Metodi geofisici per l'inversione e l'imaging 3-D ad alta risoluzione

1. CISC Workshop di presentazione Metodi geofisici per l'inversione e l'imaging 3-D ad alta risoluzione  di dati sismici ed elettromagnetici Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Scienze Geologiche, Ambientali e Marine Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – ItalyE-mail: pipan@units.itWeb site: http://www.units.it/geoegg

2. Sommario Settori di Ricerca • Geologico – Ricostruzione della struttura terrestre (shallow and/or deep) • Ambientale – Definizione di falde, individuazione ed identificazione di contaminanti • Ingegneristico - Definizione di stratigrafie e proprietà statiche • Archeologico – individuazione e caratterizzazione strutture sepolte (mura, tombe) • Metodologie impiegate • Sismica (riflessione, rifrazione & Onde si superficie) • Ground Penetrating Radar (GPR) • Magnetometria • Elettrica Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

3. Tecniche di Elaborazione Surface Wave Analysis (Rayleigh Wave Dispersion Curve Inversion) - Sismica Common Reflection Surface (CRS) Stack - Sismica & GPR Pre-Stack Depth Migration (algoritmi Wave Equation & Kirchhoff) - Sismica & GPR Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

4. Rayleigh Wave Dispersion Curve Inversion • Principali Vantaggi • Fornisce parametri richiesti dalla normativa vigente (VS-30) • Fornisce informazioni sul bedrock • Principali Problematiche • Multimodalità del problema (Metodi lineari falliscono) • Necessità di un ampio search space • Soluzioni adottate • Inversione tramite algoritmi genetici • Preliminary Parallel Runs • Valutazione mediante Marginal Posteriori Probability Density (MPPD) Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

5. Common Reflection Surface (CRS) Stack • Principali Vantaggi • Non necessita di un Macromodello di velocità • Si basa su tre parametri (, RNIP e RN) anziché uno solo (velocità) • Aumenta il numero di elementi su cui effettuare analisi geofisiche • Principali Problematiche • è di recente ideazione (ancora poco studiata) • è totalmente automatizzata • Soluzioni adottate • controllo dell’operatore sui vari step Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

6. Pre-Stack depth Migration (PSDM) • Principali Vantaggi • fornisce in output una sezione coincidente con la reale sezione geologica • Ampiamente utilizzato e continuamente sviluppato • Principali Problematiche • quantità di dati “immense” • Necessità di un modello di velocità estremamente preciso • Soluzioni adottate • ----- • ricostruzione del modello di velocità tramite refining iterativo Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

7. Surface Wave Analysis Two Steps 1. Dispersion curve evaluation 2. Dispersion curve inversion Computationally expensive Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

8. Main problem: Multimodalità Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

9. Algoritmi Genetici (GAs) Breve introduzione ai GAs The Lingo Cromosoma Popolazione Gliindividuisono indicati come cromosomi(un cromosoma consiste di geni, che rappresentano i parametri del problema da ottimizzare). Una collezione di cromosomi sul quale opera un algoritmo genetico è indicata come popolazione. Selezione Crossover & Mutazione Generazione Schemata Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

10. Single point crossover Two point crossover Arithmetic crossover - some arithmetic operation is performed to make a new offspring Uniform crossover - bits randomly copied from first or second parent Crossover ( | is the crossover point) Mutation Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

11. Architettura dell’inversione Perché dei runs preliminari? Anche i GA possono venir intrappolati nei minimi locali Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

12. Procedure 1. Strategia d’inversione (qualivariabili ?) 2. Fissare le boundaries conditions del search space per tutte le variabili scelte 3. Fissare unaobjective functionche definiscailfitnessdegli individui (e.g. la L1-norm) 4. Fissare: numerodi runs preliminari, dimensione della popolazione, parametri di selezione, crossover, mutazionee termination, etc. Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

13. Parametri fondamentali usati 1. Nove runs preliminari “paralleli” 2. Numero di modelli per le popolazioni iniziali (preliminary runs): 7000 3. Numero di generazioni per i nove runs preliminari: 10 4. Numero di generazioni per il run finale : 250 5. Per la popolazione iniziale del run finale: tutti i modelli valutati precedentemente con una objective function fino a 5 volte quella della migliore (typically 2700 models) Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

14. Modelli considerati Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

15. Search Space Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

16. Distribuzione dei modelli selezionati Model#2: istogrammadei valoriperla settima variabile (velocità SH del quarto strato). Esempio di objFN vs. generation Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

17. MPPD: the population issue Model#3: shear-wave velocity MPPD values for the seventh layer of the third model All the preliminary-run models All the evaluated models Initial-population models Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

18. Four basic Inversion Model#3 Model#1 Model#2 Model#4 search space Mean model vs. fittest model Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

19. Schema di Processing Per CRS Stack INVERSIONE  RNIP RN VELOCITA’ RMS STACK PostSTM SEZIONE FINALE INTERPRETAZIONE Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

20. ZO Stacking Surface Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

21. CRS Stacking Surface Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

22. PSDM Stacking Surface Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

23. Schema di Processing per WE e K-PSDM ANALISI SUI CMP e PICKING RMS VELOCITY VEL INTERVALLARE STACK MODELLO VZ Post-STM Pre-SDM PSDM SEZIONE FINALE INTERPRETAZIONE REFINING STACK INTERPRETAZIONE SEZIONE FINALE INTERPRETAZIONE Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

24. Particolare della sezione PreSDM TC Particolaredella sezione Stack 4 1 Esempio di PSDM su dati sismici Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

25. Example of Common Offset processed Section Example of Multi-Fold Stack Section Distance [m] Distance [m] 5.0 5.0 10.0 10.0 15.0 15.0 20.0 20.0 10 10 ] ] s s 50 50 n n [ [ e e m m i i 90 90 T T 130 130 Esempio di PSDM su dati GPR Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

26. Distance [m] Distance [m] 0.0 7.5 0.0 7.5 0 Time [ns] Stack PreSDM 80 Esempio di PSDM su dati GPR Final PreSDM section (time converted) - Interpretation Distance [m] 5.0 10.0 15.0 20.0 10 30 ] s 50 n [ e 70 m i T 90 110 130 Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg

27. Università degli Studi di Trieste • Dipartimento di Scienze Geologiche, Ambientali e Marine Via • Exploration Geophysics Group • Weiss, 1 – Trieste – 34127 – ItalyE-mail: pipan@units.it • Web site: http://www.units.it/geoegg • http://www.hygeia-eu.org

28. Conclusioni Exploration Geophysics Group, Via Weiss, 1 – Trieste – 34127 – Italy Web site: http://www.units.it/geoegg