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Properties of magnetotelluric transfer functions - with a case study from the Gaxun-Nur basin, NW-China
Becken, Michael
Die Eigenschaften der elektromagnetischen Moden und des magnetotellurischen (MT) Impe-danztensors werden im Rahmen von bei der Interpretation magnetotellurischer Daten auftretender Fragestellungen systematisch untersucht, und die methodischen Ergebnisse bei der Auswertung von Felddaten benutzt. Unter Verwendung räumlicher Beziehungen aus der Elektrodynamik können für beliebige Leitfähigkeitsverteilungen nach Moden getrennte Übertragungsfunktionen abgeleitet werden, die dann ausschließlich Felder in der tangential-elektrischen (TE) oder tangential-magnetischen Mode (TM) enthalten. Obwohl räumliche Beziehungen auf praktische Felddaten aufgrund der unzureichenden flächenhaften Überdeckung nicht angewandt werden können, erweisen sich die abgeleiteten Beziehungen als nützlich zur Charakterisierung der Beiträge der einzelnen Moden zu aus Messdaten bestimmbaren Übertragungsfunktion. So sind die für anomale TE und TM Felder ursächlichen Leitfähigkeitsanomalien bei gleicher Periode unter Umständen nicht identisch, was im Falle von 3D Strukturen aufgrund der Überlagerungen beider Moden in jedem Element des Impedanztensors zu einem nicht zerlegbaren Gemisch verschiedener Effekte führt. Bei dem Versuch, MT Daten mit 3D Effekten durch ein zweidimensionales Modell zu erklären, werden insbesondere TM Anteile in der angenommenen E-Polarisation (reine TE Mode) und TE Anteile in der angenommenen B-Polarisation (reine TM Mode) angepasst, was dem physikalischen Hintergrund nicht Rechnung trägt und daher zu fehlerhaften Modellen führen muss. Vor diesem Hintergrund erscheint es vor allem sinnvoll, vertikale magnetische Übertragungsfunktionen (reine TE Mode) zu berücksichtigen sowie vertikale elektrische Übertragungsfunktionen (reine TM Mode), die in der Praxis allerdings nicht direkt aus Messdaten bestimmt werden können. Sogenannte galvanische Verzerrung kann als Grenzfall betrachtet werden, indem an klein-räumigen Anomalien nur anomale TM Felder entstehen, und induktive Effekte vernachlässigt werden können. Das verzerrende elektrische Feld oszilliert dann mit gleicher Phase wie das regionale elektrische Feld, und ändert daher die Phasenlage des elektrischen Feldes nicht. Zur Beschreibung des Verzerrungseffektes empfiehlt sich daher die Betrachtung der Polarisations-zustände des elektromagnetischen Feldes und deren Entsprechung im Impedanztensor. Dieser Ansatz führt auf eine elliptische Parametrisierung der Spalten des Tensors. Die Existenz einer regionalen 2D Struktur kann bei geeigneter Drehung des Tensors in Richtung der Hauptachsen der Struktur aus verschwindenden Elliptizitäten behauptet werden. Die Orientierung der Ellipsen gibt dann die Verzerrungswinkel, d.h. die Richtung des linear polarisierten elektrischen Feldes in Bezug auf die Hauptachsen, an. Da sich alle Ellipsenparameter analytisch aus dem Tensor bestimmen lassen, ist die Implementierung eines Optimierungsalgorithmus zur Bestimmung des Koordinatensystems, das durch minimale Elliptizitäten gekennzeichnet ist, auch unter gleichzeitiger Berücksichtigung vieler Stationen und Frequenzen leicht und äußerst effektiv. Breitbandige MT Daten, die während eines MT Experiments im Gaxun-Nur Becken in NW-China gemessen wurden, wurden einer solchen Elliptizitätsanalyse zur Bestimmung der Dimensionalität des Untergrundes, der Streichrichtung zweidimensionaler Strukturen und der Identifikation galvanischer Verzerrung unterworfen. 1D und 2D Inversionrechnungen konnten nur für den kurzperiodischen Anteil durchgeführt werden. Bei längeren Perioden treten 3D Effekte auf, die zumindest für die magnetischen Übertragungsfunktionen mit 3D Modellrechnungen simuliert werden können. Aus den Leitfähigkeitsmodellen kann im Zusammenhang mit geologischen Geländeuntersuchungen und Satellitenbildinterpretationen eine geologisches Modell abgeleitet werden, das sich in den regionalen geologischen Kontext widerspruchsfrei einfügt. Aufgrund der Ergebnisse wird die Anlage zumindest von Teilen des heutigen Gaxun-Nur Beckens in das mittlere Mesozoikum gestellt, aus dem großräumige Krustenextension in Zentralasien bekannt ist, und auch im Untersuchungsgebiet zur Entwicklung tektonischer Gräben geführt hat. Eine spätere Reaktivierung mesozoischer Störungssysteme sowie dazu synthetisch angelegte Sekundärstörungen definieren im Känozoikum den südöstlichen Beckenrandbereich. Diese ebenfalls extensionellen Bewegungen scheinen bis heute aktiv zu sein, und haben wesentlichen Einfluss auf rezente Sedimentation und die hydrogeologische Situation im Untersuchungsgebiet.
The properties of the electromagnetic modes and the magnetotelluric(MT) impedance tensor are systematically investigated in the course of MT data interpretation and the results are used for the analysis of actual field data. Using spatial relations of electrodynamic theory, response functions separated into tangential-electric (TE) and tangential-magnetic modes (TM) are constructed for arbitrary conductivity models. Though the theory is at present only applicable in synthetic model studies due to insufficient spatial coverage of MT sites in practical measurements, it serves to a deeper understanding of MT transfer functions. The results of a synthetic model study prohibit a 2D inversion of impedance data which are not strictly 2D, since the modes, carrying information about structures at different depth, may in general not be separated by rotation or tensor decomposition, and TE- and TM-mode fields are attempted to be fitted in B-Polarization (pure TM-mode) and E-Polarization (pure TE-mode), respectively. In contrast, the purely TE-mode vertical magnetic transfer function is free of TM-mode distortion, and therefore more reliable in terms of 2D inversion. The purely TM-mode vertical electric transfer function would be a suitable measure of TM-mode fields, but it can not be determined in practice. A limiting case of distorting TM-mode fields arising from shallow anomalies is commonly described in terms of galvanic distortion. Based upon the polarization states of principal electric and magnetic fields in presence of a regional 2D structure, a novel ellipse parameterization of the MT impedance tensor is developed, which reduces to the standard galvanic distortion model if applicable. The presence of a regional 2D structure is judged from vanishing ellipticities of the telluric vectors representing the polarization state of the principal electric field, and the presence of galvanic distortion is inferred from the orientation of ellipses representing the telluric vectors. Based upon the ellipse parameterization, multi-site multi-period strike and dimensionality analysis is easily implemented and proved to be stable even when using noisy data. During a MT field experiment in the Gaxun-Nur basin in NW-China, performed in conjunction with geological field investigations and satellite remote sensing data interpretation, broad-band MT-data were collected at 36 sites. Impedance data were subjected to dimensionality, distortion and strike analysis using the novel ellipticity analysis and to 1D and 2D inversion where adequate. 3D modeling could explain 3D effects of vertical magnetic transfer functions at intermediate periods, but fails to fit impedance data in the same period range. The final conductivity models of the upper crust suggest, that the Gaxun-Nur basin occupies a Mesozoic extensional region, where tectonic basins have evolved and Mesozoic sediments are trapped in more than 1300m deep structures. This scenario fits into a regional extensional event reported from other regions of central Asia. Cenozoic extension and related deformation is aligned along reactivated SW-NE-trending Mesozoic fault zones or along synthetically arranged N-S-trending faults. The latter appear to be active in the southeastern part of the Gaxun-Nur basin, and influence present sedimentation and the hydrogeological situation.
