Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1799
Main Title: Instrumentelle und auswertemethodische Arbeiten zur Wechselstromgeoelektrik.
Translated Title: Instrumental and interpretation-methodical works for the ac geoelectric method.
Author(s): Radic, Tino
Advisor(s): Burkhardt, Hans
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen verschiedener Drittelmittelprojekte waren vom Autor Wechselstrommessungen bei z.T. sehr kleinen Signal- zu Rauschverhältnissen durchzuführen. In den ariden Messgebieten (Ägypten, Sudan) waren hierfür die schlechten Ankopplungsbedingungen verantwortlich, in den dicht besiedelten Gebieten (Stadtgebiet Berlin) die hohen Störspannungspegel. Trotz konsequenter Anwendung von Filter- und Stapelungstechniken, blieb die Datenqualität bisweilen unakzeptabel niedrig. Inspiriert durch multivariate Zeitreihenanalysentechniken der Audiomagnetotellurik wurde vom Autor eine geoelektrische Referenztechnik mathematisch formuliert und mit Hilfe von speziell hierfür gefertigten mehrkanaligen Geoelektrikapparaturen erfolgreich eingesetzt. Anhand von Fallbeispielen wurde demonstriert, dass die Anwendung der geoelektrischen Referenztechnik den statistischen Messfehler sowohl im Gelände als auch im Labor um bis zu 2 Größenordnungen verringern kann. Anders als Stapelungstechniken vermindert die Referenztechnik den Messfortschritt jedoch nicht. Ein ungünstig gewählter Referenzstationsstandort kann zu systematisch verfälschten Messwerten führen. Anhand von Modellrechnungen wurde untersucht welche Anordnungen vorteilhaft sind. Bei den Wechselstrommessungen wurden neben den bekannten systematischen Fehlerquellen (wechselseitige induktive Kopplung der Kabel, Wirbelströme im Erdboden, Drift der Potentialabgriffe) weitere bedeutende Quellen identifiziert. Hierzu zählen der RC-Effekt und die kapazitive Kopplung der Stromeinspeisungskabel mit dem Erdboden. Anhand von theoretischen Überlegungen wurden die Ursachen aufgedeckt und mittels Modellrechungen die beobachteten Effekte quantitativ nachvollzogen. Es wurden neuartige Techniken entwickelt und erprobt, mit deren Hilfe sich die Auswirkungen auf die Messdaten wirksam mindern ließen. Die Existenz lateraler Leitfähigkeitsinhomogenitäten konnte anhand der bei Wechselstrommessungen auftretenden EM-Effekte nachgewiesen werden. Die Gefahr einer Datenfehlinterpretation kann so gemindert werden. Im Sonderfall einer Gleichstromverzerrung konnten die auftretenden systematischen Fehler quantifiziert und weitgehend korrigiert werden. Bei der Inversion von spektralen Widerstandsdaten sind bisher stets Gesteinsleitfähigkeitsmodelle (z.B. Cole-Cole) erforderlich. Ist das geeignete Modell jedoch mangels Vorinformation nicht bekannt oder überlagern sich mehrere Leitfähigkeitsprozesse, dann ist eine Inversionsstrategie ohne Modellvorgabe erforderlich. Eine solche Strategie wurde vorgestellt und erfolgreich an Felddaten erprobt. Hierzu wurden kommerzielle 1D- und 2D-Inversionsprogramme in unkonventioneller Weise genutzt. Die Widerstandsspektren von nicht mineralisierten Gesteinen können häufig nicht mit dem Cole-Cole Modell interpretiert werden. Daher wurde ein neues Modell (Linear Phase Angle Model) eingeführt, das eine Vielzahl vom Autor gemessener Spektren gut anpasst. Bei Labormessungen können Stromdichten erreicht werden, die bei elektronenleitenden Mineralen zu einem nichtlinearen spezifischen Widerstand führen. Anhand einer Pyritprobe wurden die Erscheinungen näher untersucht. Es zeigte sich, dass neben einer Signalverzerrung weitere zeitabhängige Effekte beobachtet werden konnten. Die verwendeten statistischen Widerstandsschätzverfahren erwiesen sich auch in Gegenwart von Nichtlinearitäten als geeignet, um den Einfluss der Stromdichte auf die Impedanz zu quantifizieren. Zur Untersuchung zeitabhängiger Phänomene wurde ein Messsignal verwendet, das die Stromdichte moduliert.
Within the framework of third-party financed research projects, the author carried out AC geo-electric measurements in Europe and in Africa. These measurements often showed very small signal-to-noise ratios. In the arid areas of Egypt and Sudan, the high contact resistance of the electrodes caused this. While at the European sites, the high noise level lowered the data quality. Despite the consequent use of filter and stacking techniques, the data quality occasionally remained unacceptably low. Inspired by the multivariate time series analysis techniques of the audiomagnetotelluric (AMT) method, the author formulised the mathematics for the geo-electric remote reference technique. Furthermore, he tested this technique successfully with the help of specially designed multi-channel geo-electric instruments. Case studies from the field and the laboratory demonstrate that the geo-electric reference technique helps to decrease statistical error by up to two orders. Different from other noise suppression techniques, for example, averaging, the reference technique did not lower the progress in measurment. A poorly selected site for the reference measurement can result in biased data. The author used numerical calculations as the basis to search for advantageous measuring setups. During the AC measurements, further important sources of errors were identified amongst the already known systematic errors (EM cross-coupling, eddy currents in soil, self-potential drift of the electrodes). These other sources of errors were the RC-effect and the capacitive coupling between the current wires and the soil. The real causes were cleared up by theoretical considerations. Based on these considerations, numerical model calculations were performed. The observed data could be shown as quantitatively verifiable. Moreover, innovative techniques were developed which were able to reduce their negative influence on the measurement efficiently. The existence of lateral inhomogeneous conductivities could be verified by means of the EM-effects occurring with alternating current measurements. The risk of a wrong date interpretation can be reduced in this way. In the special case of a direct current distortion the occurring systematic error could be quantified and widely eliminated. Up to now, the inversion of spectral resistivity data demands a rock conductivity model (e.g. Cole-Cole). However, if a suitable model is not found because there is a lack of advanced information or if several conductivity processes are involved, then an inversion strategy without model handicap is necessary. Such a strategy was introduced and proved successful by field data. For this purpose commercial 1D and 2D inversion programs are used in an unconventional manner. Often, the resistivity spectra of non-mineralised rocks cannot be interpreted with the Cole-Cole model. Therefore, a new model was introduced, which fits a great number of spectra measured by the author. During lab-measurements, current densities can appear, which leads to non-linear resisting in electronic conducting minerals. These appearances was examined closer by means of a pyrite sample. This sample shows that apart from a signal distortion, further time-controlled effects can be observed. The applied statistical resistivity estimating procedures also proved, in the presence of non-linearities, to be suitable in order to quantify the influence of the current density on the impedance. A test signal that modulates the current density was used in the investigation of time-controlled phenomena.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17798
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2096
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1799
Exam Date: 10-Oct-2007
Issue Date: 7-Mar-2008
Date Available: 7-Mar-2008
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Geoelektrik
Geophysik
Spektrale Induzierte Polarisation
Geoelectric
Geophysics
Spectral Induced Polarization
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