Traditional two-dimensional (2D) interpretation of magnetotelluric (MT) data utilizes only transverse magnetic (TM)-mode data, because 2D inversion of transverse electric (TE)-mode data results in spurious features when 3D structures exist in the subsurface. The application of a 3D inversion algorithm to a single MT profile can reduce contamination due to off-profile anomalies and help us to incorporate TE-mode data in the interpretation. In this study, we conduct 2D and 3D inversions of MT data observed along two lines in Jeju Island. First, we invert apparent resistivities and phases in the TM and TE modes separately. Then, we perform 2D joint inversion of both TM- and TE-mode data and 3D inversion of both Zxy- and Zyx-mode data corresponding to TE- and TM-mode data in 2D. The resistivity images derived from all four data show that the geoelectrical structure in Jeju Island is a three-layered earth with the resistive-conductive-resistive stratigraphy within a depth of 5 km. The 3D inversion does not produce clear anomalies in the reconstructed profile image, while all of 2D do. This attributed to the possibility that 2D inversion results are distorted by exiting off-profile 3D anomalies in Jeju. With 3D inversion of 2D profile MT data, we can deduce more reliable results that are not seriously distorted by off-profile 3D anomalies.
This paper presents a practical inversion method for recovering a three-dimensional (3D) resistivity model and static shifts simultaneously. Although this method is based on a Gauss-Newton approach that requires a sensitivity matrix, the computer time can be greatly reduced by implementing a simple and effective procedure for updating the sensitivity matrix using the Broyden's algorithm. In this research, we examine the approximate inversion procedure and the weighting factor ${\beta}$ for static shifts through inversion experiments using synthetic MT data. In methods using the full sensitivity matrix constructed only once in the iteration process, a procedure using the full sensitivity in the earlier stage is useful to produce the smallest rms data misfit. The choice of ${\beta}$ is not critical below some threshold value. Synthetic examples demonstrate that the method proposed in this paper is effective in reconstructing a 3D resistivity structure from static-shifted MT data.
An efficient algorithm for inverting static-shifted magnetotelluric (MT) data has been proposed to produce a three-dimensional (3D) resistivity model. In the Gauss-Newton approach, computational costs associated with construction of a full sensitivity matrix usually make 3D MT inversion impractical. This computational difficulty may be overcome by using approximate sensitivities. We use four kinds of sensitivities in particular orders in the inversion process. These sensitivities are computed 1) analytically for an initial, homogeneous earth, 2) exactly for a current model, 3) approximately by the Broyden method, and 4) approximately using the previous adjoint fields. Inversion experiments with static-shifted synthetic and field MT data indicate that inversion results are highly dependent on characteristics of data and thus applying various combinations of sensitivities is helpful in obtaining a good image of the subsurface structure with reasonable computation time.
This article reviews recent developments in three-dimensional (3-D) magntotelluric (MT) imaging. The inversion of MT data is fundamentally ill-posed, and therefore the resultant solution is non-unique. A regularizing scheme must be involved to reduce the non-uniqueness while retaining certain a priori information in the solution. The standard approach to nonlinear inversion in geophysis has been the Gauss-Newton method, which solves a sequence of linearized inverse problems. When running to convergence, the algorithm minimizes an objective function over the space of models and in the sense produces an optimal solution of the inverse problem. The general usefulness of iterative, linearized inversion algorithms, however is greatly limited in 3-D MT applications by the requirement of computing the Jacobian(partial derivative, sensitivity) matrix of the forward problem. The difficulty may be relaxed using conjugate gradients(CG) methods. A linear CG technique is used to solve each step of Gauss-Newton iterations incompletely, while the method of nonlinear CG is applied directly to the minimization of the objective function. These CG techniques replace computation of jacobian matrix and solution of a large linear system with computations equivalent to only three forward problems per inversion iteration. Consequently, the algorithms are efficient in computational speed and memory requirement, making 3-D inversion feasible.
Lee Tae Jong;Uchida Toshihiro;Sasaki Yutaka;Song Yoonho
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.6
no.4
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pp.199-206
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2003
Characteristics of the static shift are discussed by comparing the three-dimensional MT inversion with/without static shift parameterization. The galvanic distortion by small-scale shallow feature often leads severe distortion in inverted resistivity structures. The new inversion algorithm is applied to four numerical data sets contaminated by different amount of static shift. In real field data interpretations, we generally do not have any a-priori information about how much the data contains the static shift. In this study, we developed an algorithm for finding both Lagrangian multiplier for smoothness and the trade-off parameter for static shift, simultaneously in 3-D MT inversion. Applications of this inversion routine for the numerical data sets showed quite reasonable estimation of static shift parameters without any a-priori information. The inversion scheme is successfully applied to all the four data sets, even when the static shift does not obey the Gaussian distribution. Allowing the static shift parameters have non-zero degree of freedom to the inversion, we could get more accurate block resistivities as well as static shifts in the data. When inversion does not consider the static shift as inversion parameters (conventional MT inversion), the block resistivities on the surface are modified considerably to match possible static shift. The inhomogeneous blocks on the surface can generate the static shift at low frequencies. By those mechanisms, the conventional 3-D MT inversion can reconstruct the resistivity structures to some extent in the deeper parts even when moderate static shifts are in the data. As frequency increased, however, the galvanic distortion is not frequency independent any more, and thus the conventional inversion failed to fit the apparent resistivity and phase, especially when strong static shift is added. Even in such case, however, reasonable estimation of block resistivity as well as static shift parameters were obtained by 3-D MT inversion with static shift parameterization.
In magnetotelluric (MT) surveys, small inhomogeneities near the surface cause a static shift in which apparent resistivities shift regardless of frequency. As the static shift in MT data leads to errors in subsurface structure interpretation, many studies have been conducted over the past few decades to mitigate or remove the distortions it caused. The most representative method involves removing static shifts from the data before inversion. Conversely, static shifts can be corrected during inversion or included in the inversion process. In addition, other geophysical data can be used to remove static shifts. However, the correction methods are limited to one-dimensional (1D) static responses, and limitations remain in two- or three-dimensional (2D or 3D) interpretation of distorted MT data owing to static shifts. This study provides a foundation for future studies on static shift by analyzing several previously published methods.
When magnetotelluric (MT) data are obtained in vicinity of the coast, the sea can distort observed MT responses, especially those of deep part of subsurface. We introduce an iterative method to correct the sea effect, based on the previous topographic correction method which removes the distortions due to topographic changes in seafloor MT data. The method first corrects the sea effect in observed MT impedance, and then inverts corrected responses in a model space without the sea. Due to mutual coupling between sea and subsurface structure, the correction and inversion steps are iterated until changes in each result become negligible. The method is validated for 1-D and 2-D structure using synthetic MT data produced by 3-D forward modeling including surrounding seas. In all cases, the method closely recovers the given structure after a few iterations. To test the applicability of the proposed method to field data, we generate synthetic MT data for the Jeju Island whose 1-D conductivity structure is well known, using 3-D forward modeling. The distortions due to the surrounding sea start to appear below the frequency about 1 Hz, and are relatively severe in the electrical field perpendicular to the coastline because of the location of the observation sites. The proposed method successfully eliminates the sea effect after three iterations, and both 1-D and 2-D inversion of corrected responses closely recover the given subsurface structure of the Jeju Island model.
A field campaign of magnetotelluric (MT) and audio-frequency MT (AMT) survey was done at 36 measurement points as a complementary for the previous 44 MT measurements completed during the period of 2005-2006. The purpose of additional MT survey is to investigate the possible fracture system in Seokmo Island, which is conceived to be crucial in accumulation and migration of geothermal hot spring in this area. We have done 2D and 3D inversions of overall MT and AMT data distributed on a grid to interpret subsurface of extended area. The inversion results reveal that at least two major faults are imaged in the inversion results, one of which is in NNE-SWW with steep dip, and another is in E-W direction.
Lee, Seong-Kon;Lee, Tae-Jong;Uchida, Toshihiro;Park, In-Hwa;Song, Yoon-Ho;Cull, Jim
한국지구물리탐사학회:학술대회논문집
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2009.10a
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pp.71-74
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2009
호주 Victoria주에서 2007년에 이어 2008년에 Victoria주 북부 지역에서 추가로 탐사 자료를 획득하였으며, 이에 대한 2차원 및 3차원 해석을 수행하였다. 새로이 얻은 자료는 이전의 측선과 나란하게 설정하여 이전 결과에서 해석하였던 전기비저항 영상의 연장성을 밝히고자 하였다. 2차원 및 3차원 역산 결과를 이 지역의 지질자료와 비료 해석한 결과 2007년 MT자료 해석으로부터 확인된 고비저항 및 저비저항대의 공통적인 특징을 새로운 측선에서도 확인할 수 있었으며, 또한 이 지역의 대규모 단층대로 영상화할 수 있었다.
This tutorial explains that the static effect in the magnetotelluric (MT) survey is a physical phenomenon caused by charges accumulated on the boundaries of subsurface inhomogeneities. To facilitate understanding of the physical phenomenon, differences between static induction and charge accumulation on the boundary are explained and analyzed with help of schematic illustrations. Subsequently, from the electromagnetic (EM) integral equation formulation, it is clearly shown that the secondary electric field due to charges accumulated on the interface in the presence of the primary field appears as the static effect. Therefore, except in the cases of the layered earth or a two-dimensional earth with transverse magnetic (TM) mode excitation, the static effect always exists in MT responses and further, it is not 'static' but rather frequency dependent. Despite the fact that the static effect is a secondary electric field due to inhomogeneity, inevitable under-sampling in the frequency and spatial domains prevent the effect from being handled properly in numerical inversion. Therefore, considering the practical aspects of the MT survey, which cannot be a continuous measurement covering the entire survey area over a wide frequency band, a three-dimensional (3-D) inversion incorporating the static shift as a constraint with the Gaussian distribution is introduced. To enhance understanding of the integral equation EM modeling, the formulation of the 3-D integral equation and mathematical analyses of the Green tensor and scattering current are described in detail in the Appendix.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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