Groundwater exploration at the Hochschwab using magnetotelluric : an investigation of open-source approaches for data processing

Abstract

Die Magnetotellurik (MT) ist eine passive geophysikalische Methode zur Messung von Schwankungen der natürlichen elektrischen und magnetischen Felder der Erde. Zeitreihen des magnetischen Feldes werden in drei orthogonalen Komponenten (x, y, z) mit Induktionsspulen gemessen, während Zeitreihen des elektrischen Feldes in zwei orthogonalen Komponenten (x, y) mit nicht polarisierbaren Elektroden gemessen werden. Durch die Prozessierung der gemessenen Zeitreihen können Informationen über die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Untergrund gewonnen werden. Diese Auswertung wird üblicherweise mit kommerzieller Software durchgeführt. Kommerzielle Softwares sind jedoch oft teuer und können nicht modifiziert werden, so dass sie für den akademischen Gebrauch nicht geeignet sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Open-Source-Workflow für die MT- Zeitreihenprozessierung zu finden, der für Lehr- und Forschungsaktivitäten an der TU Wien geeignet ist. Zu diesem Zweck evaluiere ich verschiedene Open-Source- Codes, ihre Vorteile und Grenzen. Diese Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: (1) Literaturrecherche zu den verfügbaren Open-Source-Algorithmen, (2) die Verwendung und Evaluierung der verschiedenen Bibliotheken und der Vergleich der erzielten Ergebnisse mit einer kommerziellen Software, und (3) Erfassung, Verarbeitung und Interpretation von exemplarischen Datensätzen.Zur Illustration der Methodik für die Visualisierung und Verarbeitung der Daten wurden zwischen 2022 und 2024 MT-Sondierungen an drei verschiedenen Standorten in Österreich durchgeführt: dem Nationalpark Neusiedler See-Seewinkel, dem Hydrologischen Freilandlabor (HOAL) in Petzenkirchen und dem Hochschwab-Massiv. Zunächst untersuche ich MT-Sondierungen im Seewinkel, einem Standort mit vernachlässigbarer Infrastruktur, und im HOAL, einer urbanen Umgebung, um die Quellen anthropogenen Rauschs zu identifizieren und zu verstehen. Zweitens analysiere ich natürliche Signalschwankungen im AMT- Deadband während Tag und Nacht, um ihren Einfluss auf die Datenqualität zu bewerten. Drittens wende ich den vorgeschlagenen Workflow auf vier Sondierungen am Hochschwab an, um den spezifischen elektrischen Widerstand des Untergrundes bis zu einer Tiefe von ca. 3 km zu bestimmen und so die Tiefe des Grundwasserspiegels abzugrenzen.Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig es ist, die MT-Rohdaten sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich zu untersuchen, um die Quellen von Rauschen, Ausreißern und fehlerhaften Messungen zu erkennen und zu verstehen. In dieser Hinsicht konnten Ich im Rahmen dieser Arbeit auch die Protokolle für die Feldarbeit verbessern, um MT-Daten mit höherer Qualität zu sammeln. Anthropogenes Rauschen beeinträchtigt die Qualität der MT-Daten und die Interpretation der Ergebnisse erheblich. Die Notch-Filterung von Stromleitungs- (50 Hz) und Eisenbahnsignalen (16,7 Hz) und deren harmonischen Signalen sowie die Festlegung von Schwellenwerten für die Kohärenz verbessern die Impedanzschätzung erheblich.Für eine beispielhafte MT-Sondierung am Hochschwab wurden numerische Modelle mit dem im Rahmen dieser Arbeit implementierten Vorwärtslöser getestet. Der Grundwasserspiegel wurde in einer Tiefe von etwa 1200 m mit einem spezifischen elektrischen Widerstand des Aquifers von 300-400 Ωm geschätzt. Diese Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit der MT-Methode und des vorgeschlagenen Open-Source-workflows für die Grundwasserexploration. Es sind jedoch weitere Analysen, einschließlich Dimensionalitätsanalyse, Topografiekorrektur und Inversion, erforderlich, um die Grundwassergeometrie vollständig zu verstehen und die Tiefe des Grundwasserspiegels genau zu schätzen.

Magnetotellurics (MT) is a passive geophysical method that measures variations of the Earth's natural electric and magnetic fields. Magnetic field time series are measured in three orthogonal components (x, y, z) using induction coils, while electric field time series are measured in two orthogonal components (x, y) using pairs of electrodes. Information about the electrical resistivity distribution in the subsurface is obtained by processing the measured time series. This processing is typically conducted using commercial software. However, commercial software licenses are often expensive and cannot be modified, making them unsuitable for academic use. The objective of this thesis is to find an open-source workflow for MT time series processing suitable for teaching and research activities at the TU Wien. For this purpose, I evaluate different open source processing codes, their advantages and limitations. In this regard, the thesis is composed of three main sections: (1) literature research on the available open-source algorithms (2) the use and evaluation of the different libraries and the comparison of the obtained results with a commercial software, and (3) collection, processing and interpretation of exemplary data sets.To illustrate the methodology for the visualization and processing of the data, MT soundings were collected between 2022 and 2024 at three different locations in Austria: the Neusiedler See-Seewinkel National Park, the Hydrological Open-Air Laboratory (HOAL) in Petzenkirchen and the Hochschwab Massif. First, I investigate comparative MT soundings at Seewinkel, a site with negligible infrastructure, and HOAL, an urban environment, to identify and understand the sources of anthropogenic noise. Second, I analyze natural signal variations in the AMT deadband during day and night to assess their influence on data quality. Third, I apply the proposed workflow to four soundings at Hochschwab to determine the resistivity of the of the subsurface to a depth of ca. 3km, towards the delineation of the depth to the water table.The results highlight the importance of examining raw MT data in both the time and frequency domain to identify and understand the sources of noise, outliers and erroneous measurements. In this regard, the thesis also permitted to improve the protocols for the field work towards the collection of MT with higher quality. Anthropogenic noise significantly affects MT data quality and the interpretation of results. Notch filtering of powerline (50Hz) and railway (16.7Hz) signals and their harmonics, as well as coherency thresholding significantly improve impedance estimation.For one exemplary MT sounding collected at the Hochschwab site, numerical models were tested using forward solver implemented in the frame of this thesis. The water table was estimated at a depth of approximately 1200 m, with an aquifer resistivity of 300–400 Ωm. These results demonstrate the applicability of the MT method and the proposed open-source processing workflow for groundwater exploration. However, further analyses, including dimensionality analysis, topography correction and inversion, are required to fully understand the groundwater geometry and to accurately estimate the depth of the groundwater table.