Potentials and limitations of new-generation multisource resistivity-meter: numerical modeling and applications

Abstract

The resistivity method has recently boosted its potentials since the development of new-concept resistivity-meters. Key improvements include a much better data quality and the reduced logistics required to operate complicated surveys in rough terrains. The Multi-Source System (MS) incorporates both these two features. In particular, the signal-to-noise ratio is significantly improved by injecting current using several simultaneous transmitting dipoles. This approach represents a major breakthrough for Electrical Resistivity Tomography (ERT) although some theoretical developments along with applications to new scenarios are still missing. MS has been never tested systematically since its appearance less than 10 years ago. This research is a sort of base work to evaluate the system potentials and understand the system limitations. Numerical modeling and real data were jointly used for the purpose. The MS response was initially tested on simple subsurface models, in order to gain confidence on its resolving power over known resistivity distribution. The response of traditional arrays was also analyzed in the same context and compared to the MS. The MS was tested and compared to traditional arrays in two specific shallow and deep settings: a river embankment; a buried bedrock. Synthetic and real data were utilized for an exhaustive analysis. The real data were collected in controlled sites: the levees of the Brenta river near Venice and the Vajont rockslide in the North-Eastern Alps. Prominent results have been obtained from this study. Two key parameters were estimated at first. The first parameter is the minimum signal amplitude recordable by the MS electronics. The second parameter, correlated to the first, is the acceptable noise per each model cell during iterative inversion. MS layouts and transmitting schemes were optimized to detect and image a target sand body within and below a river embankment. A procedure for effectively imaging a pervious subsurface body was devised via a cascade combination of inline and crossline transmitters. A similar procedure was adapted and applied to the resolution of an inclined bedrock surface. MS has also some drawbacks, like the effective portability of the units and the number of electrodes managed by a single unit, or again the introduction of undesired noise in the shallower portions of inverted models in some scenarios. The propagation of artificial current in natural media from multiple simultaneous transmitters via MS needs to be further investigated, as well as the optimization of the acquisition procedures using this system.

Il metodo della resistività ha aumentato notevolmente le sue potenzialità con lo sviluppo di resistivimetri di nuovo concept. Dei miglioramenti chiave riguardano la qualità del dato e l'abbattimento dei tempi logistici in rilievi complicati e su terreni impervi. Il sistema Multi-Source (MS) incorpora entrambi. Nello specifico, il rapporto segnale-rumore è notevolmente migliorato dall'iniezione di corrente utilizzando più dipoli contemporaneamente. Questo approccio rappresenta un'importante innovazione nel mondo delle tomografie elettriche di resistività (ERT), sebbene vi sia una sostanziale mancanza di sviluppi teorici e di nuove applicazioni del sistema in casi di studio reali. Il sistema MS non è mai stato testato sistematicamente dal momento della sua introduzione sul mercato, circa 10 anni fa. Questo lavoro rappresenta una prima base di valutazione delle potenzialità del sistema, nonchè dei suoi limiti. La modellazione numerica e dataset reali sono stati utilizzati congiuntamente per tale scopo. Il sistema MS è stato inizialmente testato su modelli di sottosuolo semplici, al fine di acquisire confidenza rispetto al suo potere risolutivo rispetto a distribuzioni note di resistività. I risultati di array tradizionali rispetto alle medesime distribuzioni di resistività sono stati analizzati e confrontati con quelli MS. Il sistema MS è stato testato e comparato rispetto agli array tradizionali in due scenari specifici: un argine fluviale e un bedrock sepolto. Per un'analisi più esaustiva, sono stati utilizzati sia dati sintetici che reali. I dati reali sono stati acquisiti in siti controllati: un tratto arginale del fiume Brenta, vicino Venezia, ed il corpo di frana del Vajont, nelle Alpi nord-orientali. Dallo studio sono emersi risultati importanti. Per primi, sono stati individuati due parametri chiave. Il primo riguarda l'ampiezza minima di segnale registrabile dal sistema MS. Il secondo, correlabile con il primo, riguarda il rumore accettabile per ogni cella del modello durante le fasi di inversione. Nuovi layout e schemi di acquisizione del sistema MS sono stati ottimizzati al fine di individuare e descrivere un target costituito da un corpo sabbioso al di sotto di un rilevato arginale. Una nuova procedura finalizzata alla descrizione di un corpo sepolto a geometria complessa è stata ideata per il sistema MS, tramite una combinazione di trasmettitori in linea e cross linea. Una procedura simile è stata adattata ed applicata alla risoluzione di un contatto sepolto tra un bedrock ed un corpo di frana. Il sistema MS presenta anche degli svantaggi, come ad esempio l'effettiva portabilità delle unità ed il numero di elettrodi gestibile da ciascuna, oppure l'introduzione di rumore indesiderato nelle porzioni più superficiali dei modelli di inversione. La propagazione delle correnti artificiali nei mezzi naturali tramite l'utilizzo di trasmettitori multipli con il sistema MS andrebbe ulteriormente approfondita, così come l'ottimizzazione delle strategie di acquisizione.