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DESMEX - Teilvorhaben IV: Modellierung und Inversion

Ziel des BMBF-geförderten Verbund-Projekts DESMEX (Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration) ist die Entwicklung einer semi-airborne (Boden-Sender/Empfänger und Luft-gestützte Empfänger) CSEM-Erkundungsmethodik für Erzlagerstätten bis 1 km Tiefe. Es kombiniert starke Dipol-Sender mit neuen Magnetfeld-Sensoren sowie neuen Modellierungs-Ansätzen.

Das Teilprojekt des LIAG beschäftigt sich, neben der Teilnahme an Messkampagnen mit dem LIAG-Transmitter, vor allem mit 3D-Finite-Elemente Modellierung mittels der quelloffenen Software custEM (Rochlitz et al. 2019). Diese ist in der Lage, beliebige Topographien, beliebig ausgelegte Sender und Empfänger und komplizierte geologische Strukturen realistisch und genau zu modellieren (Abb. 1). Zusätzlich werden geoelektrische Messungen als Referenz durchgeführt.

Entwicklung der 3D-FE-Toolbox custEM

Im Rahmen des Projekts wurde die 3D Finite Elemente toolbox custEM (Rochlitz et al., 2019; Rochlitz 2020) zur Modellierung von beliebigen CSEM Daten entwickelt, die mittlerweile auch luftgestützte, marine und gemischte Settings unterstützt. Der Code basiert auf den open-source Bibliotheken FEniCS, pyGIMLi und TetGen. Erstere stellt alle erforderlichen FEM Bausteine wie spezielle Element-Typen mit Basisfunktionen höherer Ordnung, Solver und Parallelisierung bereit. Die irregulären Tetraeder-Gitter werden mit Tetgen erzeugt und die dafür nötigen geometrischen Beschreibungen mit pyGIMLi.

Verschiedene Totalfeld und Sekundärfeld Ansätze für E-Feld und H-Feld und deren Potentialfelder wurden implementiert. Die Primärfelder können sehr effizient mit Routinen aus der parallel entwickelten COMET-Toolbox berechnet werden. Interpolations- und Visualisierungs-Tools vereinfachen das Post-Prozessing. custEM ist unter ständiger Weiterentwicklung im Nachfolgeprojekt DESMEX II. Im Vergleich zur veröffentlichten Version, wurden zahlreiche Ergänzungen programmiert, welche die Performance, Robustheit und Benutzer-Freundlichkeit verbessern. Die ursprünglichen Rechnungen im Frequenzbereich wurden erweitert durch Zeitbereichs-Algorithmen mit verschiedenen Ansätzen, weiter kann man mittlerweile Natural Source EM rechnen.

Beispielhaft präsentieren wir eine wichtige Anwendung (Abb. 4): Wir nutzen das Modell aus Abb. 2 um die Unterschiede der simulierten Felder zwischen der realen Topographie und der vergleichbaren flachen Erde anzuschauen. Das Ergebnis zeigt dass, selbst bei dieser glatten Topographie, in manchen Gebieten die relativen Änderungen größer als 10% werden können und die Feldvektoren ihre Richtung um bis zu 10° verändern können. Daher ist es nötig, die reale Geometrie bei der Auswertung von 3D CSEM-Daten zu berücksichtigen, und Inversionsalgorithmen auf der Basis von custEM unumgänglich für den Projektverlauf sind. Das ist eines der Hauptziele im Nachfolge-Projekt DESMEX II.

Weitere Anwendungen kann man in Rochlitz et al. (2019) and Rochlitz (2020) finden. Weiterhin, beinhaltet das custEM Quellcode Repositorium https://gitlab.com/Rochlitz.R/custEM viele Beispiele für verschiedene Modellierungsaufgaben.

Großskalige Geoelektrik-Tomographie

Im Messgebiet Schleiz wurden die Methoden aus DESMEX I angewendet und mit etablierten Methoden wie Airborne-Elektromagnetik (HEM), Transient-Elektromagnetik mit großen Offsets (LOTEM) verglichen. Hauptziel war ein bekanntes Antimonit-Vorkommen, das bis in 100m Tiefe ausgebeutet wurde aber dessen weiterer (tieferer) Verlauf unbekannt ist.

 

In den Jahren 2015 und 2016 führten wir in zwei Schritten ein großskaliges Dipo-Dipol-Experiment mit einer Gesamtlänge von 7,5 km auf dem Hauptprofil quer zum Bergaer Antiklinorium durch (Abb. 5, blaue Linie, aus Steuer et al., 2020). Wir haben 60 Empfänger-Dipole mit einem Elektrodenabstand von 125m benuttz und an fast allen Dipolen Ströme im Bereich 10-25 A eingespeist. Das 2D-Inversionsergebnis wird in Abb. 6 im Vergleich mit HEM, LOTEM und semi-airborne Resultaten gezeigt. Die leitfähigen Strukturen können vor allem als Schwarzschiefer interpretiert werden, während sich andere Schiefer, Grauwacken und Diabase als resistive Einheiten zeigen.

Publikationen aus dem Projekt

  • Comparison of novel semi-airborne electromagnetic data with multi-scale geophysical, petrophysical and geological data from Schleiz, Germany. - Journal of Applied Geophysics, 182, 104172.
    2020, 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.
  • Analysis and open-source Implementation of Finite Element Modeling techniques for Controlled Source Electromagnetics, Dissertation, WWU Münster.
    2020, ROCHLITZ, R.
  • DESMEX: A novel system development for semi-airborne electromagnetic exploration. - Geophysics, 85(6), E239-E253.
    2020, BECKEN, M., NITTINGER, C., SMIRNOVA, M., STEUER, A:, MARTIN, T., PETERSEN, H., MEYER, U., MÖRBE, W., YOGESHWAR, P., TEZKAN, B., MATZANDER, U., FRIEDRICHS, B., ROCHLITZ, R., GÜNTHER, T., SCHIFFLER, M., STOLZ, R. & THE DESMEX WORKGROUP
  • A novel semi-airborne frequency-domain CSEM system. Three-dimensional inversion of semi-airborne data from the flight experiment over an ancient mining area near Schleiz, Germany - Geophysics, 84 (5): E281-E292.
    2019, SMIRNOVA, M.V., BECKEN, M., NITTINGER, C., YOGESHWAR, P., MÖRBE, W., ROCHLITZ, R., STEUER, A., COSTABEL, S., SMIRNOV, M.Y. AND THE DESMEX WORKING GROUP.
  • custEM: customizable finite element simulation of complex controlled-source electromagnetic models. - Geophysics, 84(2), F17-F33.
    2019, ROCHLITZ, R., SKIBBE, N. & GÜNTHER, T.
  • Capability of low-temperature SQUID for transient electromagnetics under anthropogenic noise conditions. - Geophysics 83(6), E371-383.
    2018, ROCHLITZ, R., QUEITSCH, M., YOGESHWAR, P., GÜNTHER, T., CHWALA, A., JANSER, S., KUKOWSKI, N. & STOLZ, R.

Team

Förderung

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

Laufzeit:

01.03.2015-28.02.2019