ETD

Digital archive of theses discussed at the University of Pisa

 

Thesis etd-03202019-113324


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
MARSILI, AGNESE
URN
etd-03202019-113324
Thesis title
Modeling elastico e ricostruzione del modello di velocità 'near surface' tramite inversione delle onde superficiali
Department
SCIENZE DELLA TERRA
Course of study
GEOFISICA DI ESPLORAZIONE E APPLICATA
Supervisors
relatore Prof. Mazzotti, Alfredo
correlatore Prof. Stucchi, Eusebio Maria
correlatore Dott. Buia, Michele
controrelatore Prof. Aleardi, Mattia
Keywords
  • onde di superficie
  • fwi
  • full waveform inversion
  • inversion
  • inversione
  • genetic
  • wave
  • onde
  • surface
  • surface waves
  • dispersion curves
  • curve di dispersione
  • riflettività
  • reflectivity
  • differenze finite
  • finite differences
  • modeling
  • genetic algorithm
  • algoritmi genetici
Graduation session start date
12/04/2019
Availability
None
Release date
12/04/2089
Summary
Riassunto
La tesi tratta due temi principali: il modeling elastico delle onde superficiali e l’inversione di quest’ultime. Il flusso di lavoro ha previsto, prima, la scelta e la rappresentazione di due modelli geologici utilizzando proprietà realistiche, poi, il calcolo dei sismogrammi sintetici e, infine, l’inversione dei dati precedentemente simulati.
I primi modelli di sottosuolo sono stati costruiti attraverso l’analisi di relazioni geotecniche effettuate nell’area della bassa Pianura Padana. Queste descrivono la presenza di una falda superficiale a 4 m di profondità e una prevalente alternanza di strati sottili di argille e sabbie caratterizzate da rapporti Vp/Vs anche superiori a 10.
Gli altri modelli trattati sono stati ricavati dalla letteratura e si riferiscono ad aree caratterizzate da uno spesso strato di permafrost interrotto da un livello ghiaioso posizionato, nell’ambito della presente tesi, a tre profondità differenti.
Tutti i modelli geologici realizzati sono monodimensionali, quindi velocità delle onde, di taglio e compressionali, e densità variano soltanto in funzione della profondità.
Il modeling elastico è stato svolto utilizzando due diverse metodologie: finite differences method (FDM) e reflectivity method (ReMo). Lo scopo era quello di ricavare sismogrammi numericamente stabili in modo tale da ottenere poi dei buoni risultati dall’operazione di inversione.
Le maggiori complicazioni sono state riscontrate con il primo metodo in quanto dovevano essere soddisfatte le condizioni relative alla grandezza della griglia di modeling e al time interval e, al fine di ottenere modelli affidabili, utilizzare un numero di nodi della griglia per minima lunghezza d’onda (ppw) pari a 20. Per questo motivo, tra tutti i modelli analizzati, non è stato possibile realizzare il sismogramma sintetico della Pianura Padana a frequenze elevate perché, per quest’ultimo, il costo computazionale richiesto sarebbe risultato troppo elevato nonostante venissero utilizzati dei supercomputer. Questa prima parte del lavoro è stata sviluppata presso la sede Eni di San Donato Milanese utilizzando gli High Performance Computer (HPC) del Green Data Center.
I modelli calcolati tramite il reflectivity method sono stati utilizzati in un primo momento per confronto e validazione dei modelli precedentemente descritti, questo perché il modeling ReMo risulta essere molto più stabile e affidabile in presenza di strati orizzontali piano paralleli.
La parte finale del lavoro di tesi si è concentrata sul processo di inversione di tutti i dati sismici sintetici precedentemente generati. In particolare, sono state invertite le curve di dispersione delle onde di Rayleigh utilizzando un metodo stocastico di ottimizzazione globale che si basa sui neighbourhood algorithms. I risultati ottenuti, nonostante siano state utilizzate delle curve di dispersione con un ristretto range di frequenze, riescono a ricostruire il modello di partenza nel caso in cui vengono posti dei vincoli alle velocità, ovvero facendo in modo che si discostino al massimo di 500 m/s dai valori veri.

Abstract
The thesis deals with two main themes: the elastic modeling of the surface waves and the inversion of the latter. First of all, the workflow involved the choice and the representation of two geological models using realistic properties, then the calculation of synthetic seismograms and, finally, the inversion of previously simulated data.
The first subsoil models were built through the analysis of geotechnical relationships carried out in the area of the Pianura Padana. These describe the presence of a surface water table at 4 m depth and a prevalent alternation of thin layers of clays and sand characterized by Vp/Vs ratios even higher than 10.
The other treated models have been taken from the literature and refer to areas characterized by a thick layer of permafrost interrupted by a gravelly level positioned at three different depths.
All the geological models realized are one-dimensional, so shear and compressional wave velocities and densities vary only with depth.
Elastic modeling was performed using two different methodologies: finite differences method (FDM) and reflectivity method (ReMo). The aim was to obtain numerically stable seismograms in order to achieve good results from the inversion.
More complications were found with the first method because the conditions relating to the size of the modeling grid and the time interval had to be respected and, in order to obtain reliable models, we had to use a grid point number for minimum wavelength (ppw) equal to 20. For this reason, among all the models analysed, it was not possible to realize the synthetic seismogram of the Pianura Padana at high frequencies because the required computational cost would have been too high even if supercomputers were used. This first part of the work was developed at the Eni headquarters in San Donato Milanese even using the High Performance Computers (HPC) of the Green Data Center.
The models calculated using the reflectivity method were first used for comparison and validation of the models previously described, this because the ReMo modeling is much more stable and reliable in a horizontally layered medium.
The final part of the thesis work focused on the inversion of all the previously generated synthetic seismic data. In particular, the dispersion curves of Rayleigh waves were calculated in order to use a stochastic global search method based on neighbourhood algorithms. The results obtained, despite being used the dispersion curves with narrow range of frequencies, are able to reconstruct the starting model in the case where the velocities are constrained in ranges that not differ from the true values by more than 500 m/s.
File