پژوهش های ژئوفیزیک کاربردی
سال:1397 | دوره:4 | شماره:1 |تعداد مقالات:12

روش های وارون برای حل مسائل در شاخه های علمی مختلفی بکار برده می شوند؛ اما شرایط حاکم بر داده های ژئوفیزیکی استفاده از این روش ها را پیچیده می کند. این شرایط را می توان به تکرار ناپذیری برداشت داده های ژئوفیزیکی به علت هزینه های بالای عملیات و نیز تأثیری که گسسته سازی روی حل مسئله اعمال می نماید، دانست. به طور کلی مسائل وارون در ژئوفیزیک در زمره مسائل بد وضع دسته بندی می شوند. این بدان معناست که برای انتخاب پاسخ مناسب منظم سازی و اعمال شرایطی منطبق با اصول فیزیکی حاکم بر مسئله لازم است. تخمین مدل سرعت از وارون زمان رسید امواج لرزه ای از جمله این مسائل در لرزه شناسی است. منظم ساز تیخنوف و منظم ساز تغییرات کلی از جمله روش های مرسوم برای حل این گونه مسائل هستند. روش اول توانمندی بالایی در بازسازی سیگنال های هموار دارد؛ ولی ناپیوستگی ها و لبه های سیگنال را به خوبی بازیافت نمی کند. در مقابل روش دوم به خوبی قادر به بازسازی لبه های سیگنال است؛ ولی بخش های هموار را دچار اعوجاج می کند. در این مقاله یک روش منظم سازی بر اساس ترکیب روش-های حل تیخنوف درجه دوم و تغییرات کلی بیان می شود. در این مطالعه برای تخمین مدل سرعت از زمان رسید امواج لرزه-ای در پروفیل لرزه ای قائم توانمندی روش های منظم ساز مرسوم با روش ترکیبی روی مدل های مصنوعی مقایسه می شود. نتایج اعمال روش ها روی مدل های سرعت حاوی لبه و بخش هموار، حاکی از رفع کاستی های دو روش مرسوم توسط روش ترکیبی است. علاوه بر آن سه روش فوق در وارون زمان رسید امواج ثبت شده در پروفیل لرزه ای قائم (VSP) واقعی نیز اعمال و نتایج به دست آمده با هم مقایسه و مورد بحث قرار می گیرد.

واهمامیخت به مسائل تخمین ورودی مجهول سیستم LTI زمانی که سیگنال و پاسخ سیستم معلوم باشد؛ اطلاق می شود. در عمل سیگنال خروجی با نوفه همراه است. برای بعضی سیستم ها مسئله واهمامیخت ساده است؛ با این حال برای سیستم های معکوس ناپذیر مسئله کمی پیچیده می شود. استفاده از معکوس سیستم منجر به تقویت نوفه می شود. اگر انتظار داریم یا می دانیم ورودی مجهول سیگنال به یک سیستم LTI تنک است؛ آنگاه واهمامیخت تنک رویکرد مناسبی برای تخمین x است. هدف، افزایش قدرت تفکیک زمانی در مقطع لرزه ای است؛ به طوری که لایه های نازک قابل تشخیص باشند. در پژوهش حاضر روش واهمامیخت بر اساس الگوریتم MM ارائه شده است و برتری آن نسبت به روش حداقل مربعات که روشی مرسوم است، مشاهده می شود. در روش حداقل مربعات، تابع هزینه بر اساس نرم l2 کمینه خواهد شد. در روش الگوریتم MM، کمینه تابع هزینه با استفاده از نرم l1 و l2 تعریف می شود. الگوریتم MM از مزیت ساختار نواری ماتریس هایی که در مسائل واهمامیخت وجود دارد استفاده کرده است. همچنین پس از اعمال این الگوریتم بر داده مصنوعی و واقعی نسبت به روش حداقل مربعات افزایش قدرت تفکیک لایه ها و بازیابی فرکانس های از دست رفته قابل مشاهده است. پس از اعمال نشانگرهای لرزه ای بر مقطع پس از برانبارش، طیف فرکانس و دامنه افزایش قدرت تفکیک را نشان می دهند. به این صورت که حضور لایه ها بهتر درک می شود. دنبال کردن مسیر لایه ای که قبلاً میسر نبود، امکان پذیر شده است. همچنین لایه هایی که قبلاً وجود نداشتند در حال حاضر به وضوح دیده می شوند.

تخلخل مؤثر یکی از خصوصیات مهم مخزن است؛ که مهندسان نفت همیشه به دنبال یافتن مدل مناسبی از نحوه توزیع این پارامتر در سنگ مخزن می باشند. با توجه به این که خصوصیات پتروفیزیکی سنگ مخزن بسیار پیچیده است؛ بنابراین در چند دهه اخیر بکار گرفتن روش های دسته بندی در تخمین و مدل سازی این خصوصیات به یکی از موضوعات مهم در صنعت نفت تبدیل شده است. در این پژوهش با تلفیق نگارهای پتروفیزیکی، نشانگرهای لرزه ای و به کارگیری الگوریتم آدابوست سعی شد تا مقدار تخلخل مؤثر در بلوک F3 بخش هلندی دریای شمال دسته بندی شود. در مرحله اول پس از استخراج نشانگرهای لرزه ای از مقطع دوبعدی لرزه ای، توسط روش انتخاب ویژگی SFS، تعداد شش نشانگر لرزه ای با تأثیر مثبت در فرآیند دسته بندی مشخص گردید. این شش نشانگر لرزه ای توسط داده های تخلخل مؤثر دسته بندی شده در موقعیت چاه برچسب گذاری شدند و برای آموزش الگوریتم آدابوست مورد استفاده قرار گرفتند. این آموزش با دقت 6/76 درصد انجام گردید. در مرحله بعد به منظور ارزیابی صحت عملکرد الگوریتم آدابوست، مرحله اعتبارسنجی با حذف اطلاعات مربوط به یک چاه انجام شد؛ که دقت 7/71 درصد به دست آمد و نشان از عملکرد و آموزش صحیح الگوریتم آدابوست دارد. درنهایت الگوریتم آدابوست به منظور دسته بندی تخلخل مؤثر در سایر بخش هایی که اطلاعات چاه موجود نبود، بکار گرفته شد. خروجی الگوریتم نشان داد که لایه های مربوط به سازندهای گروه چالک از تخلخل مؤثر خوبی برخوردارند و احتمالاً استخراج نفت از این افق ها صرفه اقتصادی خواهد داشت.

مطالعه ساختار پوسته و گوشته بالائی برای به دست آوردن مدلی دقیق از ساختار زیرسطحی زمین یکی از اهداف ژئوفیزیکدان ها است. در این مطالعه به کمک تحلیل تابع گیرنده P و با استفاده از زمان رسید فاز تبدیلی Ps در ناپیوستگی های گوشته بالایی (410 و 660 کیلومتری)، ضخامت منطقه انتقالی گوشته در شمال غرب زاگرس مورد مطالعه قرار گرفت تا وجود احتمالی آنومالی دمایی در منطقه بررسی شود. برای این منظور داده های بیش از 1100 زمین لرزه دورلرز ثبت شده توسط ایستگاه های کوتاه دوره و باند پهن شبکه های لرزه نگاری کرمانشاه و خرم آباد و ایستگاه باند پهن سنندج از بدو تأسیس تا 2016 میلادی با بزرگای 5/5Mb≥ و در فاصله رومرکزی ˚ 95 >D>˚ 30 مورد پردازش قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش توسط داده های ثبت شده در ایستگاه های لرزه نگاری در شمال غرب زاگرس که فازهای تبدیلی آنها در لایه های زیرسطحی واقع در منطقه سنندج-سیرجان و ارومیه-دختر قرار گرفتند؛ نشان دادند که مرز ناپیوستگی های منطقه انتقالی گوشته (410 و 660 کیلومتری) نسبت به مدل مرجع (IASP91) انحراف نشان می دهند. در زمان رسید فازهای تبدیلی از مرز دو ناپیوستگی نسبت به مدل مرجع (IASP91) به ترتیب حدود 1 و 2 ثانیه تقدم در رسید مشاهده شد؛ که اختلاف رسید بدست آمده از فازهای تبدیلی منطقه انتقالی گوشته حدود 23 ثانیه است؛ که این اختلاف نسبت به متوسط جهانی (s24)، 1 ثانیه کمتر است. نبود تأخیر یکسان در رسید می تواند بیانگر ضخامت کمتر منطقه انتقالی در مکان قرارگیری نقاط تبدیل باشد؛ که احتمالاً ناشی از بی هنجاری دمایی است که موجب کاهش سرعت های لرزه ای امواج حجمی می شود. نتایج این تحقیق با آنچه که توسط سازمان انرژی های نو ایران (سانا) در زون سنندج-سیرجان از نظر مستعد بودن انرژی زمین گرمایی ارائه شده، همخوانی دارد.

امروزه در ایران به جهت انباشت منابع و امکانات در محدوده های شهری رشد شهرنشینی افزایش یافته و به تبع آن محدوده شهرهای کشور توسعه زیادی داشته اند؛ بنابراین با توجه به توزیع جمعیتی در این مناطق و همچنین واقع شدن تعداد زیادی از این مناطق بر روی نهشت های رسوبی اهمیت مطالعه زلزله شناسی و مهندسی زلزله برای مقاوم سازی و کاهش خطر زمین لرزه افزایش می یابد. یکی از مواردی که موجب افزایش خسارت در زمان وقوع زمین لرزه حتی در فواصل بسیار زیاد از مرکز زمین لرزه است، اثرات ساختگاهی و تشدید خاک است. خسارت شهر مکزیکوسیتی ناشی از زمین لرزه ای که در فاصله رومرکزی بیش از 300 کیلومتر رخ داده بود نمونه بارزی از خسارت ناشی از اثر ساختگاهی است. لذا امروزه مطالعه اثر ساختگاه و به دست آوردن اطلاعات ساختارهای زیرزمینی (سرعت موج برشی) اهمیت ویژه ای یافته است. بیضی وار امواج رایلی به عنوان تابعی از فرکانس رابطه نزدیکی با ساختارهای زیرزمینی از جمله ضخامت لایه رسوبی و پروفیل سرعت موج برشی دارد و استخراج این اطلاعات با استفاده از برگردان بیضی وار امواج رایلی امکان پذیر است. در روش برگردان بیضی وار امواج رایلی با استفاده از نوفه های محیطی بیضی وار امواج رایلی در یک محدود فرکانسی قابل قبول استخراج می شود. در این روش که بر اساس روش کاهش تصادفی است با کاهش اثرات تمامی امواج به غیر از امواج رایلی امکان استخراج این بیضی وار را ممکن می سازد. در این پژوهش اطلاعات مربوط به نوفه های محیطی برای 24 ایستگاه در محدود شهری کرمان جمع آوری شد. سپس با استفاده از الگوریتم بهینه شده همسایگی موجود در افزونه نرم-افزار Geopsy پروفیل سرعت موج برشی و عمق سنگ بستر لرزه ای از بیضی وار امواج رایلی استخراج شد. مقادیر میانگین سرعت موج برشی تا عمق 30 متری در محدوده 199 تا 245 متر بر ثانیه به دست آمد و طبق آیین نامه های موجود خاک منطقه مورد بررسی قرار گرفت. همچنین محدوده عمق سنگ بستر لرزه ای در حدود 230 متر تخمین زده شد.

توموگرافی زمان سیر داده های لرزه ای بین چاهی اغلب برای به دست آوردن تصویری از ساختار سرعتی بین دو چاه به کار می رود. این مدل سرعت طوری محاسبه می شود که خطای بین داده اندازه گیری شده و داده حاصل از مسئله مستقیم (Forward problem) کمینه گردد. از آنجا که مسیر پرتوها در واقعیت تابع بی هنجاری های سرعتی است؛ مسئله توموگرافی زمان سیر مسئله ای غیرخطی قلمداد می شود. الگوریتم های مرسوم حل مسئله وارون توموگرافی، روش های بهینه سازی محلی (Local) هستند؛ که با خطی سازی طی یک فرآیند تکراری با یک مدل اولیه که توسط کاربر انتخاب می شود، مدل سرعتی بین دو چاه را به دست می آورند. یکی از مشکلات این روش ها وابستگی مدل نهایی به مدل اولیه است؛ که ممکن است تابع هدف در کمینه محلی همگرا شود و از کمینه سراسری (Global) فاصله داشته باشد. لذا روش های بهینه سازی سراسری برای حل این مشکل معرفی شده اند. یکی از جدیدترین و قوی ترین روش های بهینه سازی سراسری، بهینه سازی ازدحام ذرات است؛ که این مقاله از وارون سازی هموار با استفاده از این الگوریتم بهره برده است. روش های بهینه سازی سراسری بدون توجه به مدل اولیه، به کمینه سراسری تابع هدف همگرا می شوند. الگوریتم معرفی شده بر روی داده های مصنوعی بدون نوفه و با نوفه گاوسی اعمال شد و پس از مشاهده عملکرد مناسب آن بر روی این داده ها، داده واقعی بین چاهی مورد استفاده قرار گرفت و نتایج حاصل با الگوریتم مارکوارت-لونبرگ (LM) که یک روش بهینه سازی محلی است، مقایسه شد و عدم قطعیت مدل واقعی به دست آمده نیز محاسبه گردید. نتایج حاصل نشان دهنده عملکرد مناسب تر الگوریتم مورد استفاده در وارون سازی مدل سرعتی است.

امروزه روش های ژئوفیزیکی از توانمندترین روش ها برای اکتشاف و تعیین مکان توده ها و سازه های مدفون زیرزمینی می-باشند. یکی از کارآمدترین روش ها در تعیین مکان و اکتشاف سازه های مدفون زیرزمینی روش رادار نفوذی به زمین (GPR) است. در این روش با توجه به عمق توده ی مورد نظر، از چشمه با فرکانس های مختلف برای انتشار موج الکترومغناطیس استفاده شده و با توجه به بازتاب این امواج محل سازه ی مدفون قابل تشخیص است. در این مقاله ابتدا به معرفی روش رادار نفوذی به زمین پرداخته شده و سپس چگونگی مدل سازی پیشرو داده های مذکور با استفاده از روش عددی تفاضل محدود در حوزه ی زمان (FDTD) با استفاده از کدنویسی در محیط MATLAB و با اعمال شرایط مرزی جاذب CPML برای یک تونل مدفون با ابعاد مشخص تشریح شده است. مزیت استفاده از روش های عددی نظیر روش تفاضل محدود، دقت بالا، سادگی فهم و محاسبات نسبتاً ساده تر نسبت به سایر روش ها است. هدف از این مقاله مدل سازی پیشرو داده های رادار نفوذی به زمین برای کشف تونل هایی با ابعاد کوچک در اعماق مختلف و در شرایط محیطی متفاوت است. این امر از اهمیت زیادی در مباحث مهندسی برخوردار است؛ زیرا این تونل ها به راحتی قابل شناسایی نبوده و محلی برای استتار افراد و مهمات است. در این مقاله با توجه به عمق و ابعاد تونل 3 آزادراه تهران-پردیس به مدل سازی انتشار موج در یک مدل مصنوعی از این تونل پرداخته شده است. با توجه به نتایج به دست آمده از مدل سازی، فرکانس 50 مگاهرتز برای برداشت میدانی از تونل 3 پردیس از دستگاه ژئورادار (MALA) انتخاب شده و نتایج حاصل از برداشت میدانی با نتایج حاصل از مدل سازی مقایسه شده اند. مقایسه ی نتایج به دست آمده حاکی از عملکرد قابل قبول مدل سازی این تونل است.

لرزش ناشی از انفجار در معادن و تأثیر آن بر سازه ها و تجهیزات مجاور از پیامدهای منفی سیکل معدنکاری محسوب می شود. به منظور کنترل لرزش و مدیریت اثرات نامطلوب آن، اقدام به اندازه گیری و مدل سازی میرایی امواج می شود. با انجام چندین انفجار آزمایشی و تحلیل امواج لرزشی ناشی از آن، مدل میرایی این امواج برای هر ساختگاه و معدن مطالعاتی تعیین می شود. به طور معمول برمبنای فاصله محل اندازه گیری موج تا سینه کار انفجار و بیشینه خرج به ازای هر تأخیر، اقدام به مدل سازی میرایی حداکثر سرعت ذرات می شود. در تحقیق حاضر با استفاده از چند مدل تجربی، معادله حداکثر سرعت ذرات برای انفجارات معدن سونگون تعیین شده است. همچنین با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری مدل دیگری نیز برای پیش بینی میرایی امواج ارائه شده است. با توجه به آزمون های آماری صورت گرفته بین نتایج حاصل از تخمین حداکثر سرعت ذرات توسط مدل های مختلف و مقادیر اندازه گیری شده، در گستره معدن مس سونگون عملکرد مناسب مدل مبتنی بر الگوریتم رقابت استعماری در تخمین بیشینه سرعت ذرات به اثبات رسیده است.

همگرایی صفحات عربستان و اوراسیا عامل عمده مؤثر در پدیدار شدن زون های زمین ساختی مختلف و پیچیده در مناطق برخوردی زاگرس و البرز در ایران است. در این مطالعه هدف این است تا با بهره گیری از روش تابع گیرنده P و روش زو و کاناموری (2000)، تغییرات عمق موهو را در زون های زمین ساختی متنوع در این پهنه ها به دست آوریم. برای این منظور بیش از 1000 زمین لرزه دورلرز ثبت شده توسط 65 ایستگاه لرزه نگاری دائمی، 50 ایستگاه موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران و 15 ایستگاه باند پهن پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، مورد پردازش قرار گرفت. نتیجه مطالعه حاضر نشان می دهد که متوسط ضخامت پوسته در منطقه ایران مرکزی حدود 48 کیلومتر است، به طوری که از حدود 34 کیلومتر در ایستگاه CHK تا 55 کیلومتر در ایستگاه IL3 متغیر است. میانگین ضخامت پوسته در کمربند چین خورده-رورانده زاگرس حدود 45 کیلومتر است؛ که در جنوبی ترین قسمت این کمربند چین خورده و راندگی (ایستگاه های BNB و BNDS) به بیشترین مقدار یعنی حدود 59 کیلومتر می رسد. عمق موهو از حدود 33 کیلومتر در ایستگاه KIA تا 43 کیلومتر در ایستگاه PRN واقع در پهنه البرز و حاشیه جنوبی دریای خزر در تغییر است. در حالی که در البرز مرکزی متوسط ضخامت پوسته به حدود 54 کیلومتر می رسد. بیشترین ضخیم شدگی پوسته در زون سنندج-سیرجان مشاهده شد؛ که از حدود 53 کیلومتر در ایستگاه BZA به 66 کیلومتر در ایستگاه KHMZ در تغییر است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که متوسط ضخامت پوسته در کمان ماگمایی ارومیه-دختر تقریباً 48 کیلومتر است؛ که از حدود 32 کیلومتر در ایستگاه MEH به 62 کیلومتر در ایستگاه CHMN می رسد.

روش رادار نفوذی به زمین (GPR) یک روش ژئوفیزیکی غیر مخرب است که قادر به آشکارسازی انواع ناهمگنی های زیرسطحی و نیز شناسایی انواع اهداف مدفون در اعماق کم است. در پژوهش حاضر مدل سازی پیشرو و وارون داده های GPR با هدف کاربرد در زمینه شناسایی لوله های مدفون در زیرزمین انجام شده است. در محوطه دانشگاه صنعتی شاهرود به منظور شناسایی موقعیت عبور لوله های انتقال سیالات هیدروکربوری، تعدادی پروفیل GPR با استفاده از یک سامانه GPR مجهز به آنتن های پوشش دار با فرکانس مرکزی 250 مگاهرتز، برداشت شد. برای دست یابی به هدف، نگاشت های راداری منطبق بر کلیه پروفیل های برداشت با اعمال مراحل پردازشی مختلف همانند تصحیح اشباع سیگنال، تصحیح استاتیک و تابع تقویت بر روی داده های خام، با استفاده از نرم افزار Reflexw آماده سازی شدند. سپس پاسخ GPR مدل مصنوعی متناظر با نگاشت های راداری منطبق بر این پروفیل ها، به روش تفاضل محدود حوزه زمان (FDTD) دوبعدی، شبیه سازی شد. آنگاه برای اعتبارسنجی تعبیر و تفسیر برداشت های GPR واقعی به منظور آشکارسازی و شناسایی اهداف مدفون، از روش مدل سازی وارون با حل یک مسئله بهینه سازی، استفاده شد. نتایج این پژوهش بر اساس بررسی میزان تطابق نگاشت راداری داده های واقعی GPR با پاسخ GPR مدل مصنوعی تولید شده متناظر با آن، درستی تفسیر زیرسطحی انجام شده در منطقه مورد نظر جهت شناسایی لوله مدفون را تأیید می نماید.

در این مقاله از روش برنامه ریزی خطی برای وارون سازی سه بعدی داده های گرانی به منظور تعیین شکل توده زیرسطحی و به دست آوردن چگالی آن استفاده شده است. سطح زیرین ناحیه برداشت داده های گرانی به تعداد زیادی مکعب با ابعاد و موقعیت معلوم تقسیم شده است. هدف تخمین تباین چگالی مجهول هر یک از این مکعب ها است، در حالی که چگالی بیشینه ای برای منطقه مورد بررسی در نظر گرفته شده است. به عبارتی وارون سازی ساختمانی ضمنی با به کارگیری روش برنامه ریزی خطی برای ترسیم نقشه های زیرسطحی که مرزهایی تیز با محیط اطراف دارند، صورت گرفته است. تابع هدف استفاده شده، نُرم یک اختلاف بین داده های مشاهده شده و داده های حاصل از مدل است که هدف کمینه سازی این تابع با توجه به قیودی خطی شامل تساوی و عدم تساوی ها است. قیود در اینجا شامل قید روی چگالی بیشینه و داشتن عمق کمینه به عنوان اطلاعات اولیه است. به طور معمول دسترسی به قیود مذکور از اطلاعات زمین شناسی و یا دیگر روش های ژئوفیزیکی همچون اویلر، به راحتی امکان پذیر است. هرچه این قیود به واقعیت نزدیک تر باشند نتایج وارون سازی به شکل واقعی توده نزدیک تر خواهند بود. با انجام این بهینه سازی مقید می توان به تخمینی از پارامترهای مدل (چگالی های مکعب های زیرسطحی) رسید. برنامه کامپیوتری به زبان متلب نوشته شده است و روی دو مدل مکعب مستطیلی به عنوان مدل مصنوعی آزمایش شده است. نتایج از جهت چگالی و موقعیت مطابقت خوبی با مدل مکعب مستطیلی دارد. در پایان داده های گرانی برداشت شده روی معدن منگنز صفو واقع در شمال غرب ایران با استفاده از برنامه وارون سازی مذکور مدل سازی شده اند. نتایج وارون سازی توزیع ماده معدنی با گسترش عمقی 5 تا حدود 35 متری را نشان می دهد؛ که با نتایج حاصل از حفاری انطباق دارد.

خاصیت ویسکو الاستیک زمین باعث اتلاف انرژی و تضعیف دامنه موج لرزه ای منتشر شده در زمین می شود. این اثر که به عنوان جذب لرزه ای شناخته می شود و معمولاً با فاکتور کیفیت (Q) نشان داده می شود، مشکل جدی در پردازش داده-های لرزه ای است. چنانچه اطلاعاتی در مورد مقدار ضریب جذب وجود داشته باشد حذف اثر آن باعث بهبود تفکیک پذیری داده می شود. در این مقاله مقدار Q برای یک ردلرزه (trace) با فرض Q ثابت برای کل ردلرزه، تخمین زده می شود و سپس توسط واهمامیخت ناپایا اثر آن از ردلرزه حذف می شود. روش جدید برای تخمین Q به حل یک مسئله وارون می پردازد. با فرض تنکی (sparsity) سری ضرایب بازتاب زمین به دنبال مقداری از Q هستیم که تنک ترین سری ضرایب بازتاب زمین را نتیجه می دهد. مسئله فوق الذکر یک مسئله وارون غیرخطی بوده و بهینه سازی آن زمان گیر است. در این مقاله روش هایی برای حل این مشکل و مقرون به صرفه کردن روش جدید پیشنهاد می شود. اعمال روش جدید بر داده های مصنوعی و واقعی نشان می دهد که روش جدید قدرت بالایی در تخمین Q دارد و بسیار پایدار است. همچنین مقایسه روش جدید با روش های دیگر نشان از دقت روش جدید در تخمین Q دارد.