وارون سازی همزمان سه بعدی داده های گرانی و مغناطیس با استفاده از قید ضرب گرادیان برداری

نوع مقاله : سایر مقالات

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری تخصصی مهندسی معدن_اکتشاف، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران

چکیده

روش‌های گرانی‌سنجی و مغناطیس‌سنجی که در ژئوفیزیک در گروه روش‌های میدان پتانسیل قرار می‌گیرند، از مهم‌ترین ابزارهای غیرمستقیم برای شناسایی، اکتشاف و تفسیر ساختارهای زمین‌شناسی در اعماق زمین به شمار می‌روند. این روش‌ها به دلیل هزینه نسبتاً کم، پوشش‌ وسیع و حساسیت بالا به تغییرات چگالی و مغناطیس‌پذیری، در اکتشاف مواد معدنی و مطالعات زیرسطحی کاربرد گسترده‌ای دارند. بااین‌حال، وارون‌سازی داده‌های میدان پتانسیل به دلیل ماهیت ذاتی این داده‌ها، یک مسئله بد‌حالت (ill-posed) است؛ به‌طوری‌که تعداد زیادی مدل می‌توانند پاسخ‌های مشاهده‌شده را با دقت مشابه تولید کنند. ازاین‌رو، دستیابی به یک مدل یکتا بدون بهره‌گیری از قیدهای زمین‌شناسی یا اطلاعات تکمیلی امکان‌پذیر نیست.

یکی از راهکارهای مؤثر برای غلبه بر این محدودیت، استفاده از وارون‌سازی هم‌زمان داده‌های ژئوفیزیکی است. وارون‌سازی هم‌زمان با بهره‌گیری از اطلاعات مکمل بین دو یا چند مجموعه داده، می‌تواند منجر به بازسازی دقیق‌تر، پایدارتر و معنادارتر از نظر زمین‌شناسی شود. ترکیب داده‌های گرانی‌سنجی و مغناطیس‌سنجی به‌ویژه اهمیت دارد، زیرا هر یک از این داده‌ها نسبت به ویژگی‌های متفاوتی از محیط زیرسطح حساسیت دارند و ادغام آن‌ها می‌تواند به تفکیک بهتر مرزها، بازیابی هندسه اجسام و بهبود رزولوشن مدل منجر شود.

در این پژوهش، یک روش وارون‌سازی هم‌زمان سه‌بعدی داده‌های گرانی‌سنجی و مغناطیس‌سنجی ارائه شده است که در آن از قید ضرب برداری گرادیان‌ها برای همسو کردن ساختارهای زیرسطحی بازیابی‌شده استفاده می‌شود. این قید موجب می‌شود مرزهای ساختاری در هر دو مدل تا حد امکان یکسان بازسازی گردد و بدین ترتیب مدل نهایی با واقعیت زمین‌شناسی سازگاری بیشتری داشته باشد. برای ارزیابی کارایی روش پیشنهادی، ابتدا آزمایش‌هایی بر داده‌های مدل‌سازی‌شده مصنوعی انجام شده تا دقت، پایداری و رفتار الگوریتم مورد بررسی قرار گیرد. در ادامه، روش بر داده‌های واقعی یک منطقه معدنی اعمال شده و نتایج حاصل نشان می‌دهد که وارون‌سازی هم‌زمان می‌تواند ساختارهای زیرسطحی را با تفسیرپذیری بالاتر و عدم قطعیت کمتر نسبت به وارون‌سازی جداگانه داده‌ها بازیابی کند. این نتایج بیانگر توانایی بالای روش پیشنهادی در کاربردهای اکتشافی و تفسیر یکپارچه ژئوفیزیکی است

کلیدواژه‌ها


Bennington, N. L., Zhang, H., Thurber, C. H., & Bedrosian, P. A. (2015). Joint inversion of seismic and magnetotelluric data in the Parkfield Region of California using the normalized cross-gradient constraint. Pure and Applied Geophysics, 172, 1033-1052.
Candansayar, M. E., & Tezkan, B. (2008). Two‐dimensional joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data. Geophysical Prospecting, 56(5), 737-749.
Demirci, İ., Dikmen, Ü., & Candansayar, M. E. (2018). Two-dimensional joint inversion of Magnetotelluric and local earthquake data: Discussion on the contribution to the solution of deep subsurface structures. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 275, 56-68.
Gallardo, L. A., & Meju, M. A. (2003). Characterization of heterogeneous near‐surface materials by joint 2D inversion of dc resistivity and seismic data. Geophysical Research Letters, 30(13).
Gallardo, L. A., & Meju, M. A. (2004). Joint two‐dimensional DC resistivity and seismic travel time inversion with cross‐gradients constraints. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 109(B3).
Gallardo, L. A., & Meju, M. A. (2007). Joint two-dimensional cross-gradient imaging of magnetotelluric and seismic traveltime data for structural and lithological classification. Geophysical Journal International, 169(3), 1261-1272.
Gallardo, L. A., & Meju, M. A. (2011). Structure‐coupled multiphysics imaging in geophysical sciences. Reviews of Geophysics, 49(1).
Gross, L. (2019). Weighted cross-gradient function for joint inversion with the application to regional 3-D gravity and magnetic anomalies. Geophysical Journal International, 217(3), 2035-2046.
Hansen, P. C. (2010). Discrete inverse problems: insight and algorithms. Society for Industrial and Applied Mathematics.
Hu, W., Abubakar, A., & Habashy, T. M. (2009). Joint electromagnetic and seismic inversion using structural constraints. Geophysics, 74(6), R99-R109.
Joulidehsar, F., Moradzadeh, A., & Doulati Ardejani, F. (2018). An improved 3D joint inversion method of potential field data using cross-gradient constraint and LSQR method. Pure and Applied Geophysics, 175, 4389-4409.
Menichetti, V., & Guillen, A. (1983). Simultaneous interactive magnetic and gravity inversion. Geophysical Prospecting, 31(6), 929-944.
Molodtsov, D. M., Troyan, V. N., Roslov, Y. V., & Zerilli, A. (2013). Joint inversion of seismic traveltimes and magnetotelluric data with a directed structural constraint. Geophysical Prospecting, 61(6), 1218-1228.
Moorkamp, M., Heincke, B., Jegen, M., Roberts, A. W., & Hobbs, R. W. (2011). A framework for 3-D joint inversion of MT, gravity and seismic refraction data. Geophysical Journal International, 184(1), 477-493.
Oldenburg, D. W., & Li, Y. (2005). Inversion for applied geophysics: A tutorial. Near-surface geophysics, 89-150.
Oliver-Ocaño, F. M., Gallardo, L. A., Romo-Jones, J. M., & Pérez-Flores, M. A. (2019). Structure of the Cerro Prieto Pull-apart basin from joint inversion of gravity, magnetic and magnetotelluric data. Journal of Applied Geophysics, 170, 103835.
Saunders, J. H., Herwanger, J. V., Pain, C. C., Worthington, M. H., & De Oliveira, C. R. E. (2005). Constrained resistivity inversion using seismic data. Geophysical Journal International, 160(3), 785-796.
Shi, B., Yu, P., Zhao, C., Zhang, L., & Yang, H. (2018). Linear correlation constrained joint inversion using squared cosine similarity of regional residual model vectors. Geophysical Journal International, 215(2), 1291-1307.
Tavakoli, M., Kalateh, A. N., Rezaie, M., Gross, L., & Fedi, M. (2021). Sequential joint inversion of gravity and magnetic data via the cross‐gradient constraint. Geophysical Prospecting, 69(7), 1542-1559.
Vatankhah, S., Renaut, R. A., Huang, X., Mickus, K., & Gharloghi, M. (2022). Large-scale focusing joint inversion of gravity and magnetic data with Gramian constraint. Geophysical Journal International, 230(3), 1585-1611.
Vernant, P., Masson, F., Bayer, R., & Paul, A. (2002). Sequential inversion of local earthquake traveltimes and gravity anomaly—The example of the western Alps. Geophysical Journal International, 150(1), 79-90.
Wang, K. P., Tan, H. D., & Wang, T. (2017). 2D joint inversion of CSAMT and magnetic data based on cross-gradient theory. Applied Geophysics, 14, 279-290.
Wang, X., Fang, J., & Hsu, H. (2011). Three-dimensional crustal density distribution beneath North China by sequential inversion of local earthquake traveltimes and gravity anomaly. Earthquake Science, 24(2), 135-141.
Zhang, Y., & Wang, Y. (2020). Three-dimensional gravity-magnetic cross-gradient joint inversion based on structural coupling and a fast gradient method. Journal of Computational Mathematics, 758-777.
Zhou, J., Xiu, C., & Zhang, X. (2015). Simultaneous structure-coupled joint inversion of gravity and magnetic data based on a damped least-squares technique. International Journal of Geosciences, 6(02), 172.