution at the Dry Limit} (CRC 1211), established at the Universities of Cologne, Bonn, and Aachen. The CRC 1211 contributes to seeking the mutual evolutionary relationships between Earth's surface processes and biota under extreme water limitation. Two extensive geophysical surveys were conducted in both clay pans measuring a total of 181 TEM soundings on a 3D grid. Within the project, other geophysical techniques, such as active seismic and magnetics, were also carried out, complementing the geoscientific integrated interpretation of the subsurface. The presented thesis provides foundations for suitable drilling locations within the CRC 1211 project. The 1D inversion results reveal a three-layered resistivity structure with reliable information down to a depth of 250 m. At the PAG site, the results identify a resistive colluvial sequence increased to high conductive lacustrine sediments followed by a resistive basement. Additionally, at the Paranal clay pan, the results detect a resistive layer of fine sediment succeeded by a conductive sequence of a fluvial conglomerate with a resistive basement beneath. The subsurface models agree with lithology, borehole data, and geological information. In addition, key information is obtained with respect to the sedimentary thickness above the basement, contributing to paleoclimate research in northern Chile. A 2D forward modeling study was performed to validate the 1D interpretation and evaluate possible distortion effects. The analyzed scenarios confirm the presence of 2D effects in the data from both PAG and Paranal TEM data sets, being in the latter more strong. Aiming to obtain a more accurate and independent model, a 3D inversion of the whole Paranal TEM data is derived. The obtained 3D inversion models are in good agreement with the local geology, which validates the geometry and subsurface distribution of the studied clay pan.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit konzentriert sich auf die geophysikalische Exploration ausgewählter Tonpfannen in Nordchile, die sogenannten PAG- und Paranal-Tonpfannen. Diese Sedimentablagerungen sind empfindlich Archive des Paläoklimas der Atacama-Wüste und enthalten wertvolle Informationen über die Niederschlagsgeschichte. Es wird das transiente elektromagnetische Verfahren (TEM) verwendet um die Geometrie und Topographie des Grundgesteins beider Lokationen zu bestimmen. Neben Standard 1D-Inversionstechniken werden 2D-Vorwärtsmodellierungsansätze und ein kürzlich veröffentlichter 3D-Vorwärts- und Inversionsalgorithmus auf die TEM-Daten angewendet. Die Messgebiete sind Untersuchungsstandorte des interdisziplinären Sonderforschungsbereichs, Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit (SFB 1211), der Universitäten Köln, Bonn und Aachen. Der SFB 1211 trägt dazu bei, die gemeinsame evolutionäre Beziehung zwischen Oberflächenprozessen der Erde und Biota unter extremer Wasserknappheit zu untersuchen. Auf beiden Tonpfannen wurden zwei umfangreiche geophysikalische Untersuchungen durchgeführt, bei denen insgesamt 181 TEM-Sondierungen auf einem 3D-Raster gemessen wurden. Innerhalb des Projekts werden auch andere geophysikalische Methoden, wie z B. aktive Seismik und Magnetik eingesetzt, um die integrierte geowissenschaftliche Interpretation des Untergrundes zu ergänzen. Die vorgelegte Arbeit liefert Grundlagen zur Auswahl geeigneter Bohrstandorte innerhalb des SFB 1211-Projekts. Die Ergebnisse der 1D-Inversion zeigen eine dreischichtige elektrische Leitfähigkeitsstruktur mit zuverlässigen Informationen bis zu einer Tiefe von 250 m. Für die PAG-Tonpfanne identifizieren die Ergebnisse eine resistive kolluviale Sequenz, gefolgt von einer leitfähigen Sequenz von fluvialem Konglomerat über einem resistiven Grundgestein. Für die Paranal-Tonpfanne zeigen die Ergebnisse eine resistive Schicht aus feinem Sediment, gefolgt von einer leitfähigen Sequenz fluvialen Konglomerats über resistivem Grundgestein. Die abgeleiteten Untergrund Modelle stimmen mit der Lithologie, Bohrlochdaten und geologischen Informationen überein. Zudem werden Information über die Sedimentmächtigkeit über dem Grundgestein gewonnen, die einen Beitrag zur Paläoklimaforschung im Norden Chiles liefern. Um die 1D-Interpretation zu validieren und mögliche Verzerrungseffekte zu bewerten, wurde eine 2D-Vorwärtsmodellierungsstudie durchgeführt. Die analysierten Modellstudien bestätigen das Vorhandensein von 2D-Effekten in den TEM-Datensätzen von PAG und Paranal, wobei diese in dem letzteren stärker sind. Um ein genaueres und unabhängiges Untergrundmodell abzuleiten wurde eine 3D-Inversion der gesamten Paranal-TEM-Daten durchgeführt. Die abgeleiteten 3D-Inversionsmodelle stimmen gut mit der lokalen Geologie überein, die die Geometrie und Untergrundverteilung der untersuchten Tonpfanne validieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Blanco Arrué, B. b.blancoarrue@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-0470-3542 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-727212
Date:	3 May 2024
Place of Publication:	Köln, Germany
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 Electromagnetic Methods English 3D Modeling and Inversion English Time domain methods English Atacama Desert English CRC 1211 English
Date of oral exam:	5 May 2023
Referee:	Name Academic Title Tezkan, Bülent Prof. Dr. Hördt, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72721