Methodology to Estimate the Maximum Depth of Reliability of Two-Dimensional Geoelectrical Models Derived From Magnetotelluric Data

Abstract

An empirical technique is proposed to estimate the maximum depth of reliability of two-dimensional (2D) geoelectrical models derived from magnetotelluric surveys conducted in regions with different conductivity. The results are then compared to those derived from a heuristic methodology well established in the literature. Experimental data from a linear profile cutting across the major structures in the SE portion of the Borborema Province, northeastern Brazil, are used. The data were collected with modern instrumentation, processed by robust techniques and modeled using inversion algorithms available nowadays to the research community of electromagnetic induccion inside the Earth. Sensitivity tests have shown that the 2D geoelectrical section is robust and accurately represents the conductivity distribution below the profile. The 2D section is used as a starting point for the empirical method employed, which consists of introducing a perfect conductor (or resistor) at different depths of the 2D model. The effect of adding this structure to the data fitting is checked through forward calculation and by comparing the RMS misfit. The results show that the maximum depth of reliability of the 2D geoelectrical model is usually given by the phase of the transverse electric (TE) mode, whereas the maximum depth of propagation of the EM signal is usually given by the phase of transverse magnetic (TM) mode. The empirical approach shows similar variations in depth when compared to the results from the heuristic method, but provides lateral variations more compatible with the diffusive process of EM wave propagation. RESUMO: Uma técnica empírica para estimar a profundidade máxima de confiabilidade de modelos geoelétricos bidimensionais (2D), obtidos a partir de sondagens magnetotelúricas realizadas em regiões de diferentes condutividades, é aqui proposta e seus resultados são comparados àqueles derivados de uma metodologia heurística já consagrada na literatura. Para tanto, são utilizados dados experimentais obtidos em um perfil linear que corta transversalmente as principais estruturas e terrenos na porção SE da Província Borborema, região Nordeste do Brasil. Os dados utilizados foram coletados com instrumentação moderna, processados por técnicas robustas e modelados por algoritmos de inversão atualmente disponíveis para a comunidade de estudos de indução eletromagnética no interior da Terra. A seção geoelétrica 2D derivada desse procedimento é robusta em relação a diferentes testes de sensibilidade e representa adequadamente a distribuição de condutividade elétrica sob o perfil, sendo aqui utilizada como ponto de partida para o método empírico empregado. A técnica empírica aqui proposta é bastante simples, baseada na introdução de um condutor (ou um resistor) perfeito em diferentes profundidades do modelo de distribuição de condutividades e verificando seu efeito no ajuste dos dados (RMS) por cálculo direto usando o programa empregado na inversão dos dados. Os resultados obtidos mostram que a profundidade limite de validade da interpretação 2D do modelo geoelétrico é geralmente dada pela fase do modo transverso elétrico (TE) de propagação do sinal eletromagnético (EM), enquanto o limite máximo de propagação desse sinal é dado pela fase do modo transverso magnético (TM). Em comparação com as profundidades de investigação obtidas pelo método heurístico, a metodologia empírica mostra comportamento semelhante nas variações de profundidade, mas fornece variações laterais mais compatíveis com o processo difusivo de propagação das ondas EM.Palavras-chave: sondagem magnetotelúrica; modelo geoelétrico bidimensional; profundidade máxima de confiabilidade do modelo