Coupling of borehole and surface Electrical Resistivity - Induced Polarization Tomography for the support of hydro-geological survey: the case of study at Sart Tilman, Liege, Belgium

In recent decades, the use of geoelectrical methods for the characterization and monitoring of boreholes and their hydrogeological context has become widespread. However, it is important to recognize in addition to the potential of geoelectric methods, for example the natural sensitivity to the presence of water, also some possible limitations due to the physical principles of the methods themselves. In the context of the study of a borehole at Sart Tilman, Liège, Belgium, this thesis aims to study the possible limits of sensitivity related to the depth of the well and of hydrogeological interpretation. The depth of investigation necessary for the study of the well contrasts, in fact, with the greater sensitivity of the geoelectric methods in the vicinity of the electrodes, typically placed on the surface. For the sensitivity analysis, the thesis compares the results obtained with and without well electrodes. In addition to the resistivity sections obtained from the inversion of the data, the comparison starts from the Jacobian matrix to derive and also include the sensitivity sections and the covariance between the sensitivities of the single quadrupoles. Where there is sufficient sensitivity, the interpretation must then distinguish the effect of the lithology from the variable water content one, often in the absence of repeated measurements over time. For the correct interpretation of the lithology and the identification of the water table, the combination of resistivity and polarizability has been considered. The relatively low and homogeneous polarizability values obtained exclude the presence of clayey layers and indicate that the low resistivity is therefore attributable to the water table, in agreement with the available hydrogeological data. Sensitivity analysis supports these conclusions and highlights the importance of well electrodes.

Negli ultimi decenni, si è largamente diffuso l'utilizzo dei metodi geoelettrici per la caratterizzazione e il monitoraggio dei pozzi trivellati e del loro contesto idrogeologico. È tuttavia importante riconoscere oltre al potenziale dei metodi geoelettrici, ad esempio la naturale sensibilità alla presenza d'acqua, anche alcuni possibili limiti dovuti ai principi fisici dei metodi stessi.  Nell'ambito dello studio di un pozzo trivellato presso Sart Tilman, Liegi, Belgio, questa tesi si propone di studiare i possibili limiti di sensibilità relativi alla profondità del pozzo e di interpretazione idrogeologica. La profondità di investigazione necessaria per lo studio del pozzo si contrappone, infatti, alla maggiore sensibilità dei metodi geoelettrici in prossimità degli elettrodi, tipicamente posti in superficie. Per l'analisi di sensibilità, la tesi confronta i risultati ottenuti con e senza elettrodi in pozzo. Oltre alle sezioni di resistività ottenute dall'inversione dei dati, il confronto parte dalla matrice Jacobiana per derivare ed includere anche le sezioni di sensibilità e la covarianza tra le sensibilità dei singoli quadrupoli. Laddove si abbia sufficiente sensibilità, l'interpretazione deve poi distinguere l'effetto della litologia da quello del variabile contenuto dell'acqua, spesso in mancanza di misure ripetute nel tempo. Per la corretta interpretazione della litologia e l'individuazione della tavola d'acqua, si è considerata la combinazione di resistività e polarizzabilità. I valori relativamente bassi ed omogenei di polarizzabilità ottenuti escludono la presenza di livelli argillosi e indicano che la bassa resistività è quindi attribuibile alla tavola d'acqua, in accordo con i dati idrogeologici a disposizione. L'analisi di sensibilità supporta queste conclusioni ed evidenzia l'importanza degli elettrodi in pozzo.