Joint use of TEM and MRS methods in a complex geological setting

Transient Electromagnetic (TEM), known also as Time Domain Electromagnetic (TDEM) and Magnetic Resonance Sounding (MRS) methods were applied jointly to investigate variations in lithology and groundwater salinity in the Nahal Hever South area (Dead Sea coast of Israel). The subsurface in this area is highly heterogeneous and composed of intercalated sand and clay layers over a salt formation, which is partly karstified. Groundwater is very saline, with a chloride concentration of 100–225 g/l. TEM is known as an efficient tool for investigating electrically conductive targets like saline water, but it is sensitive to both the salinity of groundwater and the porosity of rocks. MRS, however, is sensitive primarily to groundwater volume, but it also allows delineating of lithological variations in water-saturated formations. MRS is much less sensitive to variations in groundwater salinity in comparison with TEM. We show that MRS enables us to resolve the fundamental uncertainty in TEM interpretation caused by the equivalence between groundwater resistivity and lithology. Combining TEM and MRS, we found that the sandy Dead Sea aquifer filled with Dead Sea brine is characterized by a bulk resistivity of ρx > 0.4 Ωm, whereas zones with silt and clay in the subsurface are characterized by a bulk resistivity of ρx < 0.4 Ωm. These observations are confirmed by calibration of the TEM method performed near 18 boreholes.

RésuméLes méthodes de sondage électromagnétiques dans le domaine temporel (TDEM) et de Résonance Magnétique Protonique (RMP) ont été appliquées conjointement pour étudier les variations de salinité de l’eau souterraine dans la région de Nahal Hever Sud, située sur la côte occidentale israélienne de la Mer Morte. Dans cette région, le sous-sol, hautement hétérogène, est composé de couches d’argile et de sable au-dessus d’une formation de sel partiellement karstifiée. Dans cette région, l’eau est très fortement salée, avec une concentration en chlorures de 100–225 g/l. La méthode TDEM est connue pour être une méthode efficace pour étudier des milieux électriquement conducteurs comme l’eau salée, avec une sensibilité forte aussi bien à la salinité de l’eau qu’à la porosité de la roche. La méthode RMP, est, quant à elle, sensible surtout à la quantité de l’eau, mais aussi aux variations lithologiques. Par contre, la RMP est beaucoup moins sensible aux variations de la salinité de l’eau que la TDEM. Nous avons mis en évidence que les données issues de la RMP nous permettent de résoudre l’ambiguïté fondamentale dans l’interprétation des mesures TDEM, due à l’équivalence entre la résistivité électrique de l’eau et la porosité des roches. Cette étude, combinant les méthodes TDEM et RMP, nous a permis de constater que dans la zone côtière de la Mer Morte, l’aquifère sableux contenant une eau issue de la Mer Morte, est caractérisé par une résistivité supérieure à 0,4 Ωm, alors que les zones à teneur en argile élevée sont caractérisées par une résistivité inférieure à 0,4 Ωm. Ces résultats sont confirmés par le calage des interprétations des sondages TDEM effectués à proximité de 18 forages disponibles.