Enhancements to and Characterization of the Very Early Time Electromagnetic (VETEM) Prototype Instrument and Applications to Shallow Subsurface Imaging at Sites in the DOE Complex - Final Report

Field tests and deployments of VETEM is a flexible and highly effective new system for electromagnetic imaging that offers significant new 3D electromagnetic imaging capabilities in the shallow subsurface. Important new numerical modeling techniques have been produced, which are applicable to electromagnetic subsurface imaging, and suggest further research and development. In addition, this research has also produced a flexible, fast, and fully functional prototype VETEM system that has produced some remarkable subsurface images, has bridged the gap between pure research and applications, and is now available for use at DOE sites that have shallow subsurface imaging needs

Survey Plan For Characterization of the Subsurface Underlying the National Aeronautics and Space Administration's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama

Topic considered include: survey objectives; technologies for non-Invasive imaging of subsurface; cost; data requirements and sources; climatic condition; hydrology and geology; chemicals; magnetometry; electrical(resistivity, potential); optical-style imaging; reflection/refraction seismics; gravitometry; photo-acoustic activation;well drilling and borehole analysis; comparative assessment matrix; ground sensors; choice of the neutron sources; logistic of operations; system requirements; health and safety plans

Electromagnetic Geotomographic Research on Attenuating Material Using the Middle Radio Frequency Band

The purpose of this thesis is to present the essential issues concerning the radio imaging method (RIM) and attenuation measurements. Although most of the issues discussed in this thesis are in no sense novel, the thesis provides an overview of the fundamental aspects of RIM and presents novel results from the combination of RIM with other borehole methods. About 2.6 million years ago, early humans perhaps accidently discovered that sharp stone flakes made it easier to cut the flesh from around bones. From sharp flakes to the first handaxes took hundreds of thousands of years, and the development was thus extremely slow. Alessandro Volta s invention of the voltaic pile (battery) in 1800 started a huge journey, and only one hundred years later humans had all the necessary means to start examining the Earth s subsurface. Since then, the development has been rapid, resulting in numerous methods (e.g. magnetic, gravimetric, electromagnetic and seismic) and techniques to resolve the Earth s treasures. The theoretical basis for the radio imaging method was established long before the method was utilized for exploration purposes. RIM is a geotomographic electromagnetic method in which the transmitter and receivers are in different boreholes to delineate electric conductors between the boreholes. It is a frequency domain method and the continuous wave technique is usually utilized. One of the pioneers was L.G. Stolarczyk in the USA in the 1980s. In the former Soviet Union, interest in RIM was high in the late 2000s. Our present device is also Russian based. Furthermore, in South Africa and Australian, a considerable amount of effort has been invested in RIM. The RIM device is superficially examined. It is the essential part in our RIM system, referred to as electromagnetic radiofrequency echoing (EMRE). The idea behind the device is excellent. However, several poor solutions have been utilized in its construction. Many of them have possibly resulted from the lack of good electronic components. The overall electronic construction of the whole device is very complicated. At least two essential properties are lacking, namely circuits for measuring the input impedances of the antennas and the return loss to obtain the actual output power. Of course, the digitalization of data in the borehole receiver could give additional benefits in data handling. The measurements can be monitored in real time on a screen, thus allowing the operator to already gain initial insights into the subsurface geology at the site and also to modify the measurement plan if necessary. Even today, no practical forward modelling tool for examining the behaviour of electromagnetic waves in the Earth s subsurface is available for the RIM environment, and interpretation is thus traditionally based on linear reconstruction techniques. Assuming low contrast and straight ray conditions can generally provide good and rapid results, even during the measurement session. Electrical resistive logging is usually one of the first methods used in a new borehole. Comparing the logging data with measured amplitude data can simply reveal the situations where a nearby and relatively limited conductive formation can mostly be responsible for the high attenuations levels between boreholes and can hence be taken into account in the interpretation. The transient electromagnetic method (TEM) functions in the time domain. TEM is also a short-range method and can very reliably reveal nearby conductors. Comparisons of RIM and TEM data from the ore district coincide well. These issues are considered in detail in Publication I. The functioning of the antenna is highly dependent on the environment in which the antenna is placed. The primary task of the antenna is to radiate and receive electromagnetic energy, or the antenna is a transducer between the generator and the environment. A simple bare wire can serve as a diagnostic probe to detect conductors in the borehole vicinity. However, borehole antennas are generally highly insulated to prevent the leakage of current into the borehole, and at the same time the insulation reduces the sensitivity of the antenna current to the ambient medium, especially as the electric properties of the insulation and surrounding material differ significantly. However, monitoring of the input impedance of the antenna could help in estimating its effectiveness in the borehole. This property is lacking in the present device. The scattering parameter s11 defines the relationship between the reflected and incident voltage or it provides information on the impedance matching chain. The behaviour of impedance of the insulated antennas in the different borehole conditions were estimated using simple analytical methods, such as the models of Wu, King and Giri (WKG) and Chen and Warne (CHEN), and highly sophisticated numerical software such as FEKO from EM Software & Systems (Altair). According to the results, our antennas maintain their effectiveness and feasibility in the whole frequency band (312.5−2500 kHz) utilized by the device. However, the highest frequency (2500 kHz) may suffer from different ambient conditions. The resolution is closely related to the frequency, whereby higher frequencies result in better resolution but at the expense of the range. These issues are clarified in Publication II. Electromagnetic methods are based on the fact that earth materials may have large contrasts in their electrical properties. A geotomographic RIM survey can have several benefits over ground-level EM sounding methods. When the transmitter is in the borehole, boundary effects due to the ground surface and the strong attenuation emerging from soils are easily eliminated. A borehole survey also brings the survey closer to the targets, and higher frequencies can be used, which means better resolution. Viewing of the target from different angles and directions also means better reconstruction results. The fundamental principles of the electromagnetic fields are explained to distinguish diffusive movement (strongly attenuating propagation) from wave propagation and to give a good conception of the possible transillumination depths of RIM. The transillumination depths of up to 1000 m are possible in a highly resistive environment using the lowest measurement frequency (312.5 kHz). In this context, one interesting and challenging case study is also presented from the area for a repository of spent nuclear fuel in Finland. The task was to examine the usefulness of RIM in the area and to determine how well the apparent resistivity could be associated with the structural integrity of the rock. The measurements were successful and the results convinced us of the potential of RIM. Publication III is related to these issues. In Finland, active use of RIM started in 2005 when Russian RIM experts jointly with GTK carried out RIM measurements at Olkiluoto. The results are presented in Publication IV. In this pioneering work, extensive background information (e.g. versatile geophysical borehole logging, optical imaging, 3D vertical seismic profile (VSP) and single-hole radar reflection measurements) was available from the site. The comparability of the results was good, e.g. low resistive or highly attenuating areas near boreholes from the RIM measurements coincided well with resistive logging and radar results. Electric mise-á-la-masse and high frequency electromagnetic RIM displayed even better comparability. The comparability of the surface electromagnetic sounding data and the RIM data was good. However, the tomographic reconstruction is much more detailed. In overall conclusion, the attenuation measurements were well suited to the recording of subsurface resistivity properties and continuity information between boreholes at Olkiluoto. To date, we have utilized RIM in two quite different environments. Olkiluoto is a spent nuclear fuel area in Finland with solid crystalline bedrock and Pyhäsalmi is an ore district with massive sulphide deposit. Despite Pyhäsalmi being an ideal research target for RIM, the utilization of the method has proven successful in both cases.Tämän tutkimuksen tarkoituksena on esittää radiovarjostusmenetelmään (RIM) ja vaimennusmittauksiin liittyviä keskeisiä tekijöitä. Vaikka tutkimus ei ole kaikilta osin uutta tietoa, antaa se kuitenkin perusteellisen kuvan niistä tärkeimmistä tekijöistä, jotka liittyvät geotomograafiseen tutkimukseen. Lisäksi tutkimuksessa vertaillaan laajasti RIM-menetelmän ja muiden poranreikämittausten tuloksia. Ihmisen kiinnostus geologiaan alkoi muutama miljoona vuotta sitten, kun ihmiset ehkä vain sattumalta huomasivat, että terävät kiviliuskeet leikkasivat lihaa. Aikamatka liuskeista ensimmäisiin kivikirveisiin oli hidasta, ja se kesti useita satoja tuhansia vuosia. Vuonna 1800 Alessandro Volta esitteli paristonsa, joka mahdollisti sähkövirran ylläpitämisen. Alkeellisista olosuhteista ja välineistä huolimatta uusien laitteiden ja matemaattisten teorioiden kehitys oli kuitenkin nopeaa seuraavan sadan vuoden aikana. 1900-luvun alkupuolella ihmisellä oli hallussa kaikki tarpeellinen tietotaito tutkia maaperää. Siitä lähtien kehitystyö on tuottanut uusia menetelmiä (magneettinen, gravimetrinen, sähkömagneettinen ja sähköinen sekä seisminen) ja tekniikoita tutkia maaperän rikkauksia. Radiovarjostuksen (RIM) perusteet luotiin paljon ennen menetelmän todellista hyväksikäyttöä maaperän tutkimisessa, kun eri tutkijat tekivät teoreettisia antennimalleja. RIM on geotomografinen sähkömagneettinen taajuusalueen menetelmä, jossa lähetin ja vastaanotin ovat eri poranrei issä. Lähetin on normaalisti myös jatkuvasti lähettävä. Menetelmällä voidaan esimerkiksi kartoittaa poranreikien välissä mahdollisesti olevia sähkönjohteita. L. G. Stolarczyk tutki hiilijuonteiden yhtenäisyyttä, ja hänen työnsä on yksi merkittävimmistä RIM:n kehitystyössä. Entisessä Neuvostoliitossa kiinnostus RIM-menetelmää kohtaan oli suuri 1900-luvun loppupuolella. Nykyinen GTK:n laite on myös valmistettu siellä. Menetelmän hyväksikäyttöön on panostettu paljon myös Etelä-Afrikassa ja Australiassa. Ensimmäisessä julkaisussa radiovarjostuslaite käydään pintapuolisesti läpi. Vaikka laitteen idea on mainio, on sen toteutuksessa kuitenkin tehty useita huonoja ratkaisuja. Korkeatasoisten elektronisten komponenttien vaikea saatavuus entisessä Neuvostoliitossa vaikutti varmasti lopputulokseen. Lisäksi koko rakenne on hyvin monimutkainen, mikä teki laitteen toiminnan tutkimisesta erittäin vaikean, ja se johti mitä ilmeisimmin myös virhearviointeihin. Lähettimen toiminnasta puuttuu ainakin kaksi mainitsemisen arvoista ominaisuutta: antennin impedanssin ja heijastuvan tehon mittauspiirit. Lisäksi datan digitoiminen jo reikävastaanottimessa antaisi suuremman vapauden käsitellä dataa. Mittauksia voidaan monitoroida mittauksen aikana, joten operaattori voi muodostaa jo mittauksen aikana ensimmäisen käsityksen leikkauksen välisestä geologiasta sekä muuttaa mittaussuunnitelmaa. Käytännöllisiä laskentaympäristöjä ei ole varsinaisesti suunniteltu RIM-ympäristöön, joten tulkinnassa käytetään vielä nykyäänkin yksinkertaisia lineaarisia tekniikoita, jolloin oletetaan matalaa sähköistä kontrastia kohteiden välillä sekä käytetään hyväksi suoran säteen optiikkaa. Yksinkertaisuuksista huolimatta tulokset ovat useasti hyvin luotettavia. Poranreiän sähköinen mittaus on yksi ensimmäisistä mittauksista, joita tehdään uudessa reiässä. Kun verrataan sähköisen ja RIM-mittauksen tuloksia, voi hyvinkin paikallinen ja poranreikää lähellä oleva johtava kohde aiheuttaa RIM-signaalin täydellisen vaimenemisen ja se voidaan siten ottaa huomioon RIM-tulkinnassa. Aika-alueen sähkömagneettinen menetelmä (TEM) on myös paljon käytetty poranreikätekniikka. Se paljastaa hyvin luotettavasti suhteellisen lähellä poranreikää olevat johteet. Malmialueella samassa poranreikäleikkauksessa tehdyt mittaukset antoivat hyvin samankaltaiset kuvat johteista, mutta RIM-menetelmän tuottama informaatio on paljon yksityiskohtaisempaa. Antennin käytös on pitkälti riippuvainen siitä ympäristöstä, jossa antenni on. Antennin tärkein tehtävä on lähettää ja vastaanottaa sähkömagneetista energiaa. Antenni on siis muuntaja lähettimen ja ympäristön välillä. Metallista johdinta voidaan käyttää hyväksi diagnostisena anturina poranreiän välittömässä läheisyydessä olevien johteiden tutkimisessa, jolloin johteet voivat toimia vaihtoehtoisina virran kulkuteinä. Poranreikäantennit ovat kuitenkin hyvin yleisesti voimakkaasti eristettyjä, joten eristyskerros estää virran pääsemisen reikään ja lisäksi se alentaa antennin herkkyyttä ulkoisille materiaaleille, etenkin silloin kun eristekerroksen ja ympäröivän materiaalin sähköiset ominaisuudet eroavat huomattavasti toisistaan. Kuitenkin antennin impedanssin monitoroiminen olisi hyvä keino arvioida antennin tehokkuutta poranreiässä. Sirontakerroin s11 määrittelee syötetyn ja heijastuneen jännitteen suhteen lähetinantennissa, ja se ilmaisee siis impedanssin sovituksen hyvyyden. Antennin impedanssin käyttäytymistä tutkittiin erilaisissa poranreikäympäristöissä Wu, King, Giri- ja Chen, Warne-mallilla. Lisäksi mallinnuksessa käytettiin hyväksi numeerista laskentatyökalua FEKO (EM Software & Systems, Altair). Tulosten perusteella RIM-laitteistossa käyttämämme antennit säilyttävät toimintakykynsä hyvänä lähes koko tutkimuskaistalla (312,5−2 500 kHz). Joissakin tapauksissa korkein taajuus saattaa kuitenkin kärsiä vaihtelevista olosuhteista. Resoluutio riippuu käytetystä taajuudesta, jolloin korkeammat taajuudet merkitsevät parempaa resoluutiota mutta kantavuuden kustannuksella. Toisessa julkaisussa on paneuduttu laitteistomme antennien käyttäytymiseen erilaisissa olosuhteissa. Yleensä sähkömagneettiset menetelmät perustuvat sille oletukselle, että maaperän ainekset eroavat suuresti sähköisten ominaisuuksiensa perusteella. Geotomograafisella tutkimuksella on useita etuja maanpinnalta suoritettaviin sähkömagneettisiin mittauksiin nähden. Kun lähetin on syvällä poranreiässä, ei ilma-maanpintarajapinta aiheuta ongelmia ja lisäksi maanpintaa peittävän irtokerroksen mahdollinen voimakas vaimennus poistuu. Edelleen reikämittaus tuo kohteen lähemmäksi lähetintä, ja silloin voidaan käyttää korkeampia taajuuksia, jolloin myös resoluutio paranee. Kohdetta myös katsotaan eri kulmista ja suunnista, jolloin leikkauksen rekonstruktiot paranevat. Sähkömagneettisen kentän käyttäytymisen periaatteet väliaineessa käydään läpi kolmannessa julkaisussa, ja diffuusioliikkeen (voimakkaasti vaimeneva liike) ja aaltoliikkeen erot perusteellaan. Lisäksi siinä arvioidaan menetelmällä saavutettavaa tunkeutumissyvyyttä eri tilanteissa. Sopivissa olosuhteissa suurimmat poranreikien etäisyydet voivat olla jopa 1 000 m, ainakin alimmalla mittaustaajuudella (312,5 kHz), kun väliaine on hyvin resistiivinen. Tässä yhteydessä esitellään yksi mielenkiintoinen RIM-mittaus käytetyn radioaktiivisen polttoaineen loppusijoitusalueelta ja käydään läpi mittauksen tulokset laajasti. Mittauksen tarkoituksena oli selvittää RIM-menetelmän käyttökelpoisuutta kallion yhteneväisyyden arvioimisessa kallion resistiivisyyden avulla. Mittaukset onnistuivat hyvin, ja tulokset vakuuttivat menetelmän toimivuudesta alueella. RIM-menetelmän aktiivinen käyttö aloitettiin Suomessa vuonna 2005, kun venäläiset RIM-tutkijat yhdessä GTK:n asiantuntijoiden kanssa tekivät RIM-mittauksia Olkiluodossa. Alueelta oli käytössä hyvin paljon lisädataa (esim. poranreikämittauksia, optista kuvausta, 3D VSP -seismiikkaa, tutkatuloksia). Vertailutulokset olivat kauttaaltaan hyvät. Reiän lähellä olevat RIM-menetelmällä paljastuneet matalan resistiivisyyden (korkea vaimennus) omaavat kohteet sopivat hyvin yhteen poranreikä- ja tutkamittausten kanssa. Sähköiset mise-á-la-masse-tulokset sopivat vieläkin paremmin yhteen RIM-tulosten kanssa. Maanpinnalta suoritettujen sähkömagneettisten mittausten ja RIM-tulosten samankaltaisuus oli hyvä. Toisaalta leikkauksen tomograafinen rekonstruktio oli paljon yksityiskohtaisempi. Perustellusti voitiin todeta, että vaimennusmittaukset sopivat hyvin maaperän resistiivisyyden ja leikkausten geologisten muodostumien jatkuvuuden arvioimiseen Olkiluodossa. Olemme nyt käyttäneet RIM-menetelmää kahdella hyvin erilaisella kohteella: Olkiluodon kallio on hyvin kristallisoitunutta peruskalliota, ja Pyhäsalmella on massiivinen sulfidipitoinen malmi. Pyhäsalmi on RIM:n optimaalinen käyttökohde, mutta RIM osoittautui kuitenkin hyvin potentiaaliseksi menetelmäksi molemmalla kohteella. Tuloksia on käsitelty neljännessä julkaisussa

Characterization and Study of Wetted Soil Volume using Electrical Resistivity Tomography

El continuo incremento de la necesidad de agua exige realizar un uso más eficiente y racional de este recurso vital. Los sistemas de riego localizado han adquirido desde hace algunas décadas una relevancia significativa, siendo el volumen de suelo humedecido por los emisores un factor clave para su diseño. Según la ESYRCE (2017) es el sistema de riego que más aumenta en España de forma sostenida en los últimos años (un 14,85% entre 2007 y 2016). La presente tesis doctoral explora las capacidades, bondades y limitaciones del método de prospección geofísica denominado Tomografía Eléctrica o “Electrical Imaging” en un ámbito concreto de su aplicación a la agricultura: la estimación de las dimensiones, formas y características del volumen de suelo humedecido por microirrigación. Esta investigación se centra en la posibilidad de utilizar los resultados de este método tanto para conocer el estado energético del agua en el suelo como para localizar con precisión la posición del frente húmedo. Para la consecución de los objetivos propuestos se emplearon técnicas de simulación numérica, se realizaron ensayos de laboratorio a escala reducida y sobre muestras de suelos de varios tipos texturales, así como ensayos de campo a escala real. En el desarrollo de este trabajo de investigación queda patente la importancia del uso de modelos teóricos, no solo en la valoración de los estudios, sino también para obtener estrategias que permiten corregir los efectos adversos que influyen en los resultados. En esta tesis se evalúan algunas de ellas y se plantean metodologías para su eliminación. Las conclusiones del estudio revelan que es posible localizar con precisión la posición del frente húmedo y obtener una interpretación cuantitativa de ella. Sin embargo, no se ha podido demostrar fehacientemente que la variación de la resistividad con la humedad permita determinar el estado energético del agua en el suelo, lo que de conseguirse abriría interesantes oportunidades a la aplicación del método en agricultura, proporcionando información sobre el agua disponible para las plantas en una sección bidimensional de la zona humedecida en función del tiempo y ampliarlo a la cuantificación del proceso de absorción de agua por las plantas. Las posibilidades que ofrece el método de tomografía eléctrica son muy amplias, quedando abierto un campo de trabajo muy extenso, bien como complemento a otras técnicas aplicadas en agricultura de precisión, donde la conductividad eléctrica se utiliza principalmente para identificar la variabilidad superficial de la humedad y/o las propiedades edáficas del terreno, bien en aplicaciones relacionadas con la caracterización del subsuelo, sus patrones de humedad y desecación, y la absorción del agua por parte de las plantas (estructura, textura, direcciones predominantes de flujo, evapotranspiración, etc.), o bien extendiendo a toda la zona humedecida durante el riego la información puntual proporcionada por los sensores de humedad, donde entre otros inconvenientes, la propia instalación de instrumentación puede afectar a los patrones de humectación que se están midiendo (Subbaiah, 2013 y referencias citadas en él).The constant increase in water demands needs more efficient and rational use of this vital resource. Localized irrigation systems have acquired importance in the last decades, the soil wetted volume by the emitters is the most important factor to design them. According to the ESYRCE (2017), it is the irrigation system that has grown the most in Spain in a sustained way in recent years (14.85% between 2007 and 2016). This PhD thesis explores capabilities, benefits and limitations of the geophysical prospecting method called Electrical Tomography or "electrical imaging" in a specific field of application to agriculture: estimation of the dimensions, shapes and other features of wetted soil volume by micro irrigation. The goal of the research is to analyze the possibilities for this methodology both to know the energy status of soil water and to accurately locate the position of a wetting front with time. In order to achieve these aims, numerical simulation techniques were used, laboratory tests were carried out on a reduced scale and on soil samples of various textural types, as well as realscale field tests. In this work, the importance of the use of theoretical models is clear, not only in evaluation of the studies, but also to develop strategies that allow us to correct the adverse effects. In this PhD thesis some of them are evaluated, and we proposed methodologies to suppress them. The conclusions of the study reveal that it is possible to accurately locate the position of the wet front and obtain a quantitative interpretation of it. However, it has not been possible to demonstrate convincingly that the variation of the resistivity with humidity allows to determine the energetic status of the water in the soil, which if achieved would open interesting opportunities to the application of the method in agriculture, providing information about the water available for the plants in a two-dimensional section of the wetted area as a function of time and extend it to the quantification of the water absorption process by the plants. The possibilities offered by the electrical resistivity imaging are very broad, leaving open an extensive field of application: as a complementary technique in precision agriculture, where electrical conductivity is used mainly to determine surface soil moisture variability and edaphic factors; in applications related to the characterization of the subsoil, its humidity and desiccation patterns, and the water absorption by the plants (structure, texture, predominant Flow directions, evapotranspiration, etc.); or spreading through to the wet area the information provided by the humidity sensors, where, among other drawbacks, the instrumentation installation itself may affect the humidification patterns that are being measured (Subbaiah, 2013, and references therein)

The inversion of subsurface VETEM data - Theory and practice

Very early time electromagnetic system (VETEM) is an efficient tool for the detection of buried targets in very lossy medium. In this paper, we will discuss the inversion of VETEM data using a combination of one-dimensional (1D) and three-dimensional (3D) inverse scattering techniques, where the Born iterative method and distorted Born iterative method have been applied. In order to expedite the 3D inversion, an extended Born-type approximation is made in the forward solver, together with FFT acceleration technique. The 1D inversion provides a gross image of the subsurface, but the 3D inversion helps to resolve the subsurface image better.link_to_subscribed_fulltex