This thesis has two main aspects: (i) the investigation of the deep geo- electrical structures of the Dead Sea basin (DSB) and (ii) the development of 3D inversion of magnetotelluric (MT) data using massive parallel computers. In total, 150 magnetotelluric stations were deployed along a main profile that extends in E-W direction for ~ 110 km, crossing the southern part of the Dead Sea basin. Some areal coverage was obtained with another set of stations which were recorded along a shorter profile (~ 20 km), extending in N-S direction. The estimated transfer functions are of high to acceptable data quality. Dimensionality and directionality analyses of the measured data show that the MT stations can be subdivided in three distinct segments. MT data from eastern and western segments are consistent with 2D assumptions and indicate a stable geo-electric strike direction of ~N10°E. Data from the central segment appear to be more affected by underlying 3D structures. A series of 2D conductivity models were computed for the main profile, using different combinations of data components and constrained inversion tests to analyse the stability of the various conductivity structures. The preferred 2D model consists of structures which can in general be well correlated with geological, tectonic and stratigraphical information. In particular, the transition from sedimentary formations into the crystalline basement is imaged clearly to the east and west of the Dead Sea basin. The surface traces of the eastern and western boundary faults appear in the 2D conductivity models as lateral conductivity contrasts from conductive structures in the central part to resistive structures in the eastern and western segments of the profile. The Al-Lisan salt intrusion appears as a resistive feature in the DSB. A very pronounced and robust feature in the 2D models is a sub-vertical conductor beneath the DSB which extends to depths of at least 70 km. For a 3D interpretation of the MT data, a new parallel inversion scheme was developed in the framework of this thesis. Three-dimensional modelling of MT data requires enormous computational resources because of the huge number of data and model parameters. To overcome these difficulties the solution of the underlying differential equation systems was parallelized for different periods and electrical current system orientations (modes). The computationally most expensive step is the linearized inversion scheme for 3D inversion, because it makes explicit use of the sensitivity matrix J and cross products in form of JJ-transpose. The dimension of this matrix depends on the number of data points and model parameters and can exceed billions of elements. Analysing the structure of this matrix revealed that it can be decomposed into blocks containing the sensitivity values corresponding to one period and one station. Distributing the computation of the blocks among several processors reduces the computation time and also the memory needed to save the sensitivity matrix. However, it is necessary to find a best compromise between communication to exchange blocks between processors and computational performance when carrying out the cross products JJ-transpose. Three-dimensional inversion tests showed that the total run time can be reduced from 5 days using four processors to less than one day using 250 processors for a certain data and model parameters. At the same time, the memory requirements were reduced from 6 GB to less than 20 MB per processor. The MT data collected in the Dead Sea area were inverted using the developed parallel 3D inversion scheme. The obtained 3D models show similarities and differences when compared with the 2D inversion results. There is general agreement with the conductivity structures obtained for the upper crust, i.e. the sedimentary sequences at the rift shoulders and their transition to the basement. However, the N-S extension of the Dead Sea brines, which is an obvious 3D feature, and underlying sedimentary basin are reflected in the 3D model as very conductive structures. The image of the Al-Lisan salt diapir appears more realistic in the 3D model as a confined resistive structure embedded in the high conductivity signature of the Dead Sea basin.
Die vorliegende Dissertation betrachtet zwei Themen: (i) die Untersuchung der tiefen geoelektrischen Strukturen des Toten-Meer-Beckens (DSB) und (ii) die Parallelisierung der 3D-Inversion magnetotellurischer (MT) Daten. Insgesamt wurden 150 Magnetotellurik-Stationen entlang eines ~ 110km langen Hauptprofils installiert, das in Ost-West-Richtung den südlichen Teil des Toten-Meer- Beckens überquert. Im Bereich des Beckens wurde eine räumliche Abdeckung durch zusätzliche Stationen erlangt, die auf einem kürzeren (~ 20 km) Nord-Süd- Profil vermessen wurden. Die berechneten Übertragungsfunktionen besitzen eine annehmbare bis sehr gute Qualität. Dimensionalitäts- und Streichrichtungsanalysen der Messdaten ermöglichen eine Unterteilung der MT- Stationen in drei Bereiche: MT-Daten von den östlichen und westlichen Hauptprofilabschnitten zeigen ein 2D-Verhalten und weisen eine stabile geoelektrische Streichrichtung von ~ N10°E auf. Im mittleren Abschnitt scheinen die Daten stärker von darunter liegenden 3D Strukturen beeinflusst zu sein. Für das Hauptprofil wurde eine Vielzahl von 2D-Leitfähigkeitsmodellen berechnet. Dabei wurden unterschiedliche Kombinationen von Datenkomponenten verwendet und Inversionstests durchgeführt, um die Stabilität der verschiedenen Leitfähigkeitsstrukturen zu untersuchen. Das bevorzugte 2D- Modell besteht aus Strukturen, die insgesamt gut mit geologischen, tektonischen und stratigraphischen Informationen korreliert werden können. Insbesondere der Übergang von sedimentären Formationen zum kristallinen Basement kann östlich und westlich des Toten-Meer-Beckens klar abgebildet werden. Im Bereich der Eastern und Western Boundary Faults treten im 2D-Modell laterale Leitfähigkeitskontraste zwischen hohen Leitfähigkeiten im zentralen Bereich und deutlich geringeren Leitfähigkeiten im östlichen bzw. westlichen Abschnitt des Profils auf. Die Al-Lisan Salzintrusion zeigt sich als schlecht leitfähige Struktur innerhalb des Toten-Meer-Beckens. Ein ausgeprägtes Merkmal der 2D-Modelle ist ein vertikaler Leiter unter dem Toten-Meer-Becken, der sich bis in Tiefen von mindestens 70 km erstreckt. Zur 3D-Interpretation magnetotellurischer Daten wurde im Rahmen dieser Arbeit ein parallelisiertes Inversionsschema entwickelt. Dreidimensionale Modellierungen von MT-Daten erfordern aufgrund der großen Anzahl von Daten- und Modellparametern beträchtliche Rechnerkapazitäten. Um diese zu reduzieren, wurde die Lösung des zugrundeliegenden Systems von Differentialgleichungen über die einzelnen Perioden sowie die Richtungen (Moden) des elektrischen Stromsystems parallelisiert. Der rechenaufwändigste Abschnitt ist das linearisierte Inversionsschema der 3D-Inversion, da es expliziten Gebrauch der Sensitivitätsmatrix J und des Kreuzprodukts der Form JJ-Transpose macht. Die Dimensionalität der Matrix hängt von der Anzahl von Datenpunkten und Modellparametern ab und kann eine Milliarde Elemente übersteigen. Eine Analyse der Matrixstruktur zeigte, dass sie in Blöcke zerlegt werden kann, die die Sensitivitätswerte jeweils einer Periode einer Station enthalten. Eine Verteilung der Berechnung der einzelnen Blöcke auf mehrere Prozessoren reduziert sowohl die Rechenzeit als auch den Speicherbedarf zur Speicherung der Sensitivitätsmatrix. Es ist jedoch erforderlich, einen guten Kompromiss zwischen dem Kommunikationsaufwand beim Austausch der einzelnen Blöcke zwischen den Prozessoren und der Geschwindigkeit bei der Berechnung des Kreuzproduktes JJ-Transpose zu finden. Dreidimensionale Inversionstests zeigten, dass die Gesamtlaufzeit von 5 Tagen bei Verwendung von 4 Prozessoren auf weniger als einen Tag bei Verwendung von 250 Prozessoren für eine bestimmte Daten und Modelparameters verringert werden kann. Gleichzeitig konnte der Speicherbedarf von 6 GB auf 20 MB pro Prozessor reduziert werden. Die MT-Daten aus dem Gebiet um das Tote Meer wurden mittels des parallelisierten 3D-Inversionsschemas invertiert. Im Vergleich mit den 2D- Inversionsergebnissen weist das erhaltene 3D-Modell sowohl gute Übereinstimmungen als auch deutliche Unterschiede auf. Eine allgemein gute Übereinstimmung zeigt sich für die Leitfähigkeitsstrukturen der oberen Kruste, d. h. die sedimentären Abfolgen an den Riftschultern und den Übergang zum Basement. Die Nord-Süd-Ausdehnung der Toten-Meer-Solen - eine offensichtliche 3D-Struktur - und das darunter liegende sedimentäre Becken erscheinen im 3D- Modell als äußerst leitfähige Strukturen. Der Al-Lisan Salzdiapir scheint im 3D-Modell durch eine räumlich begrenzte Struktur mit hohen Widerständen innerhalb der leitfähigen Signatur des Toten-Meer-Beckens realistischer abgebildet zu sein.
