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Deep Electromagnetic Sounding for Mineral EXploration (DESMEX) 2

Ziel des Verbundprojekts DESMEX 2 ist die Anwendung einer neuen semi-airborne (d.h. Sender am Boden und Luftgestützte Magnetfeldmessungen) CSEM Erkundungsmethode für Erzlagerstätten in Tiefen bis 1 km. Das Teilprojekt IV am LIAG konzentriert sich auf Modellierung und Inversion.

Abb. 1: Übersicht der verwendeten Explorations-Methoden

In der ersten Phase des Verbundprojekts (DESMEX 1) bis 2019 stand die Realisierung des Verfahrens und die Demonstration an zwei Lokationen (Antimonitlagerstätte Schleiz und Eisenerzlagerstätte Kiruna, Schweden) im Vordergrund. In der zweiten Phase stellen wir die Anwendung an diversen Lagerstätten in Deutschland, Schweden und Namibia in den Vordergrund, auch mit neuartigen Sensortechnologien wir optisch gepumpten Magnetometern. Zusätzlich zu den aktiven semi-airborne Experimenten nehmen wir auch AFMAG (Audiofrequenz-Magnetotellurik mit natürlichen Quellen) Daten für größerskalige Untersuchungen auf. Weiterhin setzen wir als Alternative zum Hubschrauber Drohnen-EM-Systeme ein, um detailliertere Strukturen auf kleineren Skalen zu untersuchen (Abb.1).

Die entwickelte 3D CSEM Inversion auf beliebigen Geometrien (Rochlitz et al. 2023) wird von den Projektpartnern zur Auswertung eingesetzt. Im Projekt DESMEX-real wird die Technologie auf die Erkundung des Reallabors Oberharz großskalig eingesetzt. Dazu wird auch das Experimentaldesign für ausgedehnte Gebiete optimiert (Nazari et al. 2023) und hierarchische Inversionskonzepte eingesetzt.

Vorwärtsmodellierung

Hauptaufgabe des LIAG in DESMEX I war die Entwicklung eines 3D Finite-Elemente Codes im Frequenzbereich für beliebige CSEM Aufstellungen - die Python-Toolbox custEM (https://custem.readthedocs.io/). Im Folgeprojekt DESMEX II, LIAG ist verantwortlich für die Verbesserung und Weiterentwicklung auf zusätzliche Funktionalitäten für die Transient-Elektromagnetik (TEM) (Figure 2), Einbeziehung der Induzierten Polarisiation (Figure 3), und Elektromagnetik mit natürlichen Quellen (Magnetotellurik, MT) (Figure 4). Ein weiteres Ziel ist die Optimierung der Modellierung mit custEM bezüglich Genauigkeit, Performanz und Robustheit als Grundlage für die 3D-Inversion.

Abb. 3: 1D Validierung von Induzierter Polarisations (IP) Effekten auf Basis von Cole-Cole Modellen mit Referenzlösungen aus empymod (https://empymod.emsig.xyz), a) Geometrie und Cole-Cole Parameter eines Drei-Schicht-Modells mit zwei verschiedenen Sendern, b) (schwache) Ex Komponente auf Beobachtungslinie zwischen 1 und 10000 Hz, c) Abweichungen.
Figure 2: 3D LOTEM Simulation und Cross-Validierung gegen die etablierte SLDMEM Software, a) Aufsicht des Netzes und Tx/Rx Geometrie, b) 3D Ansicht der Anomalies, c) Vertikalkomponnte der Impuls-Response von drei verschiedenen custEM Ansätzen und SLDMEM Referenzlösung für angegebene Rx Positionen, d) relative Misfits zu c).
Abb. 4: 3D Magnetotellurik (MT) Simulation des Dublin Test Modells 1 a) Aufsicht der Modell-Geometrie, b) 3D Darstellung der Anomalien, c) scheinbare spez. Widerstände bei @0.0001 Hz auf x-gerichteter Beobachtungslinie im Vergleich mit Referenzlösungen, d) Abweichungen.
Abb. 5: Testfall einer 2.5D Inversion von synthetischen Daten einer oberflächen-parallele Fluglinie für eine flach einfallende Platte mit Topographie, a) Modellgeometrie und Leitfähigkeitsverteilung, b) Inversionsergebnisse der Hz-Komponente mit 3% Rauschen, und einem Chi-Quadrat-Misfit von 1.78.

Inversion

Hauptaufgabe des LIAG in DESMEX II war die Implementierung von flexiblen, mehrdimensionalen Inversionsalgorithmen für semi-airborne CSEM Daten. Wir erprobten dazu verschiedene Ansätze auf der Basis des Vorwärtslösers custEM innerhalb des Inversions-Frameworks pyGIMLi. Ziel war es, die realen Geometrien der Topographie, Sender und Empfänger einzubauen und die Magnetfelder aus den Luftmessungen gemeinsam mit elektrischen und magnetischen Feldern der Bodenstationen zu invertieren.

Eine Möglichkeit der Nutzung der direkten Solver der Vorwärtslösung ist die Speicherung der Faktorisierung für die Berechnung der Jacobi-Matrix. Weiterhin bietet sich an, ein inverses Gitter durch Gruppierung von Tetraedern einzusetzen, um die Anzahl der Unbekannten bei hoher Genauigkeit der Vorwärtslösung klein zu halten. Beispielsweise benutzen wir 750 Prismen mit +/-500m Ausdehnung in y-Richtung, um synthetische Daten einer flach abtauchenden Platte in 2D zu invertieren (Figure 5).

Die schließlich durch Rochlitz et al. (2023) publizierte Methode erfüllte alle Anforderungen und ist damit allen verfügbaren Inversionscodes hinsichtlich der Flexibilität überlegen, überzeugt aber auch mit der Performance. Dies wurden anhand der Inversion von Felddaten von fünf Fluggebieten aus Schleiz (DESMEX I) demonstriert. Sie wurde innerhalb des Projekts auf großskalige Auswertung von Felddaten von der Graphitlagerstätte Kropfmühl eingesetzt (Mörbe et al., 2024) und erfährt besondere Bedeutung bei der großflächigen Befliegung des Oberharzes (DESMEX-REAL). Darüber hinaus wird sie für die Auswertung von Drohnen-Befliegungen eingesetzt.

Publikationen aus dem Projekt

  • Mörbe, W., Yogeshwar, P., Tezkan, B., Kotowski, P., Thiede, A., Steuer, A., Rochlitz, R., Günther, T., Brauch, K. & Becken, M. (2024): Large-scale 3D inversion of semi-airborne electromagnetic data - topography and induced polarization effects in a graphite exploration scenario. Geophysics 89(5), B339-B352, doi:10.1190/geo2023-0471.1.
  • Nazari, S., Rochlitz, R. & Günther, T. (2023): Optimizing semi-airborne electromagnetic survey design for mineral exploration, Minerals 23(6), 796, doi:10.3390/min13060796.
  • Rochlitz, R., Becken, M. & Günther, T. (2023): Three-dimensional inversion of semi-airborne electromagnetic data with a second-order finite-element forward solver. Geophys. J. Int., 234(1), 528-545. doi:10.1093/gji/ggad056.
  • Rochlitz, R., Seidel, M. & Börner, R.-U. (2021):Evaluation of three approaches for simulating 3-D time-domain electromagnetic data. Geophysical Journal International, 227(3): 1980-1995. doi:10.1093/gji/ggab302
  • Werthmüller, D., Rochlitz, R., Castillo-Reyes, O. & Heagy, L. (2021): Towards an open-source landscape for 3-D CSEM modelling, - Geophysical Journal International 227(1): 644-659. doi:10.1093/gji/ggab238
  • Becken, M., Nittinger, C., Smirnova, M., Steuer, A., Martin, T., Petersen, H., Meyer, U., Matzander, U., Friedrichs, B., Rochlitz, R., Günther, T., Mörbe, W., Yogeshwar, P., Tezkan, B., Schiffler, M. & Stolz, R. (2020): DESMEX: A novel system development for semi-airborne electromagnetic exploration. - Geophysics, 85(6): E239-E253, doi:10.1190/geo2019-0336.1
  • Steuer, S., Smirnova, M., Becken, M., Schiffler, M., Günther, T., Rochlitz, R., Yogeshwar, P., Mörbe, W., Siemon, B., Costabel, S., Preugschat, B., Ibs-von Seht, M., Zampa, L.S. & Müller, F. (2020): Comparison of novel semi-airborne electromagnetic data with multi-scale geophysical, petrophysical and geological data from Schleiz, Germany, J. Appl. Geophys. 182: 104172, doi:10.1016/j.jappgeo.2020.104172
  • Rochlitz, R., Skibbe, N. & Günther, T. (2019): custEM: customizable finite element simulation of complex controlled-source electromagnetic models. Geophysics 84(2): F17-F33, doi:10.1190/geo2018-0208.1

Team

Bearbeitung
Dr. Michael Weiss

Projektleitung
Dr. Thomas Günther
Dr. Raphael Rochlitz

Förderung

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms Fona-r4

Laufzeit: 01.07.2019-31.12.2023