The borehole-fluid effect in electrical resistivity imaging

Fluid that fills boreholes in crosswell electrical resistivity investigations provides the necessary electrical contact between the electrodes and the rock formation but it is also the source of image artifacts in standard inversions that do not account for the effects of the boreholes. The image distortions can be severe for large resistivity contrasts between the rock formation and borehole fluid and for large borehole diameters. We have carried out 3D finite-element modeling using an unstructured-grid approach to quantify the magnitude of borehole effects for different resistivity contrasts, borehole diameters, and electrode configurations. Relatively common resistivity contrasts of 100:1 and borehole diameters of 10 and 20 cm yielded, for a bipole length of 5 m, apparent resistivity underestimates of approximately 12% and 32% when using AB-MN configurations and apparent resistivity overestimates of approximately 24% and 95% when using AM-BN configurations. Effects are generally more severe at shorter bipole spacings. We report the results obtained by either including or ignoring the boreholes in inversions of 3D field data from a test site in Switzerland, where approximately 10,000 crosswell resistivity-tomography measurements were made across six acquisition planes among four boreholes. Inversions of raw data that ignored the boreholes filled with low-resistivity fluid paradoxically produced high-resistivity artifacts around the boreholes. Including correction factors based on the modeling results fora ID model with and without the boreholes did not markedly improve the images. The only satisfactory approach was to use a 3D inversion code that explicitly incorporated the boreholes in the actual inversion. This new approach yielded an electrical resistivity image that was devoid of artifacts around the boreholes and that correlated well with coincident crosswell radar images.

A new method for geoelectrical investigations underwater

A new electrical method is proposed for determining the apparent resistivity of multi-earth layers located underwater. The method is based on direct current geoelectric sounding principles. A layered earth model is used to simulate the stratigraphic target. The measurement array is of pole-pole type; it is located underwater and is orientated vertically. This particular electrode configuration is very useful when conventional electrical methods cannot be used, especially if the water depth becomes very important. The calculated apparent resistivity shows a substantial quality increase in the measured signal caused by the underwater targets, from which little or no response is measured using conventional surface electrode methods. In practice, however, different factors such as water stratification, underwater streams or meteorological conditions complicate the interpretation of the field results. A case study is presented, where field surveys carried out on Lake Geneva were interpreted using the calculated apparent resistivity master-curves.

A filtering method to correct time-lapse 3D ERT data and improve imaging of natural aquifer dynamics

We have developed a processing methodology that allows crosshole ERT (electrical resistivity tomography) monitoring data to be used to derive temporal fluctuations of groundwater electrical resistivity and thereby characterize the dynamics of groundwater in a gravel aquifer as it is infiltrated by river water. Temporal variations of the raw ERT apparent-resistivity data were mainly sensitive to the resistivity (salinity), temperature and height of the groundwater, with the relative contributions of these effects depending on the time and the electrode configuration. To resolve the changes in groundwater resistivity, we first expressed fluctuations of temperature-detrended apparent-resistivity data as linear superpositions of (i) time series of riverwater-resistivity variations convolved with suitable filter functions and (ii) linear and quadratic representations of river-water-height variations multiplied by appropriate sensitivity factors; river-water height was determined to be a reliable proxy for groundwater height. Individual filter functions and sensitivity factors were obtained for each electrode configuration via deconvolution using a one month calibration period and then the predicted contributions related to changes in water height were removed prior to inversion of the temperature-detrended apparent-resistivity data. Applications of the filter functions and sensitivity factors accurately predicted the apparent-resistivity variations (the correlation coefficient was 0.98). Furthermore, the filtered ERT monitoring data and resultant time-lapse resistivity models correlated closely with independently measured groundwater electrical resistivity monitoring data and only weakly with the groundwater-height fluctuations. The inversion results based on the filtered ERT data also showed significantly less inversion artefacts than the raw data inversions. We observed resistivity increases of up to 10% and the arrival time peaks in the time-lapse resistivity models matched those in the groundwater resistivity monitoring data.

3D crosshole ERT for aquifer characterization and monitoring of infiltrating river water

The hydrogeological properties and responses of a productive aquifer in northeastern Switzerland are investigated. For this purpose, 3D crosshole electrical resistivity tomography (ERT) is used to define the main lithological structures within the aquifer (through static inversion) and to monitor the water infiltration from an adjacent river. During precipitation events and subsequent river flooding, the river water resistivity increases. As a consequence, the electrical characteristics of the infiltrating water can be used as a natural tracer to delineate preferential flow paths and flow velocities. The focus is primarily on the experiment installation, data collection strategy, and the structural characterization of the site and a brief overview of the ERT monitoring results. The monitoring system comprises 18 boreholes each equipped with 10 electrodes straddling the entire thickness of the gravel aquifer. A multi-channel resistivity system programmed to cycle through various four-point electrode configurations of the 180 electrodes in a rolling sequence allows for the measurement of approximately 15,500 apparent resistivity values every 7 h on a continuous basis. The 3D static ERT inversion of data acquired under stable hydrological conditions provides a base model for future time-lapse inversion studies and the means to investigate the resolving capability of our acquisition scheme. In particular, it enables definition of the main lithological structures within the aquifer. The final ERT static model delineates a relatively high-resistivity, low-porosity, intermediate-depth layer throughout the investigated aquifer volume that is consistent with results from well logging and seismic and radar tomography models. The next step will be to define and implement an appropriate time-lapse ERT inversion scheme using the river water as a natural tracer. The main challenge will be to separate the superposed time-varying effects of water table height, temperature, and salinity variations associated with the infiltrating water.

Archaeological Excavation Confirms the Geophysical Anomalies Recorded at the Cathedral of Tarragona - A Comparative Study

An integrated geophysical survey was conducted in September 2007 at the Cathedral of Tarragona (Catalonia, NE Spain), to search for archaeological remains of the Roman temple dedicated to the Emperor Augustus. Many hypotheses about its location have been put forward, the most recent ones suggesting it could be inside the present cathedral. Tarragona’s Cathedral, one of the most famous churches in Spain (12th century), was built during the evolution from the Romanesque to Gothic styles. As its area is rather wide, direct digging to detect hidden structures would be expensive and also interfere with religious services. Consequently, the use of detailed non-invasive analyses was preferred. A project including Electrical resistivity tomography (ERT) and Ground probing radar (GPR) was planned for a year and conducted during a week of intensive field survey. Both ERT and GPR provided detailed information about subsoil structures. Different ERT techniques and arrays were used, ranging from standard Wenner-Schlumberger 2D sections to full 3D electrical imaging using the MYG array. Electrical resistivity data were recorded extensively, making available many thousands of apparent resistivity points to obtain a complete 3D image after full inversion. The geophysical results were clear enough to persuade the archaeologists to excavate the area. The excavation confirmed the geophysical interpretation. In conclusion, the significant buried structures revealed by geophysical methods under the cathedral were confirmed by recent archaeological digging as the basement of the impressive Roman Temple that headed the Provincial Forum of Tarraco, seat of the Concilium of Hispania Citerior Province.

Estruturas de acumulação de água subterrânea em rochas cristalinas: estudo geofísico e geológico de casos no Estado do Rio Grande do Norte

Geological and geophysical studies (resistivity, self potential and VLF) were undertaken in the Tararaca and Santa Rita farms, respectively close to the Santo Antônio and Santa Cruz villages, eastern Rio Grande do Norte State, NE Brazil. Their aim was to characterize water acummulation structures in crystalline rocks. Based on geological and geophysical data, two models were characterized, the fracture-stream and the eluvio-alluvial through, in part already described in the literature. In the Tararaca Farm, a water well was located in a NW-trending streamlet; surrounding outcrops display fractures with the same orientation. Apparent resistivity sections, accross the stream channel, confirm fracturing at depth. The VLF profiles systematically display an alignment of equivalent current density anomalies, coinciding with the stream. Based on such data, the classical fracture-stream model seems to be well characterized at this place. In the Santa Rita Farm, a NE-trending stream display a metric-thick eluvioregolith-alluvial cover. The outcropping bedrock do not present fractures paralell to the stream direction, although the latter coincides with the trend of the gneiss foliation, which dips to the south. Geophysical data confirm the absence of a fracture zone at this place, but delineate the borders of a through-shaped structure filled with sediments (alluvium and regolith). The southern border of this structure dips steeper compared to the northern one. This water acummulation structure corresponds to an alternative model as regards to the classical fracture-stream, being named as the eluvio-alluvial trough. Its local controls are the drainage and relief, coupled with the bedrock weathering preferentially following foliation planes, generating the asymmetry of the through

Monitoramento temporal da pluma de contaminação do aterro controlado de Rio Claro (SP) por meio do método da eletrorresistividade

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Inversão vinculada de dados de EMAP e MT-1D anisotrópico

Uma técnica para a inversão de dados magnetotelúricos é apresentada neste trabalho. Dois tipos de dados são tratados aqui, dados gerados por modelos unidimensionais com anisotropia na condutividade das camadas e dados bi-dimensionais de levantamentos do método EMAP (ElectroMagnetic Array Profiling). Em ambos os casos fazemos a inversão usando vínculos aproximados de igualdade para estabilizar as soluções. Mostramos as vantagens e as limitações do uso destes vínculos nos processos de inversão. Mesmo vinculada a inversão ainda pode se tornar instável. Para inverter os dados 2-D do EMAP, apresentamos um processo que consiste de três partes: 1 – A construção de um modelo interpretativo e da aproximação inicial para a inversão a partir dos dados de seções de resistividade aparente filtradas pelo processo de filtragem do EMAP; 2 – a inclusão de uma camada de corpos pequenos aflorantes, chamada de camada destatic shift, aos modelos interpretativos para resolver as fontes de distorções estáticas que contaminam os dados; 3 – o uso dos vínculos aproximados de igualdade absoluta para estabilizar as soluções. Os dois primeiros passos nos permitem extrair o máximo de informação possível dos dados, enquanto que o uso dos vínculos de igualdade nos permite incluir informação a priori que possua significado físico e geológico. Com estes passos, obtemos uma solução estável e significativa. Estudaremos o método em dados sintéticos de modelos bi-dimensionais e em dados reais de uma linha de EMAP feita na Bacia do Paraná.

Modelagem 2,5D dos campos usados no Método Eletromagnético a Multi-Frequência - EMMF

Esta tese mostra a modelagem 2,5D de dados sintéticos do Método Eletromagnético a Multi-frequência (EMMF). O trabalho é apresentado em duas partes: a primeira apresenta os detalhes dos métodos usados nos cálculos dos campos gerados por uma bobina horizontal de corrente colocada sobre a superfície de modelos bidimensionais; e a segunda, usa os resultados obtidos para simular os dados medidos no método EMMF, que são as partes real e imaginária da componente radial do campo magnético gerado pela bobina. Nesta segunda parte, observamos o comportamento do campo calculado em diversos modelos, incluindo variações nas propriedades físicas e na geometria dos mesmos, com o intuito de verificar a sensibilidade do campo observado com relação às estruturas presentes em uma bacia sedimentar. Com esta modelagem, podemos observar as características dos dados e como as duas partes, real e imaginária, contribuem com informações distintas e complementares. Os resultados mostram que os dados da componente radial do campo magnético apresentam muito boa resolução lateral, mesmo estando a fonte fixa em uma única posição. A capacidade desses dados em distinguir e resolver estruturas alvo será fundamental para o trabalho futuro de inversão, bem como para a construção de seções de resistividade aparente.

Modelagem numérica da influência do eletrojato equatorial em dados magnetotelúricos produzidos por estruturas tridimensionais

A América do Sul apresenta várias peculiaridades geomagnéticas, uma delas, é a presença do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influência do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes distâncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na exploração magnetotelúrica no Brasil. A influência do eletrojato equatorial na prospecção magnetotelúrica tem sido modelada para meios geológicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de soluções analíticas fechadas e de técnicas numéricas tais como elementos finitos e diferenças finitas. Em relação aos meios geológicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais próprias da geofísica da prospecção. Com tal finalidade, utilizamos o esquema numérico da equação integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influência do eletrojato equatorial somente acontece em frequências menores que 10^-1 Hz. Este efeito decresce com a distância, mantendo-se até uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presença de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espaço homogêneo, indica que a influência do eletrojato é notável neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localização também muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-elétricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e não mostra muitas diferenças entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipação da energia eletromagnética devido à presença da estratificação e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagnética tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localização do corpo, da frequência, do tipo de eletrojato e do meio geológico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presença da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, há uma aproximação entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em relação à resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequências as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequências se mostram com os mesmos valores, com exceção dos eletrojatos ondulantes com parâmetros de ondulação α = —2 e —3. Nossos resultados também mostram que características geométricas próprias das estruturas tridimensionais, tais como sua orientação em relação à direção do eletrojato e a dimensão da sua direção principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em comparação com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional é rotacionada de 90°, em relação à direção do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polarizações nas resistividades dos resultados, mas não existem mudanças nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, porém, se percebe facilmente alterações nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posição original. Isto se deve à persistência dos efeitos galvânicos no centro da estrutura e à presença de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a direção principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotelúricas vão se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polarização XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados estão muito longe de se considerar próximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Porém, os efeitos do eletrojato em estruturas com direção principal alongada, são muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferenças entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito é causado pelo acanalamento das correntes ao longo da direção principal da estrutura. O modelamento de estruturas geológicas da Bacia de Marajó confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes distâncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freqüência (nas proximidades de 10^-1 Hz e para freqüências menores que 10^-3 Hz), possivelmente influenciados pela presença do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freqüências as sondagens magnetotelúricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galvânicos da estrutura tridimensional como pela presença da influência do eletrojato. Conseqüêntemente, interpretações errôneas dos dados de campo podem ser cometidas, se não se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, não se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard.

Análise da resolução do modelo de Hughes em sondagens magnetotelúricas

Na maioria dos métodos de exploração geofísica, a interpretação é feita assumindo-se um modelo da Terra uniformemente estratificado. Todos os métodos de inversão, inclusive o de dados eletromagnéticos, exigem técnica de modelamento teórico de modo a auxiliar a interpretação. Na literatura os dados são geralmente interpretados em termos de uma estrutura condutiva unidimensional; comumente a Terra é assumida ser horizontalmente uniforme de modo que a condutividade é função somente da profundidade. Neste trabalho uma técnica semi-analítica de modelagem desenvolvida por Hughes (1973) foi usada para modelar a resposta magnética de duas camadas na qual a interface separando as camadas pode ser representada por uma expansão em série de Fourier. A técnica envolve um método de perturbação para encontrar o efeito de um contorno senoidal com pequenas ondulações. Como a perturbação é de primeira ordem a solução obtida é linear, podemos então usar o princípio da superposição e combinar soluções para várias senoides de forma a obter a solução para qualquer dupla camada expandida em série de Fourier. Da comparação com a técnica de elementos finitos, as seguintes conclusões podem ser tiradas: • Para um modelo de dupla camada da Terra, as camadas separadas por uma interface cuja profundidade varia senoidalmente em uma direção, as respostas eletromagnética são muito mais fortes quando a espessura da primeira camada é da ordem do skin depth da onda eletromagnética no meio, e será tanto maior quanto maior for o contraste de condutividade entre as camadas; • Por outro lado, a resistividade aparente para este modelo não é afetada pela mudança na frequência espacial (v) do contorno; • Em caso do uso da solução geral para qualquer dupla camada na Terra cuja interface possa ser desenvolvida em série de Fourier, esta técnica produziu bons resultados quando comparado com a técnica de elementos finitos. A linerização restringe a aplicação da técnica para pequenas estruturas, apesar disso, uma grande quantidade de estruturas pode ser modelada de modo simples e com tempo computacional bastante rápido; • Quando a dimensão da primeira camada possui a mesma ordem de grandeza da estrutura, esta técnica não é recomendada, porque para algumas posições de sondagem, as curvas de resistividade aparente obtidas mostram um pequeno deslocamento quando comparadas com as curvas obtidas por elementos finitos.

Aplicação dos métodos elétrico e eletricomagnético para o estudo hidrogeológico no município de Altamira-Pará

Este trabalho trata da aplicação dos métodos geofísicos eletroresistivo e eletromagnético no município de Altamira, região central do Estado do Pará, com a finalidade de fazer o mapeamento da espessura das camadas aqüíferas, bem como a ocorrência de intrusões de diabásio na área do município, permitindo uma melhor locação de pontos para perfuração com fins de captação à água subterrânea. Na área estudada, verificam-se afloramentos de rochas cristalinas do embasamento coberto por sedimentos com idade variando desde o Paleozóico ao Quaternário, com esperança de se obter água nos sedimentos do Devoniano Inferior, mais precisamente na formação Maecuru. Foram executadas 34 sondagens elétricas verticais com arranjo Schlumberger com AB/2 variando de 100 a 500 metros. 108 sondagens eletromagnéticas transientes também foram executadas com arranjo "loop coincidente", com 50 metros de lado. Por problemas eletrônicos adicionados aos ruídos de fenômenos supraparamagnéticos, os resultados das sondagens eletromagnéticas apresentaram-se muito distorcidos, não tendo sido possível extrair deles informação geológica de relevância. Por isso, foram criados modelos eletromagnéticos sintéticos representando a situação geológica da área. Os dados obtidos no campo em forma de curvas de resistividade aparente, foram plotados em papel bilogarítmo e interpretados com a ajuda de algoritmos direto e inverso os quais considera modelos de camadas horizontalmente estratificadas, homogêneas e isotrópicas. Os resultados da interpretação permitiram estabelecer modelos geoelétricos aproximados refletindo a situação geológica na subsuperfície. Os resultados da interpretação das sondagens elétricas, foram confrontados com os resultados da interpretação qualitativa do mapa de isogamas do campo magnético total, permitindo delimitar com maior precisão a zona de incidência de soleiras de diabásio, situada a norte da área. Dos quatro horizontes geoelétricos distinguidos, o terceiro é essencialmente constituído por arenitos, apresentando, por isso, melhores condições para armazenamento de água subterrânea.