Entwicklung eines Verfahrens zur Abbildung krustaler Leitfähigkeitsstrukturen anhand von Magnetotellurikdaten aus Namibia

Abstract

Im Rahmen eines geowissenschaftlichen Projekts in Namibia wurden Magnetotellurikdaten an 107 Stationen in einem breiten Periodenbereich von 0 .001s-1000s aufgezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konzentriere ich mich auf 60 Stationen in der Umgebung der Waterberg Fault / Omaruru Lineament (WF/OL), einer großen tektono-stratigraphischen Zonengrenze im Damara Gürtel in Namibia. Der Großteil der Stationen verteilt sich auf zwei 18 km lange Profile, die mit einem Stationsabstand von 500 m, beziehungsweise 2000 m vermessen wurden. Mit diesen beiden dichten Profile sowie 20 Stationen östlich und westlich davon ergibt sich eine gute Stationsüberdeckung, um die WF/OL detailliert zu untersuchen. Die MT Ergebnisse an einigen Stationen in der Nähe der Fault sind stark von 3D Effekten beeinflusst: Wir beobachten hohe Skewwerte, Phasen über 90° und eine starke Korrelation zwischen parallelen elektrischen und magnetischen Feldkomponenten für lange Perioden. Die Interpretation solch eines komplizierten Datensatzes gestaltet sich als schwierig und sehr zeitaufwändig. Um andererseits die gemessenen Daten direkt, also ohne a priori Information, abzubilden, ist eine Transformation des komplexen Impedanztensors in eine physikalisch aussagekräftige Größe nötig. Durch die geläufige Berechnung von scheinbaren spezifischen Widerständen verliert diese Größe ihre Tensoreigenschaften. Aus diesem Grund habe ich ein Verfahren weiterentwickelt, um einen scheinbaren Widerstandstensor zu erhalten. Dabei wird die MT Admittanzgleichung mit den Maxwell-Gleichungen kombiniert, und man erhält einen tensoriellen Ausdruck für die Ausbreitungszahl. Diese Größe lässt sich anschließend in zwei Tensoren, den scheinbaren Permittivitätstensor und dem scheinbaren Leitfähigkeitstensor, aufspalten. Aus letzterem kann ein scheinbarer Widerstandstensor berechnet werden. Diese Methode bezeichne ich als "Propagation Number Analysis" (PNA). Durch eine Anwendung der PNA auf MT Daten erhalten wir ein Abbild der Leitfähigkeitsverteilung in Form von Widerstandsellipsen. Darüber hinaus lässt sich die PNA mit der Eggers' Eigenwert Analyse und der LaTorraca Singular Value Decomposition vergleichen. Alle im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Abbildungsmethoden werden sowohl auf synthetische als auch auf gemessene Daten aus Namibia angewendet. Die mit Hilfe der PNA erhaltenen Widerstandsellipsen zeigen, dass es sich bei der WF/OL nicht um eine schmale Störung, sondern um eine breite Störungszone handelt. Die meisten beobachteten 3D-Effekte lassen sich durch eine Kombination von (i) einer oberflächennahen gut leitenden Ringstruktur und (ii) einer anisotropen Zone in der oberen und einer anisotropen Schicht in der unteren Kruste erklären. Die anisotrope Zone parallel zur WF/OL ist etwa 10km breit, und Modellstudien ergeben, dass sie sich mindestens in eine Tiefe von 14 km erstreckt.

Within the framework of an integrated geophysical and geological project in Namibia we recorded MT and GDS data in a broad frequency range between 0.001s and 1000s at 107 sites. In my thesis I concentrate on a subset of sites across the Waterberg Fault / Omaruru Lineament (WF/OL), a major tectono-stratigraphic zone boundary in the Central Zone of the Damara Belt in Namibia. Most of the sites are aligned along two parallel 18 km long profiles with a site spacing of 500 m and 2 km, respectively. These dense profiles together with 20 additional sites to the East and West provide a good spatial coverage to study the WF/OL in detail. The MT results at some sites in the vicinity of the Fault are strongly affected by 3D effects - we observe high skews, phases over 90° and a strong correlation of parallel electric and magnetic field components for long periods. The interpretation of such a complicated magnetotelluric data set with 3D forward modelling is difficult and very time consuming. To image the measured data directly - without a priori information - requires the transformation of the complex impedance tensor in a physically meaningful quantity. Normal apparent resistivities calculated from the impedance tensor do not retain the tensor properties. Therefore I developed a method to derive an apparent resistivity tensor. Combining the MT admittance equation with Maxwell's equations we yield a tensorial equation for the propagation number. This quantity is subsequently separated into two tensors - an apparent permittivity and an apparent conductivity tensor. From the latter an apparent resistivity tensor can be computed. This method is called Propagation Number Analysis (PNA). Applying PNA to MT data, we obtain an image of the conductivity distribution in form of resistivity ellipses. The PNA is also compared with two already known methods for imaging conductivity anomalies: Eggers' Eigenstate Analysis and LaTorraca's Singular Value Decomposition. All imaging methods presented are applied to synthetic data and measured MT data from Namibia. The resistivity ellipses obtained by the PNA indicate that the WF/OL is not a narrow fault, but a wider fault zone extended to the North. Most of the observed 3D effects are explained by the combination of (i) a shallow conductive ring structure and (ii) an anisotropic zone in the upper crust and a lower crust which itself is also anisotropic. The anisotropic zone is approximately 10km wide and modelling studies suggest that the fault zone might continue down to at least 14 km.