مجله فیزیک زمین و فضا
سال:1389 | دوره:36 | شماره:1 |تعداد مقالات:15

عموما حضور نوفه در تحقیقات و اندازه گیری های ژئوفیزیکی امری اجتناب ناپذیر است و بسته به نوع و میزان آن، نتایج به دست آمده تحت تاثیر قرار می گیرند. از این رو مساله تفکیک نوفه از سیگنال، بخشی مهم در پردازش داده های ژئوفیزیکی است. از طرف دیگر، محققان در ژئوفیزیک به دنبال به دست آوردن مشخصات فیزیکی درون زمین با استفاده از اندازه گیری (داده های) غیر مستقیم هستند که در سطح یا نزدیک به سطح زمین صورت می گیرد. بنابراین برای برآوردکردن مشخصات فیزیکی درون زمین باید یک مساله معکوس حل شود. متاسفانه، اکثر مسایل معکوسی که در ژئوفیزیک ظاهر می شوند بدشرط (ill-condition) هستند و یا به عبارت دیگر جواب غیریکتا و ناپایدار دارند. برای پایدار و یکتا کردن جواب این گونه مسایل از ابزارهای تنظیم (regularization) استفاده می شود. این به آن معنا است که با استفاده از اطلاعات از قبل موجود در مورد جواب مجهول، بتوان مساله را پایدار کرد و نوسان های بسامد زیاد ناشی از نوفه را در جواب مساله از بین برد. یکی از روش های مرسوم برای حل این مسایل، بسط مدل (جواب) مجهول در یک پایه متعامد، جدا کردن ضرایب مدل از ضرایب مربوط به نوفه و در نهایت به دست آوردن مدل است. پایه به دست آمده از تجزیه مقادیر تکین (Singular Value Decomposition, SVD) مثالی مرسوم در این باب است که به فراوانی مورد استفاده قرار می گیرد. از مشکلات اصلی پایه SVD متمرکز نبودن در مکان (زمان) است که باعث ایجاد پدیده گیبس در ناپیوستگی ها می شود. این امر جدا کردن ضرایب مدل از ضرایب نوفه را دچار مشکل می کند. موجک ها برخلاف SVD، پایه متعامدی را تشکیل می دهند که بردارهای آن در حوزه های مکان (زمان) و بسامد تمرکز یافته اند، بنابراین در ناپیوستگی ها پدیده گیبس بسیار کمتری ایجاد می کنند. خصوصیت دیگر آنها موجود بودن الگوریتم سریع برای محاسبه است. این خصوصیات باعث می شود که آنها گزینه های مناسبی برای حل مسایل معکوس باشند. موضوعاتی که در این مقاله بررسی شده اند عبارت اند از: -1 عملکرد تبدیلات تنک کننده (مانند تبدیل موجک ) در حذف نوفه و کاربرد آنها در حل دیگر مسایل معکوس خطی. -2 مقایسه عملکرد سه فیلتر غیرخطی انقباض سخت (hard shrinkage)، انقباض نرم (soft shrinkage) و (Amplitude-Scale-invariavt Bayes Estimator, ABE) به منظور برآورد ضرایب سیگنال در حوزه تنک (sparse) برای سطوح متفاوت نوفه. 3- عرضه روشی کارآمد برای برآوردکردن انحراف معیار نوفه (این مساله در تحقیقاتی که داده برداری در آنها تکرار نمی شود حایز اهمیت است). انحراف معیار به دست آمده برای یافتن پارامتر تنظیم در روش های مبتنی بر موجک معرفی شده به کار برده می شود. در نهایت عملکرد الگوریتم های تدوین شده در مقایسه با روش SVD برای وارون کردن عملگر انتگرال گیری به منظور یافتن نرخ تغییرات یک تابع نشان داده می شود.

بررسی زمین لغزش ها در مناطقی که از لحالظ توپوگرافی و اقلیمی دارای پتانسیل لغزش هستند، به منظور کاهش خسارات در بررسی های اولیه پروژه های عمرانی مخصوصا سازه های خطی از اهمیت بسزایی برخوردار است. به همین منظور پس از وقوع زمین لغزش خردادماه سال 1384 صائین اردبیل که موجب از بین رفتن قسمتی از جاده نیر- سراب شد، تحقیقات توموگرافی ژئوالکتریک دوبعدی برای تشخیص توده ناپایدار در محل صورت گرفت تا در ساخت جاده جدید ملاحظات لازم در نظر گرفته شود و از بروز خسارات بیشتر جلوگیری به عمل آید. در این تحقیق داده های حاصل از سونداژ ژئوالکتریک با روش وارون سازی دوبعدی و سه بعدی بلوکی مورد تفسیر قرار می گیرد که به خوبی قادر به تشخیص گسترش هندسی زمین لغزش و سطح لغزش است. براین اساس محل عبور سازه خطی که ایمنی لازم را داشته باشد پیشنهاد شده است.

به دلیل مزایای فراوان، تبدیلات موجک امروزه جایگاه ویژه ای در آنالیز داده های گرانی سنجی پیدا کرده است. در این پژوهش از موجک پیوسته خاصی که حاصل از مشتقات افقی تابع کرنل پواسونی است و رابطه مستقیمی با فرایند ادامه فراسو دارد گوشه ها در مقیاس های گوناگون(Multi Scale Edges)  استفاده شده است. مدل های مستقیم ساده از قبیل کره، استوانه افقی و قایم درحکم مدل مستقیم به کار رفته اند. به این ترتیب که این مدل ها به حوزه تبدیلات موجک انتقال داده شده اند و دامنه و موقعیت نقاط اکسترمم تبدیلات موجک، به منزله مدل های ریاضی جدید به کار رفته اند. مدل های مستقیم مورد نظر (در حوزه تبدیلان موجک) همانند سایر مدل های مستقیم دیگر با پارامترهای منبع نظیر عمق و نوع ساختار در ارتباط است و فقط به سبب نرمال بودن به پارامتر فیزیکی تباین چگالی مربوط نیست. پس از توسعه نظری مدل های مستقیم ساده نرمال شده در حوزه تبدیلات گوشه ها در مقیاس های گوناگون، از داده های حقیقی و مصنوعی به منظور آزمایش مدل های پیش گفته استفاده شده است. داده های مصنوعی گوناگون با مشخصات متنوع، هم در شرایط آزاد از نوفه و هم در شرایط حضور نوفه، مورد آزمایش قرار گرفته اند. همچنین از داده های حقیقی (موجود در شرکت نفت و موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران)، برای وارون سازی استفاده شده و نتایج اینگونه وارون سازی ها با نتایج حاصل از روش های دیگر کلاسیک، نظیر روش های گوپتا و عبد الرحمن مقایسه شده است.

وجود مدلی مناسب به منظور مدل سازی خطای وردسپهری از آن جهت که در افزایش دقت تعیین موقعیت های آنی با استفاده از GPS، همچنین سرعت همگرایی و در نهایت رسیدن به موقعیت تاثیر دارد، حایز اهمیت است. مدل های برآورد خطای وردسپهری از جمله مدل سستامینن وابسته به پارامترهای محلی است در این مقاله با استفاده از تاخیر کلی به دست آمده از ایستگاه دایمی سازمان نقشه برداری برای سال 2005 که درحکم یکی از ایستگاه های شبکه بین المللی IGS به ثبت رسیده است و مشاهدات فشار، دما و رطوبت سازمان هواشناسی کشور به ارزیابی مدل سستامینن که مدلی جهانی در برآورد خطای وردسپهری است پرداخته شده است. این مدل در بسیاری از نرم افزارهای تجاری و علمی مورد استفاده است. خطای میانگین مربعی 21 میلی متر بین تاخیر کلی حاصل از مدل سستامینن و تاخیر کلی حاصل از مدل سازی در معادلات مشاهدات GPS به دست آمده است که در مقایسه با دقت های به دست آمده در مناطق گوناگون، دقت مطلوبی است.

یکی از روش های تفسیر بی هنجاری های میدان پتانسیل اندازه گیری تغییرات فاز محلی داده های میدان پتانسیل است. با استفاده از این فیلترها مرز و حدود منابع مولد بی هنجاری تعیین می شود. در این راستا روش های متفاوتی چون اندازه گیری زاویه تیلت و مشتق افقی کل زاویه تیلت وجود دارد. این فیلترها در حالت رویارویی با منابع عمیق کارایی خود را از دست می دهند. برای بهبود نتایج حاصل از کاربرد این فیلترها، تعدادی فیلتر جدید فازپایه چون مشتق قائم زاویه تیلت و زاویه تیلت هذلولوی (هایپربولیک) معرفی شده است. در این مقاله نتایج کاربرد فیلترهای متداول فازپایه و همچنین چندین فیلتر جدید فاز پایه با فیلترهای گرادیان افقی، قائم و سیگنال تحلیلی مقایسه شده است. این فیلترها روی داده های مغناطیسی مدل و همچنین روی داده های مغناطیس هوایی چهارگوش آباده به کار برده شده است.

در تحقیق حاضر، روشی عددی برای تعیین ماتریس عملگرهای تابع گرین در گسل های درون صفحه ای عرضه می شود. با داشتن این ماتریس و معکوس آن، می توان از روی اندازه گیری های تغییرمکان های سطح زمین، میزان لغزش های گسل و محل این لغزش ها را برآورد کرد. با داشتن محل و میزان این لغزش ها، می توان محل وقوع زلزله های بزرگ آینده را پیش بینی کرد. برای در نظر گرفتن تغییرشکل های گسل ها در محاسبات المان های محدود، روشی ساده پیشنهاد شده است. در این روش ساده که «روش ماده نرم» نام گذاری شده است، می توان گسل را با یک المان کم ضخامت از ماده ای نرم (یعنی با ضریب ارتجاعی بسیار کم) برآورد کرد. این ماده، علاوه بر اینکه مانع پدیده هم پوشانی دو سطح مجاور می شود، تطابق خوبی با رفتار واقعی گسل دارد، به این معنا که از مقاومت سنگ های مجاور هم در دو سوی گسل که خرد شده و در آستانه لغزش هستند صرف نظر می کند. در این تحقیق، بدون درگیر شدن با مساله غیرخطی تماس، دو سمت گسل به اندازه واحد جابه جا شده و نتایج به صورت جابه جایی سطحی روی سطح زمین اندازه گیری شده است. ابتدا مدل پیشنهادی با پاسخ های تحلیلی موجود مقایسه شده است و پس از اطمینان از دقت قابل قبول روش، گسل شمال تهران مدل شده و ماتریس عملگرهای تابع گرین آن به دست آمده است.

مساله تعیین ارتفاع همواره مورد علاقه کاربران حوزه های گوناگون تحقیقاتی و اجرایی است. اعداد ژئوپتانسیل نقشی اساسی در تعریف سامانه های ارتفاعی متفاوت دارند. در این مقاله روشی نوین برای تعیین اعداد ژئوپتانسیل و به تبع آن سامانه های ارتفاعی گوناگون برمبنای حل مساله مقدار مرزی ژئودتیک با مرزهای ثابت معرفی شده است. روش معرفی شده به صورت موفقیت آمیزی درمورد قسمت مرکزی ایران آزمایش شد. میانگین اختلاف ارتفاع ارتومتریک محاسبه شده براساس روش پیشنهادی و ارتفاع ارتومتریک در نقاط GPS/Leveling یک میلی متر با انحراف معیار 55 سانتی متر حاصل شد.  

با توجه به کاربرد روز افزون توابع گویا (rational functions) در تصویرسنجی (فتوگرامتری) این معادلات مورد توجه محققان زیادی است. یکی از معایب این معادلات، ناپایداری مدل در برآورد پارامترها یا همان ضرایب است. در واقع مساله برآورد ضرایب توابع گویا (Rational Function Coefficients, RFCs) با استفاده از نقاط کنترل موجود در اغلب موارد یک مساله ای بدطرح (Ill-posed) است که باید روشی را برای پایدارسازی (regularization) این معادلات اتخاذ کرد. همچنین مدل ریاضی برآورد ضرایب برخلاف روش معمول که یک مدل پارامتری خطی در نظر گرفته می شود، در واقع مدلی ترکیبی است. در این مقاله ضرایب معادلات با استفاده از مدل ترکیبی که مدل کامل تری نسبت به مدل پارامتری خطی می باشد برآورد شده است، همچنین با توجه به بد طرح بودن مساله از روش پایدارسازی تیخونوف (Tikhonov regularization) برای پایدار کردن مساله در حالت مدل ترکیبی استفاده شده است. با مقایسه روش پیشنهادی در برآورد ضرایب معادلات گویا (تبدیل مساله به مدل ترکیبی همراه با پایدارسازی مساله با روش تیخونوف) با روش های پیشین مورد استفاده در برآورد ضرایب، روش پیشنهادی دقت بهتری را در نقاط چک به دست می دهد.

تحقیقات ناهمسانگردی خودپذیری مغناطیسی (Anisotropy of Magnetic Susceptibility: AMS) در گستره شمالی گسل کوهبنان در نزدیکی روستای داهوییه روی رسوبات سرخ دوره پرکامبرین پسین (سری دزو) تا کامبرین آغازین (سری داهو) نشان دهنده بافت تکتونیکی است. این گسل که مرز بین ایران مرکزی و کویر لوت است، علاوه بر سازوکار فشاری، دارای جنبش راست گرد نیز هست. ناهمسانگردی خودپذیری مغناطیسی موجود در نمونه های برداشت شده، شکل شلغمی (oblate) و کشیده (prolate) با بزرگای نسبتا کوچک را نشان می دهند. جهت محور بیشینه ناهمسانگردی خودپذیری مغناطیسی تقریبا در امتداد محور چین قرار گرفته که نشان دهنده جهت نیروهای تکتونیکی در امتداد گسل کوهبنان است. توزیع تغییرات جهت ناهمسانگردی خودپذیری مغناطیسی از 20 W تا N 70 W با میانگین N 50 W ، چرخش صفحه لوت در مجاورت سامانه فشاری ایران مرکزی را تایید می کند.

مدل سازی داده های مغناطیس سنجی به دلیل اهمیت آن در تحلیل نقشه ها و نیم رخ های برداشت شده، از اهمیت بسزایی برخوردار است. با توجه به وجود ساختارهای کشیده و خطی فراوان در زمین، از جمله گسل ها، دایک ها و مانند آن و طراحی نیم رخ های برداشت عمود براین ساختارها، منجر به توسعه الگوریتم های مدل سازی دوبعدی شده است. در این مقاله با اعمال تصحیحات و تغییراتی روی الگوریتم سه بعدی پیشنهاد شده محققان، یک روش مدل سازی دوبعدی اتوماتیک معرفی شده است. در این روش که وارون سازی توزیع خواص فیزیکی است، زمین مورد بررسی در زیر نیم رخ داده های برداشت شده، به تعداد زیادی منشورهای افقی با طول بی نهایت و با خودپذیری مغناطیسی ثابت، تقسیم می شود، به طوری که تعداد این منشورها به مراتب بیشتر از تعداد داده ها است، بنابراین یک مساله فرومعین (under-determined) حل می شود. یک تابع هدف، به صورت تابعی از خطای داده ها، اندازه پارامترهای مدل و مشتقات آنها تعریف می شود و با کمینه کردن این تابع، توزیع خودپذیری مغناطیسی بهینه در داخل زمین به دست می آید. الگوریتم ساده است و حتی درحالتی که هیچ گونه اطلاعات اولیه ای در دسترس نیست، جواب های قابل قبولی به دست می دهد. از دیگر مزایای این الگوریتم، شبیه بودن نتایج مدل سازی به زمین واقعی است و این از برتری های وارون سازی به روش توزیع خواص فیزیکی بر روش پارامترسازی است. الگوریتم در MATLAB برنامه نویسی شد و روی داده های حاصل از مدل های ساختگی، اعمال و صحت آن تایید شد. سپس داده های مغناطیس هوایی یک خط پرواز شمالی– جنوبی در منطقه مکران واقع در جنوب غرب ایران مدل سازی شد. این منطقه در یک حوزه پشت کمان مربوط به فرورانش سنگ کره (لیتوسفر) اقیانوسی عمان به زیر سنگ کره قاره ای ایران، قرار گرفته است و به علت وجود مجموعه سنگ های افیولیتی، بی هنجاری های مغناطیسی برجسته و واضحی مشاهده می شود. مدل های به دست آمده به خوبی ساختارهای منطقه را نشان می دهند.

در تحقیق حاضر امکان بروز گسیختگی ناشی از اثر تنش دریاچه سد روی یک گسل مشخص به صورت مدل سازی ریاضی با شیوه ای نوین تشریح شده است. با استفاده از این روش امکان بروز گسیختگی القایی ناشی از اثر دریاچه سد کرخه روی گسل دالپری که یکی از مهم ترین و فعال ترین چشمه های لرزه زا، با استفاده از قاعده موهور- کلمب، در محدوده پیرامون ساختگاه سد کرخه است، مدل سازی شد و رابطه آن با شرایط مخزن مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. با همین هدف، بخشی از این گسل که در محدوده موثر ساختگاه واقع شده است، به صورت صفحه گسیختگی با طول، شیب، روند و بردار لغزش مشخص به صورت دوبعدی مدل شد و پارامترهای متفاوت تنش روی آن مورد محاسبه، تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در این منطقه از زاگرس، هنوز تحقیقات دقیقی از شیب گسل ها در دست نیست، از این رو برای تحلیل بهتر تنش القایی، گسل پیش گفته در شیب های متفاوت بین 15 تا 60 درجه مدل شده است. دریاچه سد کرخه نزدیک به بخش فرادیواره گسل رورانده دالپری قرار گرفته است، انتظار می رود مخزن براساس پاسخ کشسانی محیط بتواند موجب تاخیر در زمان بروز گسیختگی این گسل و در نتیجه افزایش پایداری پوسته شود، این موضوع به خوبی در تحلیل نظری تنش ناشی از مخزن در گسل دالپری نیز مشاهده شده است؛ نتایج حاصل در قطعه ای از گسیختگی سطحی گسل دالپری نشانگر افزایش پایداری پوسته در همه شیب ها و در قطعه ای از گسیختگی پنهان این گسل که تا نزدیکی پایین دست ساختگاه سد ادامه یافته، مبین امکان وقوع زمین لرزه القایی تنها در شیب 15 درجه و در اعماق کمتر از 2.5 کیلومتر است؛ در این شیب بیشینه توان برشی القایی ناشی از اثر دریاچه سد در راستای بردار لغزش تقریبا 0.12 بار برآورد شده که در عمق تقریبا 1 کیلومتری قرار گرفته است.

برهم کنش باد خورشیدی با مغناطیس سپهر زمین، سبب انتقال شار مغناطیسی به داخل دم مغناطیسی می شود و در نتیجه برای حفظ پیوستگی ساختار دم، یک همرفتی شار بازگشتی به داخل منطقه شبه دوقطبی قسمت شب و از آنجا به قسمت روز به وجود می آید. چون با این شار مغناطیسی، پلاسمای پرانرژی همراه است بنابراین جریان هایی الکتریکی وجود خواهد داشت که موجب تغییرات شدت مغناطیسی در نزدیکی سطح زمین (زیرتوفان مغناطیسی) می شود و به ویژه در برهم کنش با یون سپهر زمین موجب فعالیت های شفقی می شود. ما در این مقاله نه فقط ارتباط بین تغییرات دم مغناطیسی و فعالیت های شفقی را در طی 3 زیرتوفان با استفاده از داده های GEOTAIL، Polar UltraViolet Image (UVI) و 4- Cluster spacecraft مقایسه کرده ایم. در زیرتوفان رخداده در دسامبر 1996، نقصان و شدت های شفقی همبستگی زیادی با شارش های سریع پلاسما، با تغییرات میدان مغناطیسی شمالی- جنوبی و با فشار کل در دم مغناطیسی داشته اند.  Geotail درموقعیت حدود  -21 REواقع و چندین شارش سریع به سمت دم در نزدیکی فاز گسترش زیرتوفان، با میدان مغناطیسی جنوب سو و همراه با افزایش فشار کل مربوط به plasmoids مشاهده شده است. این شارش ها، هم زمان یا حدود یک دقیقه بعد از نقصان ها یا شبه نقصان های شفقی مشاهده شده اند. در پایان فاز گسترش یا در فاز بازگشت بعضی شارش های سریع به سمت زمین با میدان مغناطیسی شمال سو مشاهده شده اند. بررسی های بیشتر نشان می دهد که کاهش فشار کل در دم مغناطیسی به طور قابل ملاحظه ای در طی نقصان های شفقی یا در طی گسترش های به سمت قطب برآمدگی شفقی، کاهش می یابد. مدت گسترش و اندازه برآمدگی شفقی به ترتیب با مدت و آهنگ کاهش فشار کل در دم مغناطیسی وابسته هستند. این نتایج تاکیدی بر این مطلب است که زیرتوفان ها پاسخ مغناطیس سپهر به مساله فشار هستند. در زیرتوفان سپتامبر 2002 نیز بررسی داده های مجموعه فضاپیماهای Cluster همبستگی تغییر جهت شارش پلاسمای سریع با تغییرات فشار کل از طریق تغییرات میدان مغناطیسی را نشان می دهد.

اثر همرفت کومه ای روی محیط پیرامون، به منزله فرایندی میان مقیاس، آزادسازی گرمای نهان و انتقال قائم گرما، رطوبت و تکانه است که می تواند گردش های جوی و میدان های بزرگ مقیاس گرما، رطوبت و تکانه را تعدیل کند. به دلیل ناتوانی مدل های عددی موجود در تفکیک ابرهای کومه ای همرفتی منفرد که از نقطه نظر هواشناسی مهم اند، به منظور آشکارسازی و وارد ساختن اثر این گونه ابرها بر انتقال های همرفتی گرما، رطوبت و تکانه از روش پارامترسازی کومه ای استفاده می شود. اساس این روش بر مرتبط کردن پدیده های خرد و میان مقیاس با بخش مقیاس بزرگ کمیت ها است. از طرف دیگر، واداشت بزرگ مقیاس، گرایش به تعدیل همرفت کومه ای دارد. در این تحقیق، بررسی کلی طرحواره های پارامترسازی همرفت کومه ای مورد استفاده در مدل های بزرگ و میان مقیاس، از مراحل اولیه آن در اوایل دهه 1960 تا پیشرفت های اخیر در این زمینه عرضه می شود. پیشرفت چشمگیری در بهبود پارامتر سازی همرفت کومه ای صورت گرفته است ولی با این حال، به دلیل پیچدگی مساله، پارامتر سازی کومه ای طبق تحقیقات اخیر هنوز هم مساله ای چالش برانگیز در مدلسازی میان مقیاس و یکی از موضوعات تحقیقی مهم حال حاضر است.