Capability of cross-hole electrical configurations for monitoring rapid plume migration experiments

Cross-hole electrical resistivity tomography is a useful tool in geotechnical, hydrogeological or fluid/gas plume migration studies. It allows better characterization of deep subsurface structures and monitoring of the involved processes. However, due to the large amount of possible four-electrode combinations between boreholes, the choice of the most efficient ones for rapid plume migration experiments (real-time monitoring), becomes a challenge. In this work, a numerical simulation to assess the capabilities and constraints of the most common cross-hole configurations for real-time monitoring is presented. Four-electrode configurations, sensitivity, dependence on the body location and amount of data were taken into account. The analysis of anomaly detection and the symmetry of the sensitivity pattern of cross-hole configurations allowed significant reduction of the amount of data and maintaining the maximum potential resolution of each configuration for real-time monitoring. The obtained results also highlighted the benefit of using the cross-hole AB-MN configuration (with both current - or potential - electrodes located in the same borehole) combined with other configurations with complementary sensitivity pattern

Integrated seismic ambient noise, magnetotellurics and gravity data for the 2D interpretation of the Vallès basin structure in the geothermal system of La Garriga-Samalús (NE Spain)

The integration of geophysical methods, together with the previous information of the Vallès basin area, has resulted in the creation of a new conceptual model that explains La Garriga-Samalús geothermal system. The integration of complementary geophysical methods seems to be a good option for the preliminary stages of a geothermal system exploration, especially in urban areas. An integrated seismic ambient noise, magnetotellurics, and gravity methods were used to determine the geological units and structures which control the La Garriga-Samalús geothermal system. The 2D resistivity and density models have allowed the identification of the four main units which regulate the geothermal system: the Miocene basin, the Prelitoral Range unit, the Vallès Faut Zone, and the Paleozoic basement. The interpretation of our models set the Vallès Fault Zone, which is characterized by an anomalous low resistivity and low density, as the main path for the hot fluids. Moreover, the geophysical characterization established a new geometry for the Miocene basin. The Miocene basin presents a stepwise morphology, with the minor thickness towards the fault and an increasing thickness towards the center of the basin. This geometry seems to be related to synthetic normal faults. These results have evidenced that, although, in some geothermal systems, the warm water may create an insufficient physical contrast; the appropriate use of some techniques can still be useful for the exploration of medium and low-temperature geothermal systems

Time-lapse cross-hole electrical resistivity tomography (CHERT) for monitoring seawater intrusion dynamics in a Mediterranean aquifer

Surface electrical resistivity tomography (ERT) is a widely used tool to study seawater intrusion (SWI). It is noninvasive and offers a high spatial coverage at a low cost, but its imaging capabilities are strongly affected by decreasing resolution with depth. We conjecture that the use of CHERT (cross-hole ERT) can partly overcome these resolution limitations since the electrodes are placed at depth, which implies that the model resolution does not decrease at the depths of interest. The objective of this study is to test the CHERT for imaging the SWI and monitoring its dynamics at the Argentona site, a well-instrumented field site of a coastal alluvial aquifer located 40 km NE of Barcelona. To do so, we installed permanent electrodes around boreholes attached to the PVC pipes to perform time-lapse monitoring of the SWI on a transect perpendicular to the coastline. After 2 years of monitoring, we observe variability of SWI at different timescales: (1) natural seasonal variations and aquifer salinization that we attribute to long-term drought and (2) short-term fluctuations due to sea storms or flooding in the nearby stream during heavy rain events. The spatial imaging of bulk electrical conductivity allows us to explain non-monotonic salinity profiles in open boreholes (step-wise profiles really reflect the presence of freshwater at depth). By comparing CHERT results with traditional in situ measurements such as electrical conductivity of water samples and bulk electrical conductivity from induction logs, we conclude that CHERT is a reliable and cost-effective imaging tool for monitoring SWI dynamics

Avenços en l’adquisició i interpretació de dades geoelèctriques

[cat] La tomografia elèctrica de resistivitat és una tècnica geofísica no intrusiva àmpliament utilitzada en la caracterització de les propietats elèctriques del subsòl i, més recentment, en el seguiment de processos dinàmics, tant amb elèctrodes en superfície com en fondària. Un dels aspectes clau en la seva utilització és l'elecció de la configuració més adient a cada context. Si s'utilitzen elèctrodes en fondària aquesta elecció no és fàcil, ja que les capacitats d'aquest tipus de configuracions no estan tan establertes com les de superfície. A més, en el cas d'estudis de seguiment de processos dinàmics pot ser necessari reduir el nombre de dades de les configuracions per a ajustar el temps d'adquisició a la durada del procés a seguir. La utilització de la tomografia elèctrica amb elèctrodes en fondària i la seva aplicació per al seguiment de processos dinàmics implica situar dels elèctrodes en pous i utilitzar noves tècniques d'inversió per a l'obtenció dels models de les variacions de la resistivitat en l'experiment. Els objectius principals d'aquesta tesi han estat cercar estratègies d'adquisició de dades que permetin simplificar l'elecció de la configuració més adient reduint alhora el temps de registre, i comparar diferents tipus d'instal.lacions d'elèctrodes en pous i diferents tècniques d'inversió per a l'obtenció dels models de variació de la resistivitat del subsòl en estudis de seguiment. En aquesta tesi es presenten dues estratègies d'adquisició i el disseny d'un experiment de seguiment de la perforació del túnel de la nova línia L9 del metro de Barcelona. La primera estratègia es va desenvolupar a partir de l'estudi de la llei d'addició del potencial, el teorema de reciprocitat i les relacions entre diferents configuracions. Aquesta estratègia es va centrar en estudis de caracterització amb elèctrodes en superfície i es va validar mitjançant simulacions i dades experimentals. Es va crear una nova configuració tetra-electròdica capaç de generar les dades dels dispositius Wenner-Schlumberger i dipol-dipol, però amb un menor temps d'adquisició. A més, es va introduir un control de qualitat de les dades, semblant al que s'obtindria comparant dades normals i recíproques, sense augmentar el temps de registre. En la segona estratègia es va quantificar la detecció d’anomalies i la simetria en el patró de sensibilitat de les configuracions d’elèctrodes. Aquesta estratègia es va centrar en les configuracions d’elèctrodes en pous i es va validar mitjançant la simulació d’un experiment de seguiment de la migració d’un plomall. A partir dels resultats obtinguts es va crear una configuració optimitzada utilitzant les combinacions d’elèctrodes amb els majors valors de detecció d’anomalies i amb la menor simetria en el patró de sensibilitat. Aquesta configuració optimitzada va permetre reduir d’una manera important el temps d’adquisició i mantenir la resolució espacial necessària per a resoldre l’experiment plantejat. L’experiment de seguiment de la perforació del túnel de la línia L9 del metro de Barcelona va incloure la fabricació i instal·lació dels elèctrodes en pous, i la comparació entre diferents tècniques d’inversió per a l’obtenció dels models de variació de la resistivitat durant la perforació. La construcció i instal·lació dels elèctrodes en els pous es va utilitzar per a establir els aspectes més importants a tenir en compte a l’hora d’escollir el tipus d’instal·lació desitjada, permanent o no permanent. La comparació entre les diferents tècniques d’inversió va permetre identificar la més adient i discriminar entre els canvis de resistivitat deguts a la perforació del túnel i els deguts al propi procés d’inversió. Aquesta tesi suposa una contribució important en tomografia elèctrica, tant per a estudis de caracterització com de seguiment de processos dinàmics. Les estratègies desenvolupades permeten postergar l’elecció de la configuració d’elèctrodes més adient a cada context inclús després de la interpretació dels models de resistivitat i optimitzar les combinacions a enregistrar amb la finalitat d’ajustar el temps d’adquisició a les exigències de cada experiment mantenint una resolució espacial adequada. L’experiment realitzat va permetre establir una metodologia d’actuació en estudis de seguiment de processos dinàmics amb elèctrodes entre pous.[eng] Electrical resistivity tomography is a non-intrusive geophysical technique widely used for subsurface electrical properties characterization and, more recently, for dynamic processes monitoring, both using surface and deep electrodes. A key aspect is the choice of the most suitable configuration in each context. If deep electrodes are used this choice can be difficult because the capabilities of such configurations are not as well established as the surface ones. Besides, in the case of monitoring experiments may be necessary to reduce the data quantity to adjust the acquisition time to the length of the process to be followed. The use of electrical tomography with deep electrodes and its application for monitoring involves placing the electrodes into boreholes and to use new inversion techniques to obtain the resistivity variations models. The main objectives of this thesis is searching acquisition strategies to simplify the choice of the most suitable configuration while reducing the acquisition time, and evaluating different types of electrode installation into boreholes and different inversion techniques to obtain the resistivity variations models in monitoring experiments. In this thesis, two acquisition strategies and the design of an experiment which consisted of monitoring the tunnel drilling of the new metro line, L9, in Barcelona, are presented. The strategies developed here allow delaying the choice of the most suitable electrode configuration even after the interpretation of the resistivity models and optimizing configurations to adjust its acquisition time to the requirements of each experiment maintaining an adequate spatial resolution. The monitoring experiment of the tunnel drilling of the metro line, L9, in Barcelona included the manufacture and installation of the electrodes into boreholes, and the comparison between different inversion techniques to obtain the resistivity variation models. This experiment allowed us to establish a methodology in monitoring experiments with deep electrodes

Capability of cross-hole electrical configurations for monitoring rapid plume migration experiments

Cross-hole electrical resistivity tomography is a useful tool in geotechnical, hydrogeological or fluid/gas plume migration studies. It allows better characterization of deep subsurface structures and monitoring of the involved processes. However, due to the large amount of possible four-electrode combinations between boreholes, the choice of the most efficient ones for rapid plume migration experiments (real-time monitoring), becomes a challenge. In this work, a numerical simulation to assess the capabilities and constraints of the most common cross-hole configurations for real-time monitoring is presented. Four-electrode configurations, sensitivity, dependence on the body location and amount of data were taken into account. The analysis of anomaly detection and the symmetry of the sensitivity pattern of cross-hole configurations allowed significant reduction of the amount of data and maintaining the maximum potential resolution of each configuration for real-time monitoring. The obtained results also highlighted the benefit of using the cross-hole AB-MN configuration (with both current - or potential - electrodes located in the same borehole) combined with other configurations with complementary sensitivity pattern

Combining fiber optic DTS, cross-hole ERT and time-lapse induction logging to characterize and monitor a coastal aquifer

The characterization of saline water intrusion (SWI) and its hydrodynamics is a key issue to understand submarine groundwater discharge (SGD) and manage groundwater resources in coastal areas. To test and compare different methods of characterization and monitoring, a new experimental site has been constructed in a coastal alluvial aquifer north of Barcelona city (Catalonia, Spain). The site is located between 30 and 90 m from the seashore and comprises 16 shallow piezometers organized in nests of three with depths ranging between 15 and 25 m and 4 solitary piezometers. The objective of this paper is to combine different recently developed monitoring techniques to evaluate temporal variations in the aquifer hydrodynamics of the site at different spatial scales before and after the dry season of 2015. At the site scale, fibre optic distributed temperature sensing (FODTS), for the first time applied to study SWI, and cross-hole electrical resistivity tomography (CHERT) has been applied. At the meter/borehole scale, electrical conductivity of the formation has been applied not only in a repeated manner (“time lapse”), but also for the first time at relatively high frequency (1 sample every 10 min). CHERT has provided a better characterization of the seawater intrusion than electrical conductivity data obtained from piezometers. The combination of techniques has allowed improving the understanding of the system by: 1) characterizing the extent and shape of SWI; 2) differentiating two different dynamics in the aquifer; and 3) identifying preferential flow paths over different time and spatial intervals. Future challenges and the application of these techniques in other areas are also discussed