Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4294
Main Title: Geophysical characterization of the Föhr island groundwater system
Translated Title: Geophysikalische Charakterisierung des Grundwassersystems der Insel Föhr
Author(s): Burschil, Thomas
Advisor(s): Krawczyk, Charlotte M.
Wiederhold, Helga
Referee(s): Krawczyk, Charlotte M.
Wiederhold, Helga
Börner, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die globale Erderwärmung und der fortschreitende Klimawandel betreffen insbesondere sensible Regionen wie z.B. Küstengebiete. Eine Möglichkeit, die Auswirkungen auf Grundwassersysteme in diesen Gebieten abzuschätzen, stellt die Grundwassermodellierung dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt darin, die für diese Modellierung notwendige strukturelle Information und petrophysikalische Parameter aus der Kombination geophysikalischer und geologischer Methoden herzuleiten. Das Untersuchungsgebiet ist die Nordseeinsel Föhr. Hier wurden verschiedene geophysikalische Methoden zwischen 2008 und 2011 angewendet und die Ergebnisse mit geologischen Informationen aus Bohrlöchern und Kenntnissen der regionalen Geologie zusammengeführt. 2D Reflexionsseismik mit P-Wellen und SH-Wellen sowie Vertikale Seismische Profile (VSP) liefern ein strukturelles Abbild des Untergrundes sowie seismische Geschwindigkeiten. Mit Hubschrauber-Elektromagnetik (AEM) wird die räumliche Verteilung des spezifischen Widerstandes kartiert. Alle gemessenen Daten sind von guter bis sehr guter Qualität, eine Ausnahme bilden die Daten der SH-Wellen Reflexionsseismik. Im ersten Teil der Doktorarbeit wurde die Inversion der AEM Daten mit a-priori Informationen aus der Seismik verbessert. Dazu wurden Reflexionshorizonte in der P-Wellen Seismik interpretiert und als Randbedingungen in die AEM Inversion eingefügt. Die resultierenden Widerstands-Tiefen- Modelle passen sich dadurch der Lage der seismischen Reflektoren an. Die Randbedingungen beeinflussen sowohl die Widerstandsmodelle auf den seismischen Linien als auch entferntere Widerstandsmodelle aufgrund der räumlichen Randbedingungen des Inversionsalgorithmus. Mit dieser verbesserten Inversion wurde ein vorher nicht erkannter Aquifer erfolgreich identifiziert. Im zweiten Teil wurden Bohrlochdaten (Elektriklogs, VSP) ausgewertet und mit der vorliegenden Lithologie korreliert. Diese petrophysikalische Charakterisierung von Sand, Geschiebemergel und Ton wurde für seismische Geschwindigkeiten und spezifische Widerstände aus unterschiedlichen Logging-Methoden und projizierten AEM Widerstandsmodellen durchgeführt. Die Ergebnisse unterstützen die Interpretation der geophysikalischen Daten. Aus einer gemeinsamen Interpretation aller geophysikalischen und geologischen Daten wurden Konstruktionsschnitte als Basis für das hydrogeologische 3D Untergrundmodell erzeugt. Grenzflächen zwischen Aquiferen und Aquitarden wurden sowohl an die Konstruktionsschnitte als auch an die Widerstandsverteilung angepasst und in das 3D Modell integriert. Dieses bildet das Grundgerüst für die anschließende Grundwassermodellierung. Im dritten Teil wurde die Datenqualität der SH-Wellen Reflexionsseismik mittels Finite-Differenzen- Modellierung untersucht. Als Strukturmodell wurde ein Profilschnitt des hydrogeologischen Modells verwendet, der mit seismischen Geschwindigkeiten aus der petrophysikalischen Charakterisierung und Dichtewerten aus der Literatur belegt wurde. Simulierte P-Wellen Einzelschüsse wurden mittels eines einfachen seismischen Prozessings zu einer 2D-Sektion aufgestapelt. Ein Vergleich der synthetischen Daten mit den gemessenen Daten zeigte deutliche Abweichungen, die uns zu einer Überarbeitung des Strukturmodells veranlassten. Dieses um Schichten erweiterte und verbesserte 2D-Modell wurde wiederum mit P-Wellen Geschwindigkeiten und Dichtewerten belegt. Die benötigten S-Wellen Geschwindigkeiten wurden aus einer Korrelation von vP und vS, die aus VSP-Daten abgeleitet wurde, berechnet. Die P-Wellen Simulation des modifizierten Modells stimmt besser mit den Felddaten überein, sodass dieses Geschwindigkeitsmodell für die SH-Wellen Modellierung verwendet wurde. Die synthetischen SH-Wellen Daten bilden aber die Felddaten nicht ab, demzufolge müssen weitere Effekte wie Streuung an Inhomogenität oder Dämpfung berücksichtigt werden. Einen negativen Einfluss der Messgeometrie auf die Ergebnisse können wir ausschließen. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die erfolgreiche Entwicklung von geophysikalischen Messungen zu einem 3D Untergrundmodell. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der methodischen Verbesserung der geophysikalischen Daten sowie der petrophysikalischen Charakterisierung. Auf ihre Qualität geprüfte Daten wurden in ein hydrogeologisches 3D Modell zusammengeführt, und bilden die Grundlage für eine verlässliche Grundwassermodellierung für die Insel Föhr.
Climate change impacts groundwater systems, especially in sensitive environments like coastal areas. For this work, geophysical and geological methods provide structural and parametrical information as the starting point for groundwater modelling and the subsequent assessment of climate change effects for groundwater systems. During this doctoral project, various geophysical methods were applied on the North Sea island of Föhr. In combination with the analysis of borehole logging data and information about the regional geological evolution, these data contribute to the groundwater modelling. In particular, two 2D P-wave reflection seismic surveys, consisting of seven profiles, and one 2D SH-wave reflection seismic survey, consisting of three profiles, were carried out to gain structural information and seismic velocities. Five Vertical Seismic Profiles (VSP) refine the knowledge about seismic velocities, and one airborne electromagnetic (AEM) survey reveals the resistivity distribution of the entire island. Additional borehole logging data were made available by the local water supply company. All data show good to excellent data quality except for SH-wave reflection seismic data, which show minor quality. First, the inversion of the AEM data was improved by constraints from reflection seismic information. Features of the P-wave depth sections were interpreted as a detachment and a till layer, which were subsequently used to constrain the inversion. This directs the interfaces of the resistivity models to the seismic features and allows stronger correlation of AEM and seismic results. Additionally, the seismic 2D information is projected to 3D by a chosen inversion algorithm (spatially constrained inversion). For instance, one fresh-water saturated sand-layer is first identified below a till layer in the resistivity distribution of the constrained inversion. Second, a petrophysical characterization for sand, till, and clay was achieved from five VSP, logging data, and nearby resistivity inversion models of 18 boreholes. Histograms of geophysical parameters were calculated according to the lithology. The site-specific values for seismic velocities and resistivity support the interpretation of the geophysical results. The geophysical and geological data were compiled into a simplified hydrogeological 3D model of aquitards and aquifers. A number of auxiliary construction cross-sections were created according to a combined interpretation. Hydrogeological interfaces were adjusted to these cross-sections and fitted to the inverted AEM resistivity volume. This model provides the architecture for subsequent groundwater flow modelling. Third, the reason for the minor shear-wave data quality was investigated with seismic finite-difference modelling. A cross-section of the compiled hydrogeological model was assigned by lithologies and affiliated velocities from the petrophysical characterization and densities from literature. Single P-wave shots were modelled according to the field geometry and generated a stacked section by applying a simple standard processing scheme. Significant discrepancy between synthetic and field P-wave data led to modify the input model. The number of units was increased with respect to reflectors in the seismic depth section of the field data, and P-wave velocities and densities were assigned. Correlation of vP and vS provided shear-wave velocities. The synthetic P-wave data, simulated with the modified model, reproduced sufficiently the field data, so that SH-wave modelling was started. With this setting, the modelling has not reproduced the SH-wave field data and therefore additional effects have to be included, for instance scattering at inhomogeneities or damping. So far, the appropriate field geometry for the SH-wave surveys was assessed, and that the appearance of excited surface waves strongly depends on the local subsurface was identified. In summary, this work demonstrates the successful progress from geophysical field data to a detailed subsurface model, mainly benefiting from methodical data improvement and petrophysical parameter combination. Using the determined spatially-varying properties, field data of good quality are compiled into a hydrogeological 3D model that has good prediction potential for groundwater modelling.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60220
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4591
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4294
Exam Date: 5-Dec-2014
Issue Date: 22-Dec-2014
Date Available: 22-Dec-2014
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Angewandte Geophysik
Reflexionsseismik
Hubschrauberelektromagnetik
Grundwasser
seismische Modellierung
Applied geophysics
reflection seismics
airbrone electromagnetics
groundwater
seismic modeling
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