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Magnetotelluric measurements across the southern Barberton Greenstone Belt, South Africa

Magnetotellurische Messungen am südlichen Barberton Grünsteingürtel, Südafrika

  • The Barberton Greenstone Belt (BGB) in the northwestern part of South Africa belongs to the few well-preserved remnants of Archean crust. Over the last centuries, the BGB has been intensively studied at surface with detailed mapping of its surfacial geological units and tectonic features. Nevertheless, the deeper structure of the BGB remains poorly understood. Various tectonic evolution models have been developed based on geo-chronological and structural data. These theories are highly controversial and centre on the question whether plate tectonics - as geoscientists understand them today - was already evolving on the Early Earth or whether vertical mass movements driven by the higher temperature of the Earth in Archean times governed continent development. To get a step closer to answering the questions regarding the internal structure and formation of the BGB, magnetotelluric (MT) field experiments were conducted as part of the German-South African research initiative Inkaba yeAfrica. Five-component MT data (three magnetic and twoThe Barberton Greenstone Belt (BGB) in the northwestern part of South Africa belongs to the few well-preserved remnants of Archean crust. Over the last centuries, the BGB has been intensively studied at surface with detailed mapping of its surfacial geological units and tectonic features. Nevertheless, the deeper structure of the BGB remains poorly understood. Various tectonic evolution models have been developed based on geo-chronological and structural data. These theories are highly controversial and centre on the question whether plate tectonics - as geoscientists understand them today - was already evolving on the Early Earth or whether vertical mass movements driven by the higher temperature of the Earth in Archean times governed continent development. To get a step closer to answering the questions regarding the internal structure and formation of the BGB, magnetotelluric (MT) field experiments were conducted as part of the German-South African research initiative Inkaba yeAfrica. Five-component MT data (three magnetic and two electric channels) were collected at ~200 sites aligned along six profiles crossing the southern part of the BGB. Tectonic features like (fossil) faults and shear zones are often mineralized and therefore can have high electrical conductivities. Hence, by obtaining an image of the conductivity distribution of the subsurface from MT measurements can provide useful information on tectonic processes. Unfortunately, the BGB MT data set is heavily affected by man-made electromagnetic noise caused, e.g. by powerlines and electric fences. Aperiodic spikes in the magnetic and corresponding offsets in the electric field components impair the data quality particularly at periods >1 s which are required to image deep electrical structures. Application of common methods for noise reduction like delay filtering and remote reference processing, only worked well for periods <1 s. Within the framework of this thesis two new filtering approaches were developed to handle the severe noise in long period data and obtain reliable processing results. The first algorithm is based on the Wiener filter in combination with a spike detection algorithm. Comparison of data variances of a local site with those of a reference site allows the identification of disturbed time series windows for each recorded channel at the local site. Using the data of the reference site, a Wiener filter algorithm is applied to predict physically meaningful data to replace the disturbed windows. While spikes in the magnetic channels are easily recognized and replaced, steps in the electric channels are more difficult to detect depending on their offset. Therefore, I have implemented a novel approach based on time series differentiation, noise removal and subsequent integration to overcome this obstacle. A second filtering approach where spikes and steps in the time series are identified using a comparison of the short and long time average of the data was also implemented as part of my thesis. For this filtering approach the noise in the form of spikes and offsets in the data is treated by an interpolation of the affected data samples. The new developments resulted in a substantial data improvement and allowed to gain one to two decades of data (up to 10 or 100 s). The re-processed MT data were used to image the electrical conductivity distribution of the BGB by 2D and 3D inversion. Inversion models are in good agreement with the surface geology delineating the highly resistive rocks of the BGB from surrounding more conductive geological units. Fault zones appear as conductive structures and can be traced to depths of 5 to 10 km. 2D models suggest a continuation of the faults further south across the boundary of the BGB. Based on the shallow tectonic structures (fault system) within the BGB compared to deeply rooted resistive batholiths in the area, tectonic models including both vertical mass transport and in parts present-day style plate tectonics seem to be most likely for the evolution of the BGB.show moreshow less
  • Der Barberton Grünsteingürtel (BGB) in Südafrika gehört zu den wenigen Regionen mit noch gut erhaltener Archaischer Kruste. Seit Jahrhunderten wurde der BGB eingehend untersucht und seine geologischen und tektonischen Strukturen detailliert kartiert. Über die tiefere Struktur des BGB ist hingegen wenig bekannt. Zahlreiche Evolutionsmodelle, die auf Altersbestimmungsdaten und strukturellen Informationen beruhen wurden über die Jahre aufgestellt. Diese Theorien sind zumeist widersprüchlich. Sie konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Frage, ob plattentektonische Prozesse bereits bei der Entwicklung der frühen Erde eine Rolle spielten oder ob vertikale Tektonik, angetrieben durch die im Archaikum höheren Temperaturen, die Bildung der heutigen Kontinente bestimmt hat. Um neue Erkenntnisse über die interne Struktur und Entwicklungsgeschichte des BGB zu erhalten, wurden im Rahmen der Deutsch-Südafrikanischen Forschungsinitiative Inkaba yeAfrica magnetotellurische (MT) Messungen durchgeführt. Entlang von sechs Profilen, die den gesamtenDer Barberton Grünsteingürtel (BGB) in Südafrika gehört zu den wenigen Regionen mit noch gut erhaltener Archaischer Kruste. Seit Jahrhunderten wurde der BGB eingehend untersucht und seine geologischen und tektonischen Strukturen detailliert kartiert. Über die tiefere Struktur des BGB ist hingegen wenig bekannt. Zahlreiche Evolutionsmodelle, die auf Altersbestimmungsdaten und strukturellen Informationen beruhen wurden über die Jahre aufgestellt. Diese Theorien sind zumeist widersprüchlich. Sie konzentrieren sich im Wesentlichen auf die Frage, ob plattentektonische Prozesse bereits bei der Entwicklung der frühen Erde eine Rolle spielten oder ob vertikale Tektonik, angetrieben durch die im Archaikum höheren Temperaturen, die Bildung der heutigen Kontinente bestimmt hat. Um neue Erkenntnisse über die interne Struktur und Entwicklungsgeschichte des BGB zu erhalten, wurden im Rahmen der Deutsch-Südafrikanischen Forschungsinitiative Inkaba yeAfrica magnetotellurische (MT) Messungen durchgeführt. Entlang von sechs Profilen, die den gesamten südlichen Teil des BGB’s überdecken, wurden nahezu 200 MT-Stationen installiert. Tektonische Strukturen wie z. B. (fossile) Verwerfungszonen können erhöhte Leitfähigigkeiten haben, wenn sich leitfähige Mineralisationen innerhalb der Scherzonen gebildet haben. Durch die Abbildung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung des Untergrundes mit Hilfe von MT Messungen kann der Verlauf tektonischer Strukturen nachvollzogen werden, woraus Schlüsse über möglicherweise abgelaufene tektonische Prozesse gezogen werden können. Der gesamte MT Datensatz weist starke Störeinflüsse durch künstliche elektromagnetische Signale auf, die bspw. von Stromleitungen und elektrischen Zäunen stammen. Insbesondere langperiodische Daten (>1 s) sind davon betroffen, die für die Auflösung tieferer Strukturen notwendig sind. Die Anwendung etablierter Ansätze wie Verschiebungsfiltern und der Remote Reference-Methode, führte zu Verbesserungen vorrangig für Perioden < 1 s. Der langperiodische Bereich ist durch impulsartige Störsignale in den magnetischen und dazugehörigen Stufen in den elektrischen Feldkomponenten geprägt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Zeitbereichs-Filter entwickelt, welcher auf einer abgewandelten Form des Wiener Filters beruht und diese Art von Störsignalen aus den Daten entfernt. Durch den Vergleich der Datenvarianz einer lokalen Station mit der einer Referenzstation können gestörte Zeitsegmente identifiziert werden. Anschließend wird ein Wiener-Filter-Algorithmus angewendet, um für diese Segmente mithilfe der Referenzdaten physikalisch sinnvolle Zeitreihen zu berechnen, mit denen die Daten der lokalen Station ersetzt werden. Während impulsartige Störsignale in den magnetischen Datenkanälen relativ einfach erfasst werden können, ist die Detektion von Versätzen in den elektrischen Zeitreihen je nach Versatzhöhe problematischer. Um dieses Problem zu umgehen, habe ich einen Algorithmus entwickelt, bei dem die Zeitreihen differenziert, gefiltert und im letzten Schritt integriert werden. In einer zweiten von mir entwickelten Filtermethode werden die Störsignale durch den Vergleich des kurzzeitigen und des langzeitigen Datenmittelwerts ausfindig gemacht. Bei diesem Filter werden die Störsignale aus den Zeitreihen entfernt und durch eine lineare Interpolation ersetzt. Durch die beiden Filtermethoden wurde eine deutliche Verbesserung der Datenqualität bis zu 10 und teilweise 100 s erreicht. Zur Interpretation des MT-Datensatzes wurden 2D und 3D Inversionen durchgeführt. Die so erhaltenen elektrischen Leitfähigkeitsmodelle zeigen eine gute Übereinstimmung mit den kartierten, geologischen Strukturen. Die Gesteine des BGB weisen in den Modellen hohe Widerstände auf und sind deutlich von leitfähigen benachbarten geologischen Strukturen abgegrenzt. Verwerfungszonen korrelieren mit leitfähigen Strukturen, die sich bis in eine Tiefe von 5 bis 10 km erstrecken. Eine Fortsetzung der Verwerfungszonen über die südliche Grenze des BGB wird in den 2D-Ergebnissen angedeutet. Insgesamt zeigen die Inversionsmodelle, dass vermutlich sowohl plattentektonische als auch vertikaltektonische Prozesse bei der Entstehung des BGB eine wichtige Rolle spielten.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sissy Kütter
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-83198
Advisor:Michael H. Weber, Ute Weckmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/09/04
Release Date:2015/12/01
Tag:Datenfilter; Magnetotellurik; Paläotektonik; Zeitreihenanalyse
data filtering; early earth tectonics; magnetotellurics; time series analysis
Pagenumber:xix, 156
RVK - Regensburg Classification:TF 04999, TG 3200, TG 03100
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
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