Titel, Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis, Nomenklatur
1\. Einführung und Motivation 1
2\. Zum Verständnis komplizierter Leitfähigkeitsverteilungen 5
2.1. Elektromagnetische Tiefensondierung 5
2.2. Eigenschaften des Impedanztensors 8
3\. Geologische Einordnung des Messgebiets 14 3.1. Die Damara Orogenese 15
3.2. Die Öffnung des Südatlantik 17
3.3. Leitfähigkeitsverteilungen im Süden Afrikas 17
4\. 3D Effekte in den Daten aus Namibia 20 4.1. Datengewinnung 20
4.2. Processing der MT Daten 23
4.3. Besonderheiten der Übertragungsfunktionen aus Namibia 25
4.4. Dimensionalitätsuntersuchung des Messgebiets 30
4.5. Rotationswinkel und Tensordekomposition 32
4.6. Die magnetischen Übertragungsfunktionen 34
4.7. Vergleich der Namibia-Daten mit bekannten Datensätzen 37
5\. Abbildungsmethoden 40 5.1. Eggers' Eigenstate Analysis 42
5.2. LaTorraca Singular Value Decomposition 44
5.3. Propagation Number Analysis (PNA) 46
5.4. Vergleich der Abbildungsmethoden 54
5.5. Verwendung von Invarianten 57
6\. Anwendung der Abbildungsmethoden 58 6.1. Die Abbildung eines 2D
Untergrundes durch die Ellipsen 58
6.2. Anwendung der Darstellungsmethoden auf die Daten aus Namibia 64
6.3. Diskussion 73
7\. Modellierung der 3D Effekte 75
7.1. Die Ringstruktur im Norden des Messgebiets 76
7.2. Modellierung der 3D Effekte im zentralen Bereich 88
7.3. Die Leitfähigkeitsverteilung südlich der WF/OL 94
7.4. Diskussion 96
8\. Zusammenfassung 99
9\. Summary 103
A. Anhang 107
A.1. Hat der scheinbare spezifische Widerstand Tensoreigenschaften? 107
A.2. Ist die Ausbreitungszahl ein Tensor? 108
A.3. Gesteine sedimentären Ursprungs 110
A.4. Aufspaltung einer Leitfähigkeitsverteilung durch die PNA 111
A.5. Übertragungsfunktionen 114
Literaturverzeichnis 124
Danksagung 130
Lebenslauf 132Im Rahmen eines geowissenschaftlichen Projekts in Namibia wurden
Magnetotellurikdaten an 107 Stationen in einem breiten Periodenbereich von 0
.001s-1000s aufgezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konzentriere ich mich
auf 60 Stationen in der Umgebung der Waterberg Fault / Omaruru Lineament
(WF/OL), einer großen tektono-stratigraphischen Zonengrenze im Damara Gürtel
in Namibia. Der Großteil der Stationen verteilt sich auf zwei 18 km lange
Profile, die mit einem Stationsabstand von 500 m, beziehungsweise 2000 m
vermessen wurden. Mit diesen beiden dichten Profile sowie 20 Stationen östlich
und westlich davon ergibt sich eine gute Stationsüberdeckung, um die WF/OL
detailliert zu untersuchen. Die MT Ergebnisse an einigen Stationen in der Nähe
der Fault sind stark von 3D Effekten beeinflusst: Wir beobachten hohe
Skewwerte, Phasen über 90° und eine starke Korrelation zwischen parallelen
elektrischen und magnetischen Feldkomponenten für lange Perioden. Die
Interpretation solch eines komplizierten Datensatzes gestaltet sich als
schwierig und sehr zeitaufwändig. Um andererseits die gemessenen Daten direkt,
also ohne a priori Information, abzubilden, ist eine Transformation des
komplexen Impedanztensors in eine physikalisch aussagekräftige Größe nötig.
Durch die geläufige Berechnung von scheinbaren spezifischen Widerständen
verliert diese Größe ihre Tensoreigenschaften. Aus diesem Grund habe ich ein
Verfahren weiterentwickelt, um einen scheinbaren Widerstandstensor zu
erhalten. Dabei wird die MT Admittanzgleichung mit den Maxwell-Gleichungen
kombiniert, und man erhält einen tensoriellen Ausdruck für die
Ausbreitungszahl. Diese Größe lässt sich anschließend in zwei Tensoren, den
scheinbaren Permittivitätstensor und dem scheinbaren Leitfähigkeitstensor,
aufspalten. Aus letzterem kann ein scheinbarer Widerstandstensor berechnet
werden. Diese Methode bezeichne ich als "Propagation Number Analysis" (PNA).
Durch eine Anwendung der PNA auf MT Daten erhalten wir ein Abbild der
Leitfähigkeitsverteilung in Form von Widerstandsellipsen. Darüber hinaus lässt
sich die PNA mit der Eggers' Eigenwert Analyse und der LaTorraca Singular
Value Decomposition vergleichen. Alle im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten
Abbildungsmethoden werden sowohl auf synthetische als auch auf gemessene Daten
aus Namibia angewendet. Die mit Hilfe der PNA erhaltenen Widerstandsellipsen
zeigen, dass es sich bei der WF/OL nicht um eine schmale Störung, sondern um
eine breite Störungszone handelt. Die meisten beobachteten 3D-Effekte lassen
sich durch eine Kombination von (i) einer oberflächennahen gut leitenden
Ringstruktur und (ii) einer anisotropen Zone in der oberen und einer
anisotropen Schicht in der unteren Kruste erklären. Die anisotrope Zone
parallel zur WF/OL ist etwa 10km breit, und Modellstudien ergeben, dass sie
sich mindestens in eine Tiefe von 14 km erstreckt.Within the framework of an integrated geophysical and geological project in
Namibia we recorded MT and GDS data in a broad frequency range between 0.001s
and 1000s at 107 sites. In my thesis I concentrate on a subset of sites across
the Waterberg Fault / Omaruru Lineament (WF/OL), a major tectono-stratigraphic
zone boundary in the Central Zone of the Damara Belt in Namibia. Most of the
sites are aligned along two parallel 18 km long profiles with a site spacing
of 500 m and 2 km, respectively. These dense profiles together with 20
additional sites to the East and West provide a good spatial coverage to study
the WF/OL in detail. The MT results at some sites in the vicinity of the Fault
are strongly affected by 3D effects - we observe high skews, phases over 90°
and a strong correlation of parallel electric and magnetic field components
for long periods. The interpretation of such a complicated magnetotelluric
data set with 3D forward modelling is difficult and very time consuming. To
image the measured data directly - without a priori information - requires the
transformation of the complex impedance tensor in a physically meaningful
quantity. Normal apparent resistivities calculated from the impedance tensor
do not retain the tensor properties. Therefore I developed a method to derive
an apparent resistivity tensor. Combining the MT admittance equation with
Maxwell's equations we yield a tensorial equation for the propagation number.
This quantity is subsequently separated into two tensors - an apparent
permittivity and an apparent conductivity tensor. From the latter an apparent
resistivity tensor can be computed. This method is called Propagation Number
Analysis (PNA). Applying PNA to MT data, we obtain an image of the
conductivity distribution in form of resistivity ellipses. The PNA is also
compared with two already known methods for imaging conductivity anomalies:
Eggers' Eigenstate Analysis and LaTorraca's Singular Value Decomposition. All
imaging methods presented are applied to synthetic data and measured MT data
from Namibia. The resistivity ellipses obtained by the PNA indicate that the
WF/OL is not a narrow fault, but a wider fault zone extended to the North.
Most of the observed 3D effects are explained by the combination of (i) a
shallow conductive ring structure and (ii) an anisotropic zone in the upper
crust and a lower crust which itself is also anisotropic. The anisotropic zone
is approximately 10km wide and modelling studies suggest that the fault zone
might continue down to at least 14 km
