Inversion strategies for seismic surface waves and time-domain electromagnetic data with application to geotechnical characterization examples

Jeniffer Costa Barreto Viegas

Key information

Authors:

Jeniffer Costa Barreto Viegas (Jeniffer Costa Barreto Viegas)

Supervisors:

Giulio Vignoli; Jaime Alberto dos Santos (Jaime Alberto dos Santos); Julien Guillemoteau

Published in

February 18, 2022

Abstract

Os métodos geofísicos são amplamente utilizados para mapear a subsuperfície. A capacidade de investigar grandes áreas em pouco tempo e atingir profundidades significativas com boa resolução, os torna adequados para uma ampla gama de aplicações: desde estudos hidrológicos, exploração mineral, investigações arqueológicas até caracterizações geotécnicas. Infelizmente, a maioria dos métodos geofísicos são mal condicionados. Assim, para poder inverter efetivamente os dados geofísicos e obter modelos com significado da subsuperfície, é necessário incluir informações a priori no processo. Esta é a ideia básica por trás da teoria da inversão. Esta tese trata da inversão de dados de dois métodos geofísicos: Ondas Sísmicas de Superfície (SSW) e Eletromagnético no Domínio do Tempo (TDEM). O presente trabalho é composto por duas partes: (1) A primeira parte abrange possíveis implementações de um estabilizador do tipo do suporte de gradiente mínimo em uma rotina de inversão de SSW e sua extensão para a direção lateral. Por meio dessa nova abordagem, é possível ajustar o nível de esparsidade do modelo de velocidade reconstruído, fornecendo uma solução com as características desejadas ( com alterações suaves ou bruscas) em ambas as direções (vertical e lateral). A aplicabilidade da abordagem proposta foi testada através da inversão de dados sintéticos e reais. (2) A segunda parte da tese trata da interpretação conjunta dos dados SSW e TDEM para uma melhor caracterização geotécnica de uma área destinada à construção. Neste caso, os resultados da inversão SSW, juntamente com outros dados auxiliares, são utilizados como informação prévia para a posterior inversão dos dados TDEM. A ligação entre os diferentes dados é feita através de relações petrofísicas. Este trabalho é coerente com um dos objetivos da Agenda 2030 das Nações Unidas para o desenvolvimento sustentável [4], especificamente, o item 11b, pois a caracterização geotécnica é uma das componentes essenciais para o dimensionamento das obras de engenharia civil, assegurando a segurança e a resiliência necessárias aos desastres naturais e alterações climáticas. No entanto, o campo de aplicação das abordagens propostas é muito amplo, pois também podem ser usadas, por exemplo, para mapeamento de águas subterrâneas, bem como para avaliação de contaminação de aquíferos. Nesse sentido, o presente trabalho também está alinhado com os itens 6.1, 6.3 e 6.4 da Agenda 2030 da ONU. I metodi geofisici sono largamente utilizzati per mappare il sottosuolo. La loro capacità di investigare rapidamente grandi estensioni e di raggiungere profondità significative con ragionevoli risoluzioni li rende adatti a una vasta gamma di applicazioni: dagli studi idrogeologici, esplorazione mineraria, indagini archeologiche fino a caratterizzazioni geotecniche. Sfortunatamente, la gran parte dei metodi geofisici sono mal-posti. Di conseguenza, per invertire efficacemente i dati misurati e ottenere modelli significativi del sottosuolo, è necessario includere nel processo le informazioni a priori disponibili. Questa è l’idea di base dietro alla teoria dell’inversione. Questa tesi si concentra su due tipi di dati geofisici: misure derivate dallo studio delle Onde Sismiche Superficiali (SSW), e misure Elettromagnetiche nel Dominio del tempo (TDEM). Il presente lavoro consiste di due parti: (1) La prima riguarda possibili implementazioni del minimum gradient support stabilizer per l’inversione di dati SSW e la sua estensione al caso vincolato lateralmente. Attraverso questo nuovo approccio, è possibile regolare il livello di sparsità del modello di velocità ricostruito, producendo una soluzione con le caratteristiche desiderate (con variazioni lisce o con interfacce nette) in entrambe le direzioni (verticale e laterale). L’efficacia di questo approccio è stata testata sia su dati sintetici che effettivamente misurati. (2) La seconda parte della tesi è relativa all’interpretazione congiunta di dati SSW e TDEM per una migliore comprensione delle caratteristiche geotecniche di una zona interessata da un cantiere. In questo caso, i risultati SSW, insieme ad altre informazioni ancillari, sono stati usati come informazioni a priori per le successive inversioni di dati TDEM. A questo proposito, i risultati SSW sono stati tradotti in informazioni utili per l’inversione TDEM attraverso una relazione petrofisica. Questa ricerca è coerente con uno degli obiettivi dell’Agenda delle Nazioni Unite 2030 per lo sviluppo sostenibile [4], in particolare, il punto 11b; infatti, la caratterizzazione geotecnica è necessaria per assicurare la sicurezza e resilienza ai disastri naturali e ai cambiamenti climatici. In ogni caso, il campo di applicazione degli approcci proposti è vasto potendo essere usati, ad esempio, per la mappatura degli acquiferi e per la valutazione della loro contaminazione. In questo senso, la presente ricerca è compatibile anche con i punti 6.1, 6.3, e 6.4 dell’Agenda UN 2030. Geophysical methods are broadly used to map the subsurface. Their ability to investigate large areas in a short time and to reach significant depths with good resolution makes them suitable for a wide range of applications: from hydrological studies, mineral exploration, archaeological investigations to geotechnical characterization. Unfortunately, most of the geophysical methods are ill-posed. Thus, to be able to effectively invert the geophysical data and get meaningful models of the subsurface a priori information needs to be included in the process. This is the basic idea behind the inversion theory. This thesis deals with the inversion of two types of geophysical measurements: the Seismic Surface Waves (SSW) data and the Time Domain Electromagnetic (TDEM) observations. The present work consists of two parts: (1) The first one is about possible implementations of the minimum gradient support stabilizer into a SSW inversion routine and its extension to the laterally constrained case. By means of this novel approach, it is possible to tune the level of sparsity of the reconstructed velocity model, providing a solution with the desirable characteristics (smooth or sharp) in both directions (vertically and laterally). The capabilities of the proposed approach have been tested via applications on synthetic and measured data. (2) The second part of the thesis is about the joint interpretation of SSW and TDEM measurements for an improved geotechnical characterization of an area intended for construction. In this case, the SSW results, together with other ancillary data, are used as prior information for the subsequent inversion of TDEM measurements. In this respect, the SSW results have been translated into pieces of information to be used in the TDEM inversion via a petrophysical relationship. This work is coherent with one of the goals of the United Nations Agenda 2030 for sustainable development [4], specifically, the item 11b, as geotechnical characterization is one of the essential components for the design of civil engineering works, ensuring the necessary safety and resilience to natural disasters and climate change. However, the field of application of the proposed approaches is very broad as they can also be used, e.g., for groundwater mapping, as well as for the evaluation of aquifer contamination. In this respect, the present work is also in line with items 6.1, 6.3 and 6.4 of the 2030 UN Agenda.