Study of the effect of temperature changes to the inversion results of electrical resistivity tomography data = Μελέτη της επίδρασης των θερμοκρασιακών μεταβολών στα αποτελέσματα αντιστροφής των δεδομένων της ηλεκτρικής τομογραφίας.

Περίληψη

The electrical resistivity tomography (ERT) and the relationship between electrical resistivity and temperature are widely used in applications such as the detection of the subsurface temperature anomalies and the conversion of temperature effected subsurface geoelectrical properties to a reference temperature. In the present study, the conversion of the inverted ERT sections to a reference temperature is investigated. We study the case of the influence of the diurnal and seasonal temperature oscillations on the ground to the subsurface earth resistivities. We adopt a conversion (“correction”) method for the surface temperature effect which is relied on a) the calculation of the subsurface temperature profile and b) on applying empirical electrical resistivity-temperature conversion models to correct the inverted resistivities. To study the phenomenon and to validate the correction approach we performed extensive synthetic data tests using temperature “contaminated” geoelectrical models which are assumed to have either homogeneous or inhomogeneous thermal properties. The synthetic “contaminated” geoelectrical data were inverted using standard processing tools and the results were subjected to temperature correction i.e. conversion to a reference temperature using the scheme developed in this work. The synthetic data tests calculated using typical Mediterranean temperature oscillations and typical thermal properties suggest that the diurnal oscillation effects the resistivities significantly (i.e. >3% change) up to a depth of 0.3m below the  ground while the seasonal (annual) oscillation is significant up to a depth of approximately 10m. Note that these depths vary with different climate conditions and thermal properties. In the ERT measurement context the inversion results produced by ERT data-sets collected with inter-electrode sapcing of 7m or less, need to be considered for seasonal temperature effect if of course this is necessary for the study of the geoelectrical property variations (i.e. time-lapse ERT studies). Respectively data produced by arrays with spacing less than 1m need to considered for the correction of the diurnal temperature effect. In order to correct the seasonal oscillating resistivity horizons, we should utilize correction temperature profile which takes into account both the annual and the diurnal oscillation events. The correction approach we adopted assumes thermally homogeneous media. It performed well in all tested cases since it produced improved results even for thermally inhomogeneous synthetic models.

Οι ηλεκτρικές τομογραφίες (ERT) και η σχέση μεταξύ της ηλεκτρικής αντίστασης και της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές όπως ο εντοπισμός των θερμοκρασιών ανωμαλιών του υποβάθρου και η αναγωγή των θερμοκρασιακά επηρεασμένων ηλεκτρικών ιδιοτήτων του υπεδάφους  σε μια θερμοκρασία αναφοράς. Στην παρούσα μελέτη, ερευνάται η αναγωγή των αποτελεσμάτων της αντιστροφής δεδομένων ηλεκτρικής τομογραφίας σε μια θερμοκρασία αναφοράς. Μελετήθηκε η περίπτωση της επίδρασης της ημερήσιας και της εποχικής μεταβολής της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους στις ηλεκτρικές αντιστάσεις των σχηματισμών του υπεδάφους. Επίσης υιοθετήθηκε μια μέθοδος αναγωγής (διόρθωσης) των αποτελεσμάτων της αντιστροφής των ηλεκτρικών τομογραφιών, που έχουν επηρεαστεί από την επιφανειακή μεταβολή της θερμοκρασίας, η οποία βασίζεται: α) στον υπολογισμό του θερμοκρασιακού προφίλ των υπεδάφειων σχηματισμών και β) στην εφαρμογή εμπειρικών σχέσεων αναγωγής της ηλεκτρικής αντίστασης και της θερμοκρασίας. Για την αξιολόγηση του φαινομένου και της  μεθοδολογίας της διόρθωσης, πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες δοκιμές με συνθετικά δεδομένα, χρησιμοποιώντας θερμοκρασιακά επηρεασμένα ηλεκτρικά μοντέλα τα οποία έχουν είτε ομογενής είτε ανομοιογενείς θερμικές ιδιότητες. Τα συνθετικά γεωηλεκτρικά δεδομένα υπέστησαν αντιστροφή χρησιμοποιώντας τυποποιημένα εργαλεία επεξεργασίας και κατόπιν υποβλήθηκαν σε διόρθωση θερμοκρασίας δηλαδή αναγωγή της ηλεκτρικής αντίστασης σε θερμοκρασία αναφοράς χρησιμοποιώντας ένα λογισμικό που αναπτύχθηκε σε αυτή την εργασία. Οι δοκιμές με τα συνθετικά δεδομένα που θεωρήθηκε ότι επηρεάστηκαν από μια τυπική (μεσογειακής) θερμοκρασιακή μεταβολή για μέσα με τυπικές θερμικές ιδιότητες, φανερώνουν ότι η ημερήσια μεταβολή επηρεάζει ισχυρά της αντιστάσεις (π.χ μεταβολή >3%) μέχρι το βάθος των 0.3m από την επιφάνεια του εδάφους, ενώ η αντίστοιχη εποχική (ετήσια) μεταβολή επιδρά ισχυρά μέχρι περίπου τα 10m βάθος. Σημειώνεται ότι αυτά τα βάθη ποικίλλουν ανάλογα με τις διαφορετικές κλιματικές συνθήκες και τις ποικίλες θερμικές ιδιότητες των σχηματισμών του υπεδάφους. Στο πλαίσιο των μετρήσεων ηλεκτρικής τομογραφίας  η επίδραση της εποχιακής μεταβολής της θερμοκρασίας θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε αποτελέσματα αντιστροφής που προέρχονται από διατάξεις ηλεκτροδίων όπου  τα ηλεκτρόδια απέχουν μεταξύ τους τουλάχιστο 7m ή λιγότερο, στις περιπτώσεις βέβαια που ενδιαφερόμαστε για τη μελέτη της διαχρονικής μεταβολής της αντίστασης . Αντίστοιχα, η διόρθωση της ημερήσιας θερμοκρασιακής μεταβολής χρειάζεται να ληφθεί υπόψη σε δεδομένα που παράγονται από διατάξεις ηλεκτροδίων με απόσταση μικρότερη από 1m. Για τη διόρθωση των εποχικά μεταβαλλόμενων αντιστάσεων χρειάζεται να χρησιμοποιηθούν θερμοκρασιακά προφίλ διόρθωσης που λαμβάνουν υπόψη τόσο την ετήσια όσο και την ημερήσια μεταβολή. Η προσέγγιση διόρθωσης που υιοθετήθηκε στην παρούσα εργασία προϋποθέτει θερμικά ομογενείς σχηματισμούς και έχει ικανοποιητική επίδοση σε όλες τις δοκιμές που εκτελέσαμε, καθώς παρήγαγε βελτιωμένα αποτελέσματα ακόμη και στις περιπτώσεις συνθετικών μοντέλων με μεγάλο βαθμό θερμικής ανομοιογένειας.