Συμβολή στη συνδυαστική σεισμική τομογραφία διαφορετικών ειδών σεισμικών δεδομένων

Abstract

Exploration geophysical methods analyze data collected from observations that are always of an indirect nature. Moreover, each geophysical method is sensitive in only certain physical properties of the investigation object. Usually, structures that are well resolved in one method are indistinguishable to another and vice versa. In order to enhance the resolution and minimize the ubiquity of the results, the integration of different kinds of data is one of the greatest challenges of exploration geophysics. Although a-posteriori cross correlation of the models that are extracted from the separately analysis of the different data is a common methodology, the a priori joint treatment of the data is a recent development with a few applications until now. In order to improve the resolution of traveltime seismic tomography surveys, Ρ and S-wave traveltimes can be used complementary under a joint inversion scheme. In order to compensate the increased computational time as a result for handling multiple datasets, a parallelized forward modeling solver was developed. Finite frequency effects were also considered by the exact calculation of 1st Fresnel Zones. Usually both Ρ and S arrivals can be obtained with minimum additional effort; therefore joint inversion of these datasets offers an inexpensive and efficient way to improve their interpretation. A joint inversion algorithm of Ρ and S traveltimes can maximize useful information from existing datasets and enhance the effectiveness of seismic refraction tomography surveys. Joint inversion schemes until now have followed two main directions. The first direction inverts the two datasets subject to some kind of analytical relation of the underlying physical properties while the second uses as constraint the structural similarity of the resulted models. It is introduced a hybrid joint inversion algorithm for the joint inversion of Ρ and S-wave traveltime data that uses structural constraints in order to estimate the slowness ratios. Next, it uses these estimated values as analytical constraints in order to converge further to the solution. It is also proposed a spatially variable Lagrangian multiplier vector that scales differently the joint inversion linking constraints for each pair of parameters. The weighting is based on the parameter resolution matrices of the two models and spread function analysis. For highly resolvable parameters, a small value of the Lagrangian multiplier is assigned and the parameters are allowed to vary almost independently. For poorly resolved parameters, the Lagrangian multiplier that is assigned is large and due to the lack of information the specific parameters are forced to follow the ratio constraint. Testing with synthetic and real data from Vardaris area in Thessaloniki and Efpalinos tunnel in Samos Isl., suggest that the proposed joint inversion algorithm yields improved results, stabilizes the inversion process and reduces the non-uniqueness of the problem.

Στα πλαίσια αυτής της διατριβής μελετήθηκε το πρόβλημα της συνδυαστικής τομογραφίας διαφορετικού τύπου σεισμικών δεδομένων και πιο συγκεκριμένα των χρόνων διαδρομής επιμηκών και εγκαρσίων κυμάτων. Η ακριβής γνώση της κατανομής των ταχυτήτων τους, καθώς και του λόγου τους στο υπέδαφος, αποτελεί ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών όπως, την έρευνα υγρών και αέριων υδρογονανθράκων, τον εντοπισμό νερού, τις γεωτεχνικές μελέτες, τον εντοπισμό κοιτασμάτων, τον καθορισμό της γεωλογίας και της γεωτεκτονικής, κλπ. Η συνδυαστική τομογραφία Ρ και S κυμάτων, βελτιώνει τα αποτελέσματα ποιοτικά και ποσοτικά, αυξάνει την εμπιστοσύνη σε αυτά και σταθεροποιεί τη διαδικασία της αντιστροφής. Μελετήθηκαν και τροποποιήθηκαν/βελτιώθηκαν δύο υπάρχουσες μέθοδοι, ενώ αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος κοινής αντιστροφής των διαφορετικού τύπου δεδομένων. Σε κάθε περίπτωση οι τροποποιημένες και η καινούργια μέθοδοι παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα από την ανεξάρτητη αντιστροφή των δεδομένων. Επιπλέον αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο πακέτο επεξεργασίας σεισμικών δεδομένων διάθλασης, που περιλαμβάνει το στάδιο της επεξεργασίας των καταγραφών και του προσδιορισμού των χρόνων διαδρομής, την τομογραφική επεξεργασία των δεδομένων (κοινή ή ανεξάρτητες), καθώς και την γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων. Ειδικότερα η διατριβή ακολουθεί την παρακάτω δομή: Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται το Γεωφυσικό αντίστροφο πρόβλημα στα γραμμικά και μη γραμμικά συστήματα. Παρουσιάζονται οι κύριοι στόχοι της αντιστροφής, καθώς και τα σημαντικότερα προβλήματα που ανακύπτουν. Επίσης αναφέρονται οι σημαντικότερες μέθοδοι επίλυσης γραμμικών και μη γραμμικών συστημάτων, καθώς και οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές κανονικοποίησης των συστημάτων αυτών. Επιπλέον παρουσιάζονται η στατιστική ανάλυση του προβλήματος και οι μέθοδοι αξιολόγησης των λύσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το ευθύ πρόβλημα στη σεισμική τομογραφία διάθλασης χρόνων διαδρομής (επιμηκών και εγκαρσίων κυμάτων). Αναλύονται οι θεωρητικές αρχές και η φυσική του προβλήματος, ενώ στη συνέχεα αναφέρονται οι κυριότεροι αλγόριθμοι επίλυσης του, οι οποίοι είτε εφαρμόστηκαν στα πλαίσια της τα διατριβής είτε υπάρχουν ως επιλογές στο λογισμικό που αναπτύχθηκε. Επιπλέον, αναλύεται η μέθοδος παραλληλοποίησης του ευθέος προβλήματος προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι αυξημένες απαιτήσεις υπολογιστικών πόρων εξαιτίας της εισαγωγής και της επεξεργασίας περισσότερων συνόλων δεδομένων. Τέλος, επισημαίνονται οι περιορισμοί των μεθόδων ιχνηλάτησης ακτινών, καθώς και οι σημαντικότεροι τρόποι αντιμετώπισης τους με την εισαγωγή των ζωνών Fresnel. Στο 3ο κεφάλαιο αναπτύσσονται οι σημαντικότερες έννοιες της κοινής - συνδυαστικής ερμηνείας διαφορετικού τύπου δεδομένων. Παρουσιάζονται οι σύγχρονες ερευνητικές εξελίξεις, καθώς και οι σημαντικότερες ερευνητικές κατευθύνσεις της Γεωφυσικής στο συγκεκριμένο πεδίο. Στη συνέχεια αναλύονται οι τρεις διαφορετικές μέθοδοι κοινής αντιστροφής χρόνων διαδρομής των επιμηκών και των εγκαρσίων κυμάτων που μελετήθηκαν/αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής αυτής. Παρουσιάζονται επιπλέον δοκιμές σε επιλεγμένα συνθετικά δεδομένα με τη χρήση τεχνητού θορύβου. Στο 4ο κεφάλαιο, οι τρεις διαφορετικές μέθοδοι κοινής αντιστροφής χρόνων διαδρομής των επιμηκών και των εγκαρσίων κυμάτων που μελετήθηκαν/αναπτύχθηκαν, εφαρμόζονται σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις πραγματικών δεδομένων (περιοχή "Βαρδαρίου" Θεσσαλονίκης και Ευπαλίνειο όρυγμα στο Πυθαγόρειο Σάμου).