Geophysical Imaging and Monitoring
Nino Menzel
M.Sc.
Nino Menzel
PhD researcherM.Sc. Nino Menzel
Geophysical Imaging and Monitoring
RWTH Aachen University
Wüllnerstr. 2 (Bergbaugebäude)
Room: 505d
52062 Aachen
Research interests
My research focuses on the area of geophysical monitoring and includes the optimization of experimental design as part of the survey planning, but also the practical application of geophysical methods in the field. Current and future activities are:
- Implementation of synthetic reference models for the possible host rocks of a nuclear waste repository in Germany (rock salt, claystone, crystalline rock)
- Optimized Experimental Design (OED) techniques for monitoring of radionuclide transport
- Adaption of OED to applications in geophysical and petrophysical joint inversion
- Application of Optimized Experimental Design in the field – comparison of conventional and optimized surveys
Professional experience
| since Oct. 2022 | Doctoral researcher at the department of Geophysical Imaging and Monitoring, RWTH Aachen University. |
| May 2020 – Aug. 2022 | Undergraduate assistant at Altenbockum und Partner, Geologen |
Education
| 2019 – 2022 | Applied geosciences (M.Sc.) at RWTH Aachen University focussing on geophysics, hydrogeology and engineering geology. |
| 2015 – 2018 | Geowissenschaften (B.Sc.) at the University of Cologne focussing on geophysics, sedimentology and palaeontology. |
Conference contributions
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Strategies for geoelectrical monitoring of subsurface fluid transport processes using Optimized Experimental Design
2024 |
84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10.-14. März, Jena
Conference websiteAbstract
In highly sensitive and complex environments, such as closed repositories, it is crucial to enhance the information content of planned (geo)physical measurements while keeping the costs to a minimum. Previous studies have proposed methods to optimize both sensor positions and measurement configurations for Electrical Resistivity Tomography (ERT) surveys in subsurface environments with static or moving targets. This study extends Optimal Experimental Design (OED) strategies for geoelectrical measurements by incorporating information from active time-dependent transport processes in the subsurface. Three distinct approaches for process monitoring are presented and applied to a simulated diffusive-advective transport process across multiple time steps. The methods aim at focusing the survey only on the relevant part of the model, in this case the model region that is affected by the transport process. All methods consider uncertain model input parameters by introducing an uncertainty factor in the ranking function. The study introduces a purely model-driven and a purely data-driven time-dependent OED approach. The former relies solely on model predictions to focus the survey, while the latter utilizes previously acquired data to generate predictive focusing masks for the next dataset. Additionally, a hybrid approach combining simulated transport distance and already acquired datasets is outlined. Comparative analyses show that the adaptively designed, time-dependent OED approaches result in increased image quality compared to both standard surveys as well as time-independent OED methods. For slow transport processes or small monitoring intervals, the purely data-driven approach is deemed most suitable, as it does not involve model predictions and, therefore, avoids potential uncertainties in model parametrization. Conversely, for faster transport processes or monitoring strategies with larger intervals, the approaches that (partly) incorporate model predictions show the most promising results.
Cite as
Menzel, N. and Uhlemann, S. and Wagner, F. M. (2024): Strategies for geoelectrical monitoring of subsurface fluid transport processes using Optimized Experimental Design. 84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10.-14. März, Jena.
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Ein Exponat zur Veranschaulichung von seismischen Wellen für die Öffentlichkeitsarbeit
2024 |
84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10.-14. März, Jena
Conference websiteNote: This conference contribution resulted from a hands-on geophysical experiment at the RWTH science night in November 2023.Abstract
Die Vorführung von seismischen Experimenten in Innenräumen für die Öffentlichkeitsarbeit ist oftmals nicht direkt möglich. Idealisierungen oder Miniaturisierungen sind in solchen Fällen erforderlich. Daher haben wir ein Exponat zur Veranschaulichung von seismischen Wellen in Tischgröße konzipiert. Mit unterschiedlich schweren und großen Fallgewichten, die von einem Gestell aus verschiedenen Höhen fallen gelassen werden, können seismische Wellen erzeugt und mit einem RaspberryShake aufgezeichnet werden. Es wurden verschiedene Materialien (Sand, Schaumstoff und Styropor) verwendet, um deren Einfluss auf die Wellenform zu illustrieren. Für die Aufzeichnung und Visualisierung wurde eine Webapplikation entwickelt, welche die Daten des RaspberryShakes kontinuierlich anzeigte. Dazu wurde über einen STA-LTA-Trigger eine Aufzeichnungsmöglichkeit implementiert, so dass verschiedene Seismogramme verglichen werden konnten. Darüber hinaus wurden Gamification-Elemente eingebaut. So konnten Teilnehmer versuchen vorab aufgezeichnete Seismogramme zu reproduzieren. Außerdem konnten, ähnlich wie bei der Jahrmarktattraktion Hau den Lukas, Signale einer bestimmten Stärke erzeugt werden. Hier sollte dann aber nicht eine möglichst starke Amplitude erzeugt werden, sondern eine vorgegebene Amplitude möglichst genau getroffen werden. Ergänzend wurden noch didaktisch aufbereitete Materialien zur Erklärung von aktiver Seismik und der Untergrunderkundung geliefert. Das Exponat wurde bereits erfolgreich auf der RWTH-Wissenschaftsnacht 5 vor 12 im Herbst 2023 eingesetzt und wird stetig weiterentwickelt.
Cite as
Boxberg, M. S. and van Meulebrouck, J. and Balza Morales, A. and Menzel, N. and Wagner, F. M. (2024): Ein Exponat zur Veranschaulichung von seismischen Wellen für die Öffentlichkeitsarbeit. 84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 10.-14. März, Jena.
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Prospektion von Verwerfungen auf der südlichen Erftscholle mittels ERT und SRT
2023 |
83. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5.-9. März, Bremen
Conference websiteNote: This conference contribution resulted from Nino's master thesis project and received the best poster award.Abstract
Komplexe tektonische Verhältnisse der südlichen Erftscholle beeinträchtigen insbesondere auf kleinräumigen Skalen die natürlichen geologischen und hydrologischen Verhältnisse. Das präsentierte Gebiet nahe Euskirchen wird von mehreren NW-SE-gerichteten Verwerfungen durchzogen, deren Lage sowie Einfluss auf die vorherrschenden Bedingungen bereits in vergangenen Studien ermittelt wurde. Da sich diese Untersuchungen jedoch ausschließlich auf räumlich punktuelle Datenquellen stützen, enthalten die Ergebnisse grosse Unsicherheiten. Die in dieser Studie beschriebenen geophysikalischen Messungen sollen dabei helfen, die angenommenen Störungsverläufe im Arbeitsgebiet zu evaluieren und gegebenenfalls zu korrigieren. Seismische Refraktionstomografie (SRT) und elektrische Widerstandstomografie (ERT) wurden entlang von Messprofilen möglichst orthogonal zu den vermuteten Störungslagen durchgeführt. Ein Grossteil der Datenverarbeitung sowie die Inversionen wurden mittels der frei verfügbaren Software pyGIMLi (Rücker et al., 2017) durchgeführt. Zusätzlich zu den individuellen Inversionen der SRT- und ERT-Datensätze wurde der Structurally-Coupled Cooperative Inversion (SCCI) Algorithmus (Skibbe et al., 2018) verwendet, um die seismischen und geoelektrischen Daten gemeinsam zu invertieren. Diese Studie zeigt die Vorteile der individuellen und kombinierten Anwendung mehrerer geophysikalischer Methoden im Kontext oberflächennaher Untersuchungen, insbesondere hinsichtlich der Detektion kleinräumiger tektonischer Strukturen. Die Lage der Verwerfungen konnte im gesamten Arbeitsgebiet mittels geophysikalischer Tomografien identifiziert werden, sofern der vertikale Versatz an den Störungen gross genug ist, um von den Methoden dargestellt zu werden. Aufgrund der guten Auflösung der Einzelinversionen greift der SCCI-Algorithmus lediglich an den bereits erkennbaren lithologischen und hydrologischen Modellgrenzen und stellt diese verdeutlicht dar. Durch wiederholte Anpassung der Regularisierung nach jeder Iteration ermöglicht diese Methode den Austausch struktureller Informationen zwischen den individuellen geophysikalischen Datensätzen während der Inversion.
Cite as
Menzel, N. and Klitzsch, N. and Altenbockum, M. and Müller, L. and Wagner, F. M. (2023): Prospektion von Verwerfungen auf der südlichen Erftscholle mittels ERT und SRT. 83. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 5.-9. März, Bremen.
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Prospection of faults in the Southern Erftscholle with Refraction Seismics and Electrical Resistivity Tomography
2023 |
EGU General Assembly, Vienna, 23–28 April 2023
Conference websiteNote: This conference contribution resulted from Ninos master thesis project.Abstract
As part of the Lower Rhein Embayment (LRE), the Southern Erft block is characterized by a complex tectonic setting that may influence hydrological and geological conditions on a local as well as regional level. The area presented in this study is located near Euskirchen in the south of North Rhine-Westphalia and traversed by several NW-SE-oriented fault structures. Past studies based on the lithological description of borehole cores and hydrological measurements stated that the present faults affect the local groundwater conditions throughout the targeted area. However, since the tectonic structures were located based on a sparse foundation of geological borehole data, the results include considerable uncertainties. Therefore, it was decided to re-evaluate and refine the assumed fault locations by conducting geophysical measurements. Seismic Refraction Tomography (SRT) as well as Electrical Resistivity Tomography (ERT) was performed along seven measurement profiles with a length of up to 1.1 km. To allow a sufficient degree of model resolution, the electrode spacing was set to 5 m and halved for areas proximate to assumed fault locations. The geophone spacing was set to 2.5 m for all conducted seismic surveys. A large portion of data processing and inversion was performed with the open-source software package pyGIMLi (Rücker et al., 2017). In addition to compiling individual resistivity and velocity models for all deduced measurements, both ERT and SRT datasets were jointly inverted using the Structurally Coupled Cooperative Inversion (SCCI). This algorithm strengthens structural similarities between velocity and resistivity by adapting the individual regularizations after each model iteration. This study emphasizes the benefit of multi-method geophysics to detect small-scale tectonic features. The surveys allowed to identify the fault locations throughout the area of interest, provided that the vertical displacements are large enough to be detected by the measurements. Previously assumed locations of the tectonic structures diverge from the new evidence based on ERT and SRT surveys. Especially in the western and eastern parts of the research area, differences between the survey results and formerly assumed locations are in the order of 100 m. Seismic and geoelectric measurements further indicate a fault structure in the southern part of the area, which remained undetected by past studies. The joint inversion provides minor improvements of the geophysical models, as most of the individually inverted datasets already provide results of good quality and resolution. Therefore, the effect of the SCCI algorithm is limited to underlining lithological and hydrological boundaries that are already present in the individually inverted ERT- and SRT-models.
Cite as
Menzel, N. and Klitzsch, N. and Altenbockum, M. and Müller, L. and Wagner, F. M. (2023): Prospection of faults in the Southern Erftscholle with Refraction Seismics and Electrical Resistivity Tomography. EGU General Assembly, Vienna, 23–28 April 2023.