Ανάπτυξη τεχνικών συνδυασμένης επεξεργασίας γεωφυσικών δεδομένων (ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης και ταχύτητας διάδοσης σεισμικών κυμάτων) για την απεικόνιση της υφαλμύρινσης σε παράκτιους υδροφορείς

Abstract

The primary goal of this dissertation is to develop joint inversion techniques of electrical and seismic data. The aim of such techniques is to improve the obtained subsurface model, which will be consistent with all the available geophysical data. The resulting model will be more reliable and will accommodate the interpretation process since structural similarity between both seismic and electrical model will be guaranteed. In particular, an algorithm for the joint inversion of resistivity and seismic tomography was developed. This algorithm utilizes two existing algorithms for solving the electrical and seismic forward problem, after the necessary modification. It is based on the quantitative estimation of the structural similarity expected, to some extent at a given location, between the seismic and electrical model. The results obtained from the application of this technique are two sections with common thickness and depths of the seismic and electrical layers, making the geological interpretation of these models much easier. In order to evaluate the efficiency of this algorithm, different tests were run on synthetic data. It is shown that the joint inversion techniques give better results than the conventional inversion methods of resistivity and seismic data. The application of the developed joint inversion techniques is focused on coastal areas in order to help mapping the salinity front, since salt water intrusion phenomena is considered one of the most important environmental problems in Greece. In this thesis, a geophysical survey was accomplished in the Stilos region, Chania, in order to map the salt water intrusion zone. The geophysical survey helped also in pointing out geological structures that might favor salt water intrusion mechanism. Among various geophysical methods, Resistivity and seismic methods were considered most suitable for such target. The developed algorithm was applied on real data from the Stilos region. It’s worth pointing out that the survey region is strongly karstified, which increases the uncertainty in the resistivity and seismic data inversion. The joint inversion techniques are considered a powerful tool to optimize the results over regions with complicated geological structures such as the survey region.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών συνδυασμένης αντιστροφής ηλεκτρικών και σεισμικών δεδομένων. Η συγκεκριμένη προσέγγιση αντιστροφής στοχεύει στην απόκτηση ενός πιο αξιόπιστου μοντέλου χωρικής κατανομής γεωλογικών σχηματισμών, καθώς αυτό αφενός θα βασίζεται σε όλα τα διαθέσιμα γεωφυσικά δεδομένα και αφετέρου θα καθίσταται ευκολότερη η ερμηνεία των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από διαφορετικές γεωφυσικές μεθόδους. Ειδικότερα, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος συνδυασμένης αντιστροφής δεδομένων ηλεκτρικής και σεισμικής τομογραφίας, που χρησιμοποιεί δύο υπάρχοντες αλγορίθμους επίλυσης του σεισμικού και γεωηλεκτρικού ευθέως προβλήματος, μετά από κατάλληλες τροποποιήσεις. Ο αλγόριθμος αυτός στηρίζεται στην ποσοτική εκτίμηση της ομοιότητας, η οποία αναμένεται να υπάρχει μέχρι έναν βαθμό και για μία δεδομένη θέση, στα δομικά χαρακτηριστικά των σεισμικών και γεωηλεκτρικών μοντέλων. Το αποτέλεσμα της εφαρμογής της τεχνικής αυτής είναι η απόκτηση δύο τομών με κοινά στοιχεία για το πάχος και το βάθος των σεισμικών και γεωηλεκτρικών στρωμάτων, διευκολύνοντας έτσι την διαδικασία της ερμηνείας των δεδομένων. Προκειμένου να αξιολογηθεί ο αλγόριθμος ως προς την αποτελεσματικότητα του, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε συνθετικά δεδομένα. Τα αποτελέσματα των δοκιμών αυτών προσεγγίζουν καλύτερα τα πραγματικά μοντέλα σε σύγκριση με εκείνα που προκύπτουν από τις παραδοσιακές μεθόδους ανεξάρτητης αντιστροφής ηλεκτρικών και σεισμικών δεδομένων. Η εφαρμογή των τεχνικών συνδυασμένης αντιστροφής επικεντρώθηκε σε παράκτιες περιοχές, με σκοπό την ανίχνευση και τον εντοπισμό του μετώπου υφαλμύρινσης. Το φαινόμενο της υφαλμύρινσης αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα που συναντάται στον ελληνικό χώρο. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε γεωφυσική διασκόπηση στην περιοχή Στύλος Χανίων, με σκοπό την ανίχνευση και τον εντοπισμό της ζώνης ανάμειξης υφάλμυρου και γλυκού νερού, καθώς και την χαρτογράφηση των τεκτονικών συνθηκών που ευνοούν την διείσδυση του θαλασσινού νερού. Ο αλγόριθμος που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε σε πραγματικά δεδομένα από την περιοχή Στύλος. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η περιοχή μελέτης χαρακτηρίζεται από ανομοιογένεια του υπεδάφους (καρστικοποίηση) κάτι που δημιουργεί σοβαρά προβλήματα κατά την αντιστροφή των ηλεκτρικών και σεισμικών δεδομένων. Οι τεχνικές της συνδυασμένης αντιστροφής αποτέλεσαν ένα ισχυρό εργαλείο για την βελτιστοποίηση των αποτελεσμάτων σε μια περιοχή περίπλοκης γεωλογικής δομής όπως είναι η υπό μελέτη περιοχή, με απώτερο στόχο τον προσδιορισμό του μετώπου θαλασσινού/γλυκού νερού.