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 Feldesan 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

BB

ZZZZ

EE

BZE

22yyxx 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

xyxy Z

ZReIm

tan 1

yx

yxyx Z

ZReIm

tan 1

Wannamaker et al., 1989b

Verfahrensskizze (4 Punkt Anordnung)

Ohmsches Gesetz: IUR

Gleichstrom-Geolektrik

A M N B

I

U

(µA-A)

(µV-V)

• Stromeinspeisung: AB

• Spannungsmessung: MN

IUK g

FaR

Spezifischer Widerstand

Ohmsches Gesetz:

Spezifischer Widerstand: IUR

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

IUK 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