Magnetotellurische und elektrische Untersuchungen in der Bajkalzone

Überblick

• Grundlagen der Magnetotellurik (MT)

• Signalquellen

• Beeinflussung durch Untergrund

• Theorie der Inversion

Magnetotellurik – Feldmessungen

• 3 Magnetfeld Komponenten (in x, y, z Richtung)

Spulen

• 2 E-Feld Komponenten (in x, y Richtung)

Elektrodenpaare

• Datalogger

Magnetotellurik – Feldmessungen

• Spule für B-Feld Messung

• Länge der Spule bestimmt den Frequenzbereich

• Sonden für E-Feld

• Silber Silberchlorid oder Stahlspies

Zeitreihe von E- und B-Feld

Ziel der Magnetotellurik (MT)

• Es werden Zeitreihen• des elektrischen (tellurischen) und

• des magnetischen Feldes

an der Erdoberfläche aufgezeichnet und miteinander verglichen

→ Abbildung der Leitfähigkeitverteilung im Untergrund

Prinzip der MT

• Verfahren beruht im Wesentlichen darauf, dass sich zeitlich variable elektrische und magnetische Felder gegenseitig induzieren können

• Signale entstehen durch• Stromsysteme in der Ionosphäre (f<1Hz)

• (Gewitter-)Blitze (f>1Hz)

• Signalstärke kann in kurzer Zeit (min) um 1-2 Größenordnungen variieren

• breites Frequenzspektrum: 10-6 bis 104Hz

• betrachteter Frequenzbereich abhängig von zu untersuchender Struktur

Signalentstehung

Skintiefe

00

22

Übertragungsfunktion

• Übertragungsfunktion zwischen E und B:

• Alle Größen sind frequenzabhängig und komplex

• Durch Vergleich der Tensor-Elemente untereinander kann man die Dimensionalität der Leitfähigkeitsstruktur ermitteln

• 2D: Streichrichtung durch Minimierung von

bestimmbar

y

x

yyyx

xyxx

y

x

B

B

ZZ

ZZ

E

EBZE

22

yyxx ZZ

Widerstand und Phase

= Darstellung der komplexen Übertragungsfunktion als Betrag und Phase

• Betrag → Widerstand

• Phase:

• homogener Halbraum: = 45°

2

0

1xyxy Z

2

0

1yxyx Z

xy

xy

xy Z

Z

Re

Imtan 1

yx

yx

yx Z

Z

Re

Imtan 1

Wannamaker et al., 1989b

Verfahrensskizze (4 Punkt Anordnung)

Ohmsches Gesetz: I

UR

Gleichstrom-Geolektrik

A M N B

I

U

(µA-A)

(µV-V)

• Stromeinspeisung: AB

• Spannungsmessung: MN

I

UK g

F

aR

Spezifischer Widerstand

Ohmsches Gesetz:

Spezifischer Widerstand: I

UR

Material-Eigenschaft

Geometrie

Messgrößen

U

aI

FF

Zielsetzung

→ Bestimmung der Widerstandsverteilung im Untergrund

→ Schichtmodelle bzw.

→ Z.B.: Grundwasser

→ bedingte Rückschlüsse auf stoffliche Zusammensetzung des Untergrunds

Leitfähigkeit

• charakteristischer Materialparameter

• hauptsächlich elektrolytische Leitung

• außerdem Oberflächenleitfähigkeit

• abhängig von: Korngröße und Wassersättigung

1

Interpretation - Mehrschichtfälle

• berechne aus Messdaten als ob ein homogener Halbraum vorliegt

• → a(L/2)

Dateninversion

I

UK g

• endliche Datenmenge, Fehler→ Mehrdeutigkeit

Geoelektrik

Geoelektrik

Geoelektrik

Profil S-S‘, Q-Tomographie und MT

MT Messgebiet

MT Kurven

MT

Quellen

• Popov et al., Geodynamical interpretation of crustal and upper mantle electrical conductivity anomalies in Sayan-Baikal region, Earth Planets Space, 51, 1999

• Nevedrova et al., Determination of rock mass structure and results of active electromagnetic monitoring, Journal of Mining Science, 40, 2004

• Berdichevsky et al., Geoelectrical model of the Baikal region, Physics of the Earth and planetatry interiors, 22, 1980