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Joint inversion of seismic refraction and resistivity data using layered models: Applications to groundwater investigation
Formerly Geological Survey of Sweden, Geophysics, Uppsala, Sweden; presently LKAB, Kiruna, Sweden..
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, Geophysics.
2015 (English)In: Geophysics, ISSN 0016-8033, E-ISSN 1942-2156, Vol. 80, no 1, EN43-EN55 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

We developed a method for joint inversion of seismic refraction and resistivity data, using sharp-boundary models with few layers (typically three). We demonstrated the usefulness of the approach via examples from near-surface case studies involving shallow groundwater exploration and geotechnical investigations, although it should also be applicable to other types of layered environments, e.g., sedimentary basins. In our model parameterization, the layer boundaries were common for the resistivity and velocity distributions. Within the layers, only lateral variations in the material parameters (resistivity and velocity) were allowed, and we assumed no correlation between these. The inversion was performed using a nonlinear least-squares algorithm, using lateral smoothing to the layer boundaries and to the materialparameters. Depending on the subsurface conditions, the smoothing can be applied either to the depth of the layer boundaries or to the layer thicknesses. The forward responses and Jacobian for refraction seismics were calculated through ray tracing. The resistivity computations were performed with finite differences and a cell-to-layer transform for the Fréchet derivatives. Our method performed well in synthetic tests, and in the case studies, the layer boundaries were in good agreement with in situ tests and seismic reflection data, although minimum-structure inversion generally has a better data fit due to more freedom to introduce model heterogeneity. We further found that our joint inversion approach can provide more accurate thickness estimates for seismic hidden layers.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. Vol. 80, no 1, EN43-EN55 p.
Keyword [en]
inversion, near surface, resistivity, engineering, refraction
National Category
Geophysics
Research subject
Geophysics with specialization in Solid Earth Physics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-215665DOI: 10.1190/GEO2013-0476.1ISI: 000352105900022OAI: oai:DiVA.org:uu-215665DiVA: diva2:688082
Available from: 2014-01-15 Created: 2014-01-15 Last updated: 2017-12-06Bibliographically approved
In thesis
1. Inversion and Joint Inversion of Electromagnetic and Potential Field Data
Open this publication in new window or tab >>Inversion and Joint Inversion of Electromagnetic and Potential Field Data
2014 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[de]
Inversion und kombinierte Inversion von elektromagnetischen und Potentialfelddaten
Abstract [en]

In this thesis, four inversion problems of different scale and difficulty are solved. Two of them are electromagnetic inverse problems. Two more are joint inversion problems of potential field data and other types of data. First, a linear approximation, which is a generalization of the low-induction-number approximation standard in slingram dual-loop interpretation is developed and used for rapid two and three dimensional inversion. The approximation takes induction within a background half-space into account and can thus be applied in conductive scenarios, where otherwise a rigorous electromagnetic modeling would be required. Second, a three-dimensional inversion of airborne tensor very-low-frequency data with a rigorous forward modeling at its core is developed. For dealing with the large scale of the forward problem, a nested fast-Fourier-transform-based integral equation method is introduced, wherein electromagnetic interactions are arranged according to their range and larger ranges are treated with less accuracy and effort. The inversion improves the traditional interpretation through data derived maps by providing a conductivity model, thus constraining the upper few hundred meters of the crust down to the shallowest conductor and allowing the study of its top in three dimensions. The third inversion problem is the the joint inversion of refraction and geoelectric data. By requiring the velocity and resistivity models to share a common, laterally variable layered geometry, easily interpretable models, which are reasonable in many geological near surface situations (e.g., groundwater exploration in Quaternary sediments), are produced directly from the joint inversion. Finally, a joint inversion of large scale potential field data from a gabbro intrusion is presented. Gravity and magnetic data are required to abide to a petrophysical constraint, which is derived from extensive field sampling. The impact of the constraint is maximized under the provision that both data sets are explained equally well as they would be through individual inversions. This leads to a simple and clearly defined intrusion geometry, consistent for both the density and magnetic susceptibility distribution. In all presented inversion problems, field data sets are successfully inverted, the results are appraised through synthetic tests and, if available, through comparison with independent data.

Abstract [de]

Diese Arbeit hat die Lösung von vier geophysikalischen Umkehraufgaben, sogenannten Inversionsproblemen, zum Gegenstand. Zwei dieser Aufgaben befassen sich mit der Inversion elektromagnetischer Daten, zwei weitere sind Probleme der kombinierten Inversion von Datensätzen aus unterschiedlichen geophysikalischen Messverfahren. Im ersten Problem wird die für die Auswertung elektromagnetischer Zweispulensystemdaten typische lineare Näherung der kleinen Induktionszahlen als Bornsche Näherung verallgemeinert, ihre Anwendbarkeit durch exakte Berücksichtigung der Induktionsvorgänge in einem beliebigen homogenen Halbraum von schlechtleitenden auf gutleitende Untergründe ausgedehnt und schließlich zur zwei- und dreidimensionalen Inversion eingesetzt. Dadurch kann auch im leitfähigen Untergrund eine aufwändige exakte Modellierung vermieden werden. Im zweiten Problem wird eine dreidimensionale Inversion von flugzeuggestützten Längstwellenmessungen entwickelt und als ihre Grundlage eine exakte elektromagnetische Rechnung erdacht. Damit wird traditionelle kartengestützte Dateninterpretation durch ein dreidimensionales Leitfähigkeitsmodell ergänzt, welches die oberen hundert bis dreihundert Meter der Erdkruste bis hin zur Tiefe des obersten Leiters abbildet, so dass dessen Oberflächenform erkundet werden kann. Die enorme Problemgröße wird durch eine Fouriertransformationsmethode bewältigt, welche die elektromagnetischen Wechselwirkungen nach ihrer Reichweite einteilt, die Fernwirkungen mit entsprechend verringerter Genauigkeit behandelt und dadurch eine erhebliche Anzahl an Rechnungen einspart. Im dritten Problem werden refraktionsseismische und geoelektrische Messungen kombiniert, indem sowohl das Geschwindigkeits- als auch das Widerstandsmodell mit einer gemeinsamen, lateral veränderlichen und durch beide Datensätze bestimmten Schichtstruktur versehen werden. Ein solches, durch Schichten definiertes Inversionsergebnis, stellt in vielen oberflächennahen Anwendungen, beispielsweise im Grundwasserbereich, ein sinnvolles Abbild der Erde dar. Im vierten Problem werden Schweremessungen und Magnetfeldmessungen, die über einer Gabbrointrusion aufgenommen wurden, mittels einer empirischen petrophysikalischen Beziehung vereinigt, welche aus Labormessungen an einer großen Anzahl von Gesteinsproben abgeleitet wurde. Hierbei wird der Einfluss dieser Modellkopplung solange maximiert, wie beide Datensätze mit derjenigen Genauigkeit angepasst werden können, welche vorher in Einzelinversionen erreicht wurde. Das Ergebnis ist ein einfaches, geometrisch konsistentes Modell der Verteilungen von Dichte und magnetischer Suszeptibilität. In allen vier Aufgaben wurden erfolgreich reale Felddaten invertiert. Die Güte der Ergebnisse wurde mittels synthetischer Experimente untersucht und, so vorhanden, mit unabhängigen Informationen verglichen.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2014. 108 p.
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1116
Keyword
Inversion, Electromagnetic methods, Joint inversion, Potential Field methods, Inversion, Elektromagnetische Verfahren, Joint-Inversion, Potentialverfahren
National Category
Geophysics
Research subject
Geophysics with specialization in Solid Earth Physics
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-215673 (URN)978-91-554-8856-7 (ISBN)
Public defence
2014-02-28, Hambergsalen, Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2014-02-06 Created: 2014-01-15 Last updated: 2014-02-10

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