This thesis presents the application of 3D MT inversion to an array data set of more than 250 sites from central California to image the electrical conductivity structure of the San Andreas fault (SAF) system in the Parkfield- Cholame region where the fault changes its mechanical state. Previous extensive two-dimensional (2D) inversion revealed a high-conductivity region in the upper mantle and lower crust, which has a connection to the SAF in the northern, transitional-to-creeping section, whereas it is confined to lower- crustal to upper-mantle levels in the transitional-to-locked section. The highly conductive region and the connecting channel were interpreted as migration path for fluids rising from mantle depth into the SAF system where they are considered to contribute to the low-frictional strength of the creeping fault segment. The new 3D inversion results confirm the high- conductive zones of the 2D results and strongly support the presence of a fluid channel into the SAF system in the creeping segment. However, conductivity structures obtained with 3D inversion also showed a great non- uniqueness depending on the inversion setup. Satisfying models (in terms of data fit) could only be recovered if the inversion parameters were tuned in accordance with the particularities of the data set. Based on the Parkfield MT data and complementary synthetic 3D data sets, the model space was explored by testing the influences of a wide range of inversion settings. The results show that in presence of a pronounced regional 2D structure, 3D inversion of the complete impedance tensor still depends on the coordinate system. 2D subsurface structures can vanish if data are not aligned with the regional strike-direction. A priori models and data weighting, i.e. how strongly individual components of the impedance tensor and/or vertical magnetic field transfer functions dominate the solution, are crucial controls for the outcome of 3D inversion. If deviations from a prior model are heavily penalized, regularization is prone to result in erroneous and misleading 3D inversion models, particularly in the presence of strong conductivity contrasts. Reliable and meaningful 3D inversion models can only be recovered if data misfit is assessed systematically in the frequency-space domain. Galvanic distortion can impair 3D inversion models and result in spurious structures at depth. A new tool for automatic identification of static shift was developed and applied to synthetic and real world data, making use of the spatial coherence of MT responses. For the Parkfield data set, identification and removal of static shift improved the outcome of subsequent 3D inversion for the near-surface layers. Inversion of phase tensor and apparent resistivity & phase data was implemented into the 3D inversion scheme and proved to be a valuable asset for obtaining reliable subsurface images from galvanically distorted data, while not requiring any data preprocessing.
In der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung eines dreidimensionalen (3D) magnetotellurischen (MT) Inversionsschemas auf einen Array-Datensatz von mehr als 250 Stationen aus Zentralkalifornien (USA) dargestellt. Die Untersuchungen hatten zum Ziel, die elektrische Leitfähigkeitsstruktur der San Andreas- Verwerfung (SAF) in der Region zwischen Parkfield und Cholame, in der sich das mechanische Verhalten der Verwerfung ändert, abzubilden. Vorangegangene zweidimensionale (2D) Inversionen des Datensatzes zeigten eine Region hoher elektrischer Leitfähigkeit im Tiefenbereich des oberen Mantel und der unteren Kruste, die im nördlichen Teil des Messgebiets hin zum kriechenden Segment mit der seismogenen SAF verbunden ist. Im übergang zum blockierten Verwerfungsabschnitt Richtung Süden ist diese leitfähige Region in der Tiefe dagegen von der oberkrustalen Deformationszone abgeschnitten. Die Bereiche erhöhter Leitfähigkeit und die kanalartige Verbindung im Norden wurden als Migrationspfade für Fluide interpretiert, die aus dem Mantel in das SAF System aufsteigen. Es wird vermutet, dass Fluide wesentlich zur mechanischen Schwäche der SAF im kriechenden Segment beitragen. Die neuen, 3D Inversionsergebnisse bestätigen die elektrisch leitfähige Zone aus den 2D Modellen und unterstützen die Existenz eines Fluidkanals in das SAF-System im kriechenden Abschnitt. Jedoch zeigten die 3D Leitfähigkeitsmodelle starke Variationen der abgebildeten Strukturen, die mit der Wahl der Inversionsparameter zusammenhingen. Zufriedenstellende Modelle (im Sinne der Datenanpassung) konnten nur ermittelt werden, wenn die Inversionsparameter auf die Besonderheiten des Datensatzes abgestimmt waren. Basierend auf den MT-Daten aus Kalifornien sowie komplementären synthetischen 3D Datensätzen wurde der Einfluss der Inversionsparameter auf den Modellraum untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die 3D Inversion in Gegenwart einer ausgeprägten, regionalen 2D Struktur von der Orientierung des Koordinatensystems abhängt, auch wenn alle vier Komponenten des Impedanztensors in der Inversion verwendet werden. 2D Untergrundstrukturen können gänzlich verschwinden, wenn das Koordinatensystem nicht an der regionalen geoelektrischen Streichrichtung ausgerichtet ist. A priori-Modelle und Datengewichtung, welche bestimmt, wie stark einzelne Komponenten des Impedanztensors und der vertikalen magnetischen übertragungsfunktionen die Lösung dominieren, sind wichtige Steuerungselemente für das 3D Inversionsergebnis. Werden Abweichungen von einem a priori-Modell stark regularisiert, führt dies leicht zu verfälschten und irreführenden 3D Inversionsergebnissen, insbesondere wenn starke Leitfähigkeitskontraste im Untergrund vorhanden sind. Verlässliche und aussagekräftige Modelle können nur ermittelt werden, wenn eine systematische Auswertung der Datenanpassung im Frequenz-Orts-Bereich vorgenommen wird. Galvanische Verzerrung von MT-Daten kann die Qualität von 3D Inversionsmodellen beeinträchtigen und zum Aufreten artifizieller Strukturen bis in gro\ss e Tiefe führen. Zur Identifizierung von Static Shift wurde ein neues Schema entwickelt, das auf der räumlichen Kohärenz von MT-Daten basiert, und sowohl auf synthetische als auch auf Messdaten angewendet. Für den Kalifornien-Datensatz verbesserte die Entfernung von Static Shift die nachfolgenden 3D Inversionsergebnisse. Die Inversionen von Phasentensoren und scheinbaren Widerständen & Phasen, die in das 3D Inversionspaket implementiert wurden, sind ein wertvoller Gewinn für die verlässliche Abbildung von Untergrundsstrukturen, ohne dafür verzerrte Daten vorbehandeln zu müssen.
