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Tesi etd-10212013-151335


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
ALDOVARDI, GIANFRANCO
URN
etd-10212013-151335
Title
CARATTERIZZAZIONE ELASTICA DI FONDALI MARINI MEDIANTE SISMICA A RIFRAZIONE E FULL WAVEFORM INVERSION APPLICATA A DATI DI SISMICA A RIFLESSIONE
Struttura
SCIENZE DELLA TERRA
Corso di studi
GEOFISICA DI ESPLORAZIONE E APPLICATA
Commissione
relatore Prof. Mazzotti, Alfredo
correlatore Dott. Aleardi, Mattia
controrelatore Prof. Caiti, Andrea
Parole chiave
  • full waveform inversion
  • genetic algorithm
  • caratterizzazione fondali marini
Data inizio appello
08/11/2013;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi si propone di studiare le proprietà della parte superficiale dei fondali marini (200-300 m di profondità a partire dal fondo mare), mediante metodologie di Sismica a Rifrazione e Full Waveform Inversion (FWI) applicate a dati di sismica a riflessione. Queste tecniche vengono in primo luogo sperimentate per lo studio di tre diversi modelli geologici di fondo mare reperiti dal database dell&#39; Ocean Drilling Program (ODP). I dati a disposizione sono gli spessori degli strati, le velocità delle onde sismiche compressionali P e le densità. A partire da queste due ultime quantità, tramite le formule di Hamilton, si possono ricavare le velocità di taglio S. <br>Per quanto riguarda la rifrazione, ho analizzato approfonditamente la cinematica dei first break, osservando in quale misura i parametri di profondità fondo mare, spessore e velocità dei vari strati influenzano le relazioni tempi-distanze di arrivo delle rifrazioni. Inoltre, utilizzando un caso di riferimento, ho analizzato in dettaglio le ambiguità del metodo e la funzione oggetto impiegata nella fase di inversione. <br>Lo studio della rifrazione ha permesso di osservare i limiti di tale metodo nell&#39;indagine delle prime centinaia di metri di profondità in fondali marini. Tali limiti, ben conosciuti in letteratura, consistono nell&#39;incapacità di individuare interfacce caratterizzate da inversione di velocità, strati sottili e/o a bassa velocità.<br>Passando alla simica a riflessione, ho valutato le potenzialità della tecnica FWI nella determinazione dello spessore e delle proprietà elastiche dei layers. <br>Il metodo FWI, sfruttando l&#39;intero campo d&#39;onda (comprendente l&#39;informazione cinematica e dinamica) ed attraverso un processo di inversione iterativo, ricava informazioni quantitative circa le proprietà fisiche dei mezzi, come le velocità delle onde compressionali e di taglio, VP e VS.<br>Per non inserire ulteriori incognite nel problema di inversione (come, ad esempio, il Fattore di Qualità che, come noto in letteratura, risulta difficilmente stimabile) si è scelto di considerare i modelli totalmente elastici. Inoltre, essendoci limitati alle prime centinaia di metri di profondità del fondale marino, i modelli geologici sono considerati 1D, cioè le proprietà fisiche variano solo nella direzione della profondità. <br>Partendo da codici precedentemente sviluppati, è stato realizzato un codice di inversione iterativo basato su Algoritmi Genetici (GA) che mira a risolvere il problema di inversione tramite un processo di ottimizzazione della funzione di misfit ricavata dalla comparazione fra il dato osservato e un dato calcolato. Il problema diretto viene risolto utilizzando il metodo della riflettività. <br>In parallelo, vengono utilizzati i principi della Statistica Bayesiana per cercare di stimare le Densità di Probabilità a Posteriori (PPD) dei singoli parametri in gioco. Infatti, lo scopo di un&#39;inversione non è solo quello di trovare un modello di best-fitting ma anche quello di caratterizzare l&#39;incertezza del risultato di inversione.<br>Il lavoro di tesi valuta le tecniche sopra descritte sia su dati osservati costituiti da sismogrammi sintetici, calcolati a partire dai modelli geologici dell&#39;ODP, che da sismogrammi reali.<br>I casi sintetici considerati sono tre: nel primo lo spessore degli strati è considerato incognito, mentre nel secondo e terzo caso l&#39;incognita spessore è eliminata. La differenza tra il secondo e terzo caso, sta nel fatto che nel terzo viene aggiunto rumore random al dato osservato.<br>La stima dello spessore produce una sovraparametrizzazione del problema provocando un&#39;eccessiva dilatazione dello spazio dei modelli, l&#39;aggiunta di ulteriori minimi locali e l&#39;ambiguità legata a diverse possibili combinazioni di spessori e velocità che determinano la medesima risposta. In pratica, ciò aumenta significativamente la non linearità del problema inverso.<br>I risultati delle varie prove di inversione sui casi sintetici confermano quanto detto e la stima corretta degli spessori e delle velocità della stratificazione risulta praticamente impossibile. L&#39;eliminazione del parametro spessore dal problema di inversione comporta un miglioramento nei risultati, in quanto si riescono a stimare i vari parametri e le relative PPD con maggior accuratezza. Questo viene nuovamente confermato anche nelle prove in cui viene aggiunto rumore al dato registrato.<br>Il dato reale analizzato proviene da una acquisizione sismica a riflessione eseguita, per conto della società E.N.I., nel mare Adriatico Centrale nel 1999. <br>Il sismogramma reale, consistente in un singolo common shot, viene continuamente confrontato con il dato calcolato nel problema diretto, a partire da un modello a strati costanti. Infatti, nell&#39;inversione del dato reale, l&#39;incognita spessore è eliminata attraverso l&#39;imposizione di uno spessore costante determinato seguendo criteri di risoluzione a partire dalla frequenza centrale della forma d&#39;onda.<br>Come noto da recenti lavori, uno dei problemi nel processo di inversione riguarda il match tra l&#39;ondina reale e quella inserita nel calcolo dei sismogrammi predetti. Questa problematica costituisce un ambito di ricerca ampiamente discusso in letteratura ed in continuo sviluppo.<br>Nell&#39;ambito di questa tesi si è cercato di risolvere parzialmente questo problema usando differenti criteri di misfit (ad esempio, utilizzando l&#39;inviluppo delle tracce che permette di evitare la necessità di conoscere la fase della forma d&#39;onda).<br>Al fine di vincolare e velocizzare l&#39;inversione si è usato, come informazioni a priori, il campo di velocità VP e densità ρ a bassa risoluzione, ottenuto in un altro lavoro di tesi.<br>Pur non avendo informazioni sperimentali dettagliate sulle VP e sulle densità, e nessuna informazione sulle VS del fondo mare, necessarie per una validazione definitiva del risultato di inversione , si osserva un modello stratificato con valori di VP, VS e ρ fisicamente plausibili che risultano da un buon match tra dato osservato e dato calcolato.<br>Quindi, la metodologia, seppur promettente, nel caso di applicazione a dati reali richiede ulteriori approfondimenti, test e convalide su altri dataset.
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