dc.contributor.author
Meqbel, Naser Mohammad Meqbel
dc.date.accessioned
2018-06-07T14:41:15Z
dc.date.available
2009-11-23T07:11:43.265Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/263
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4467
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
VIII, 201 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Magnetotelluric
dc.subject
Dead Sea basin
dc.subject
parallel computing
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
The electrical conductivity structure of the Dead Sea Basin derived from 2D
and 3D inversion of magnetotelluric data
dc.contributor.contact
meqbel@gfz-potsdam.de
dc.contributor.firstReferee
PD. Dr. Oliver Ritter
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Serge A. Shapiro
dc.date.accepted
2009-11-06
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000014185-8
dc.title.translated
Die Struktur der elektrischen Leitfähigkeit des Dead Sea Basin abgeleitet von
der 2D-und 3D-Inversion der magnetotellurischen Daten
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000014185
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000006615
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open access