Preserving geological realism: integrating implicit geomodeling in deterministic geophysical inversions

Balza Morales, Andrea Estefania; Maurer, Hansruedi; Shakas, Alexis; Wagner, Florian Michael; Wellmann, Jan Florian

doi:HT031549420

Preserving geological realism: integrating implicit geomodeling in deterministic geophysical inversions

Balza Morales, Andrea Estefania^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frau Andrea Balza Morales, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025. - Dissertation, ETH Zürich, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026. - Cotutelle Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Florian Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Wellmann, Jan Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Maurer, Hansruedi (Thesis advisor) ; Shakas, Alexis (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06787
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038825/files/1038825.pdf

Einrichtungen

Projekte

EASYGO - Efficiency and Safety in Geothermal Operations (956965) (956965)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
geology (frei) ; geophysics (frei) ; inversion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Charakterisierung des Untergrunds steht vor zwei miteinander verknüpften Herausforderungen: Geophysikalische Inversionen liefern häufig geglättete Abbildungen, die scharfe Kontraste verwischen, und die Interpretation geologischer Modelle ist durch unsichere a-priori-Informationen und unzureichende quantitative Daten eingeschränkt. Dadurch bleiben zusammenfassende Interpretationen zwischen Geomodellen und geophysikalischen Inversionen oft qualitativ und subjektiv. Viele bestehende Ansätze sind überwiegend datengetrieben oder modellgetrieben und tun sich daher schwer, alle verfügbaren Informationen in ein einheitliches Geomodell zu integrieren. Diese Arbeit adressiert diese Lücke, indem sie ein implizites geologisches Modell mit geophysikalischen Vorwärtsoperatoren in einem strukturbasierten Inversionsansatz kombiniert, der geologischen Realismus bewahrt und zugleich scharfe Kontraste in den geophysikalischen Modellen abbilde kann. Eine deterministische Inversion wird formuliert, bei der das aktualisierte Modell durch Verschiebungen der Geomodell-Grenzflächen definiert ist. Eine zentrale Herausforderung ergibt sich daraus, dass die geophysikalische Antwort sowohl von der Geometrie als auch von den physikalischen Parametern abhängt, was zu Mehrdeutigkeiten führt. Um dies zu mindern, wird eine sequentielle Strategie angewendet, bei der zunächst die Geometrie der Grenzflächen aktualisiert und die resultierende Struktur anschließend zur Einschränkung der Inversion der physikalischen Parameter herangezogen wird. Der Workflow ist mit Open-Source-Werkzeugen implementiert und lässt sich auf unterschiedliche Szenarien und Skalen anpassen. Realitätsnahe synthetische Studien mit simulierten elektrischen Widerstandstomografie-Daten (engl. ERT) und seismischen Laufzeitdaten (engl. SRT) zeigen, dass geeignete Grenzflächengeometrien bei ausreichender Datenabdeckung sowie ausreichender Kontraste der physikalischen Parameter zur Sicherung von Robustheit und Effizienz rekonstruierbar sind.Der entwickelte Ansatz an zwei Feldstandorten angewandt. Im Mont-Terri-Untergrundlabor wurden Crosshole-Laufzeitdaten genutzt, um die Grenzflächen der Verwerfungszone zu aktualisieren, während scharfe Geschwindigkeitsvariationen erhalten blieben. In der tektonischen Umgebung der Südlichen Erftscholle (Deutschland) lieferten oberflächennahe ERT- und SRT-Profile strukturell konsistente Modelle, die eine vertikale Verwerfung und mehrere Schichten mit ausgeprägten Widerstands- und Geschwindigkeitskontrasten abgrenzen. Zusätzlich wurde eine gemeinsame Inversion durchgeführt, die individuelle Inversionen übertraf, indem sie komplementäre Sensitivitäten nutzte und verschiedene Aspekte des Geomodells verbesserte.Eine wesentliche Einschränkung deterministischer Inversionen ist ihre Abhängigkeit vom Start-Geomodell. Um die Mehrdeutigkeit zu untersuchen und Ensembles zu identifizieren, die zu geringeren Datenanpassungen führen, wird eine globale Suche durchgeführt, bei der Verschiebungskonfigurationen der Grenzflächen beprobt werden. Eine dreidimensionale synthetische Studie zeigt die Anwendbarkeit im 3D-Fall, und laufende Fortschritte in der Parametrisierung und Gittergenerierung dürften vollständig stochastische Ansätze ermöglichen. Insgesamt erweist sich der Ansatz als flexibel über verschiedene geophysikalische Methoden und geologische Umgebungen hinweg und die Ergebnisse weisen auf einen vielversprechenden Weg zu zuverlässigeren, datenbasierten Geomodellen in zunehmend komplexen Szenarien hin.

Subsurface characterization faces two related challenges: geophysical inversions tend to yield blurred images that obscure sharp contrasts and geological model interpretation is constrained by uncertain prior information and insufficient quantitative data. As a result, cross-interpretations between geological models and geophysical inversions are frequently qualitative and subjective. Many existing approaches are either predominantly data-driven or model-driven and therefore struggle to integrate all available information into a unified geomodel. This thesis addresses that gap by integrating an implicit geological model with geophysical methods in a structure-based inversion framework that preserves geological realism while still imaging sharp contrasts in the geophysical models.A deterministic inversion is formulated in which the updated model is defined by shifts of geomodel interfaces. A central challenge arises because the geophysical response is sensitive to both geometry and physical parameters, which introduces ambiguity. To mitigate this, a sequential strategy is adopted in which the interface geometry is updated first and the resulting structure is subsequently used to constrain the inversion for physical properties. The workflow is implemented with open-source tools, enabling adaptation to diverse scenarios and scales. Synthetic studies using Electrical Resistivity Tomography (ERT) and seismic travel-time data reflecting realistic geology demonstrate that adequate interface geometries can be recovered provided sufficient data coverage and enough physical parameter contrast for robustness and efficiency.The framework is applied to two field sites. At the Mont Terri Underground Laboratory, cross-hole travel-time data were used to update the fault-zone interfaces while preserving sharp velocity variations. In a tectonic setting in the Southern Erftscholle (Germany), surface ERT and seismic profiles produced structurally coherent property models that delineate a vertical fault and multiple layers with pronounced resistivity and velocity contrasts. Additionaly, a joint inversion was carried out, which outperformed single-method inversions by leveraging complementary sensitivities and improving different aspects of the geomodel. A principal limitation of deterministic inversion is its dependence on the starting geomodel. To probe non-uniqueness and identify ensembles that converge towards lower misfit, a global search is conducted by sampling interface-shift configurations. A three-dimensional synthetic study demonstrates applicability in 3D and ongoing advances in parameterization and meshing are expected to enable fully stochastic treatments. Overall, the framework proves flexible across geophysical methods and geological settings and the results point to a promising path toward more reliable, data-informed geomodels in increasingly complex environments.

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