Η συμβολή της σεισμικής (ηχητικής) τομογραφίας στη διερεύνηση των γεωαρχαιολογικών σχηματισμών

Abstract

With tomography is attempted the creation of an image - slice of the internal properties of a medium / object with use of measurements of the energy which was transmitted through the medium, at receivers on the outside of it. It has been proved that a medium can be imaged with precision by a set of perimetric projections. Tomographic analysis is possible by employing wave energy that has been transmitted through the medium under investigation (ray tomography) or has been reflected or diffracted at various inhomegeneities within the medium (diffraction tomography). In the present study, an experimental application of the seismic tomographic imaging method is made in the field of archaeological exploration, such as detection of archaeological remains in the subsurface or in artificial hills (tumuli). The application poses an interesting challenge, because of the highly inhomogeneous environment where the detection is tried and the small and unknown, in general, dimensions of the target objects. The non-destructive character of the application makes it quite attractive and acceptable in archaeological exploration, both at reconnaissance and later stages of excavation. The principles and theoretical foundations of the tomographic methodology are presented, with particular reference to the two main methods of reconstruction of the internal character of the investigated medium and included objects, that is ray and diffraction tomography, as well as the relevant inversion techniques and algorithms. Finally, an application of ray tomography on seismic recordings from archaeological / monumental sites is made, with use of the simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). In the application of ray tomography, adjustment tests of inversion parameters and variables are made, in order to study their effect on the inversion result. The effectiveness of the method and of the algorithm is investigated with the aid of synthetic models based on possible information from the test sites and the bibliography. Using the models as starting models, synthetic travel times are calculated and are then inverted, while the resulting image is compared with the synthetic starting model and conclusions are drawn. Based on the results of the above tests, final parameter values are set for the inversion of real field data and an assessment and an interpretation of the results is XXII Abstract made. Image processing and enhancement is applied to the resulting tomograms, in order to enhance and clarify the small (hidden) variations of seismic velocity, which may reflect important subsurface information, mainly related to particular archaeological targets.

Με την τομογραφία επιχειρείται η δημιουργία μιας εικόνας-τομής των ιδιοτήτων ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας μετρήσεις της ενέργειας που διαδόθηκε μέσω του αντικειμένου, σε δέκτες στην περιφέρειά του. Έχει αποδειχθεί ότι ένα αντικείμενο είναι δυνατόν να απεικονισθεί με ακρίβεια από ένα πλήρες σύνολο περιμετρικών προβολών του. Η τομογραφική ανάλυση είναι δυνατό να γίνει αξιοποιώντας κυματική ενέργεια που έχει διαδοθεί μέσω του υπό μελέτη αντικειμένου (ακτινική τομογραφία) ή προέρχεται από ανάκλαση, περίθλαση κ.ο.κ. σε ανομοιογενή τμήματα του αντικειμένου (περιθλαστική τομογραφία). Στην παρούσα εργασία γίνεται πειραματική εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής τομογραφικής απεικόνισης σε αρχαιολογικά προβλήματα, όπως στην ανίχνευση αρχαιολογικών αντικειμένων στο υπέδαφος ή σε περιβάλλον τεχνητών λόφων (τύμβων -ταφικών μνημείων). Η εφαρμογή αυτή συνιστά ενδιαφέρουσα πρόκληση λόγω του ιδιαίτερα ανομοιογενούς περιβάλλοντος στο οποίο επιχειρείται η ανίχνευση των αντικειμένων καθώς και των μικρών γενικά, αλλά και συχνά απροσδιόριστων, διαστάσεων των αντικειμένων αυτών. Ο μη καταστρεπτικός χαρακτήρας της εφαρμογής είναι ιδιαίτερα ευνοϊκός και αποδεκτός στην αρχαιολογική έρευνα, τόσο σε αναγνωριστικό όσο και σε ανασκαφικό/ σωστικό επίπεδο. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι αρχές και το θεωρητικό μέρος της τομογραφικής μεθοδολογίας, με ιδιαίτερη αναλυτική αναφορά στις δύο κύριες μεθόδους ανασύνθεσης των χαρακτηριστικών του εσωτερικού του ερευνώμενου μέσου (χώρου), την ακτινική τομογραφία και περίθλασης, καθώς και τις σχετικές τεχνικές και αλγόριθμους αντιστροφής. Τέλος γίνεται εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας σε 3 διαστάσεις, σε σεισμικές καταγραφές από αρχαιολογικούς-μνημειακούς χώρους, με τη χρήση του αλγόριθμου SIRT (τεχνική ταυτόχρονης επαναληπτικής ανασύνθεσης). Τα δεδομένα ήταν χρόνοι πρώτης άφιξης καθώς και πλάτη σε μια περίπτωση. Kατά την εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας, γίνονται δοκιμές ρύθμισης των παραμέτρων και μεταβλητών κατά τη διαδικασία της αντιστροφής, ώστε να διερευνηθεί η επίδρασή τους στο αποτέλεσμα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου με κατασκευή μοντέλων με βάση πληροφορίες για τους χώρους έρευνας, υπολογισμό συνθετικών χρόνων και αντιστροφή των συνθετικών χρόνων για σύγκριση με τα αποτελέσματα των πραγματικών χρόνων και εξαγωγή συμπερασμάτων. XVI Περίληψη Λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία από τις ανωτέρω δοκιμές, επιλέγονται τελικές τιμές παραμέτρων για την αντιστροφή των πραγματικών δεδομένων και γίνεται αξιολόγηση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Γίνεται επίσης δοκιμαστική εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας / ενίσχυσης εικόνας στα αποτελέσματα της αντιστροφής, για την ενίσχυση κυρίως των μικρών, τοπικών, μεταβολών της σεισμικής ταχύτητας και την πληρέστερη απεικόνιση των χώρων έρευνας.