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Título: Desenvolvimento de metodologia de tomografia sísmica para aplicações rasas
Autor(es): Oliveira, Danilo Portela de
Orientador(es): Rocha, Marcelo Peres
Coorientador(es): Marotta, Giuliano Sant'Anna
Assunto: Tomografia sísmica
Geofísica - modelagem
Data de apresentação: 9-Mai-2022
Data de publicação: 24-Nov-2022
Referência: OLIVEIRA, Danilo Portela de. Desenvolvimento de metodologia de tomografia sísmica para aplicações rasas. 90 f., il. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Geofísica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2022.
Resumo: Muitas tarefas em geociências aplicadas não podem ser resolvidas por medições únicas, mas requerem a integração de métodos geofísicos, geotécnicos e hidrológicos. As técnicas de simulação numérica são essenciais tanto para o planejamento e interpretação,quanto para o entendimento do processo de métodos geofísicos modernos. Essas tendências incentivam arquiteturas de softwarea bertas, simples e modernas visando uma interface uniforme para modelagem interdisciplinar e flexível e abordagens de inversão.Para desenvolver os modelos sintéticos, e para realizar a inversão dos tempos de percurso(sintéticos e reais), nós utilizamos o pyGIMLi (Python Library for Inversion and Modeling in Geophysics), um framework de código aberto que fornece ferramentas para modelagem e inversão de vários métodos geofísicos, mas também hidrológicos. O componente de modelagem fornece gerenciamento de discretização e a base numérica para solucionadores de elementos finitos e volumes finitos em 1D, 2D e 3D em malhas estruturadas arbitrariamente. A estrutura de inversão generalizada resolve o problema de minimização comum algoritmo de Gauss-Newton para qualquer operador físico direto e oferece oportunidades para análises de incerteza e resolução. Requisitos mais gerais, como estratégia de regularização flexíveis, processamento de time-lapse e diferentes tipos de métodos individuais de acoplamento são fornecidos independentemente dos métodos reais usados.Dessa forma, nos desafiamos no desenvolvimento de metodologia de tomografia sísmica para aplicações rasas, visto que aplicações em escala rasa, no entanto não são frequentes na academia (mas é comum para a iniciativa privada), provavelmente devido à complexidade da aquisição de dados, uma vez que dependem de fontes artificiais que consigam gerar ondas que viajem nas profundidades de interesse, ou por existir métodos alternativos mais viáveis. Ainda mais rara é a utilização de tomografia sísmica em escala mais rasa (próxima a superfície), como no caso de estudos geotécnicos, provavelmente devido à grande quantidade de métodos alternativos que se encontram disponíveis. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de tomografia sísmica para aquisição e processamento de dados em profundidades rasas (menores que 20 metros). Inicialmente desenvolvemos a técnica de maneira sintética (ou seja, teórico-computacional, em que fazendo uso da framework pyGIMLi, elaboramos um software, tal que esse por sua vez,fosse capaz de gerar mapas de anomalias de velocidade que possam representar alvos enterrados, e estabelecer um esquema de aquisição que permita resolver esses alvos) e de-pois com os parâmetros bem definidos, fizemos aquisição em local com alvo conhecido na área nos fundos do Observatório Sismológico no Campus Darcy Ribeiro da Universidade de Brasília (UnB). Analisamos os modelos sintéticos que foram gerados para estabelecer a geometria que seria capaz de representar o alvo e a partir dessa geometria, realizamos o campo com alvo (bloco de concreto) conhecido. Os resultados da tomografia sísmica por tempo de percurso dos dados de campo tiveram resultados satisfatórios, pois assim como previsto nos modelos sintéticos, nos mapas reais de tomografia sísmica também foi possível observar a anomalia de alta velocidade, que ocorre porque o alvo apresenta uma densidade diferente do solo circundante fazendo com que exista contraste de velocidade suficiente para que este seja diferenciado com a tomografia sísmica por tempo de percurso. Mas recomendamos que novos testes sejam realizados futuramente. Então, em um primeiro momento, o desenvolvimento da metodologia de tomografia sísmica para aplicações rasas mostrou-se promissora, visto que conseguimos imagear o bloco de concreto.
Abstract: Many tasks in applied geosciences cannot be solved by single measurements, but require the integration of geophysical, geotechnical and hydrological methods. Numerical simulation techniques are essential both for planning and interpretation, as well as for the process understanding of modern geophysical methods. These trends encourage open,simple, and modern software architectures aiming at a uniform interface for interdiscipli-nary and flexible modelling and inversion approaches. To develop the synthetic models,and to carry out the inversion of the travel times (synthetic and real), we used the library pyGIMLi (Python Library for Inversion and Modelling in Geophysics), an open-source framework that provides tools for modelling and inversion of various geophysical but also hydrological methods. The modelling component supplies discretization management and the numerical basis for finite-element and finite-volume solvers in 1D, 2D and 3D on arbi-trarily structured meshes. The generalized inversion framework solves the minimization problem with a Gauss-Newton algorithm for any physical forward operator and provides opportunities for uncertainty and resolution analyses. More general requirements, such as flexible regularization strategies, time-lapse processing and different sorts of coupling individual methods are provided independently of the actual methods used. That way,we challenge ourselves in the development of seismic tomography methodology for shal-low applications, since shallow-scale applications, however, are not frequent in academia(but are common for the private enterprises), probably due to the complexity of data acquisition, since they depend on artificial sources that can generate waves that travel at the depths of interest, or because there are more viable alternative methods. Even rarer is the use of shallow-scale seismic tomography (close to the surface), as in the case of geotechnical studies, probably due to the large number of alternative methods that are available. The objective of this work was to develop a seismic tomography methodology for data acquisition and processing at shallow depths (less than 20 meters). Initially, we developed the technique in a synthetic way (that is, theoretical-computational, in which,making use of the pyGIMLi framework, we developed a software, such that this, in turn,was capable of generating maps of anomalies of velocity that can represent buried tar-gets, and establish an acquisition scheme that allows solving these targets) and then,with well-defined parameters, we made acquisition in a location with a known target in the area behind the Seismological Observatory on the Darcy Ribeiro Campus of theUniversity of Brasília (UnB). We analyzed the synthetic models that were generated to establish the geometry that would be able to represent the target and from this geometry,we performed the field with a known target (concrete block). The results of the seismic tomography by travel time of the field data had satisfactory results, as well as predicted in the synthetic models, in the real maps of seismic tomography it was also possible to observe the high-velocity anomaly, which occurs because the target has a different density of the surrounding ground so that there is sufficient velocity contrast for it to be differen-tiated with travel time seismic tomography. But we recommend that new tests be carried out in the future. So, at first, the development of seismic tomography methodology for shallow applications proved to be promising, since we were able to image the concrete block.
Informações adicionais: Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2022.
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