References

geophystech

Геофизические технологии

Russian Journal of Geophysical Technologies

2619-1563

IPGG SB RAS

10.18303/2619-1563-2024-3-46

geophystech-369

Research Article

Статьи

Анализ подходов решения прямой задачи на основе сравнения результатов двух алгоритмов сейсмической томографии

Analysis of approaches to solving a forward problem based on a comparison of the results of two seismic tomography algorithms

https://orcid.org/0000-0002-8410-4012

Потапова

К. Ю.

Potapova

K. Yu.

Потапова Кристина Юрьевна – младший научный сотрудник НОЦ НГУ. Основные научные интересы: сейсмическая лучевая томография, итерационные алгоритмы лучевой томографии

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1, Россия; 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Kristina Yu. Potapova

Pirogova Str., 1, Novosibirsk, 630090; Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

PotapovaKY@ipgg.sbras.ru

https://orcid.org/0000-0003-4324-3240

Абраменков

С. С.

Abramenkov

S. S.

Абраменков Сергей Сергеевич – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории обработки и анализа сейсмических данных научно-образовательного центра “Газпромнефть-НГУ”. Основные интересы: обработка сейсмических данных, физические механизмы сейсмичности, анализ когерентности волнового поля

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1, Россия; 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Pirogova Str., 1, Novosibirsk, 630090; Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

https://orcid.org/0000-0002-7752-5898

Чернышов

Г. С.

Chernyshov

G. S.

Чернышов Глеб Станиславович – научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики. Основные научные интересы: сейсмическая лучевая томография, обработка данных вибрационной сейсморазведки, контроль качества сейсмических данных, метод отраженных волн

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1, Россия; 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Pirogova Str., 1, Novosibirsk, 630090; Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

https://orcid.org/0000-0001-5672-7813

Дергач

П. А.

Dergach

P. A.

Дергач Петр Александрович – научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики. Основные научные интересы: сейсмический мониторинг, локальная сейсмология, сейсмометрия, инженерная сейсморазведка

630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

https://orcid.org/0000-0002-4181-8365

Медведь

И. В.

Medved

I. V.

Медведь Ирина Викторовна – заведующая лабораторией обработки и анализа сейсмических данных НОЦ ГПН НГУ. Старший научный сотрудник лаборатории сейсмической томографии. Основные научные интересы: сейсмическая томография, структура коры и мантии, коллизионные процессы, эволюция Земли

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1, Россия; 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Pirogova Str., 1, Novosibirsk, 630090; Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

https://orcid.org/0000-0001-7489-9731

Ступина

Т. А.

Stupina

T. A.

Ступина Татьяна Александровна – кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией сейсмической томографии. Основные научные интересы: геостатистика, обработка и анализ сейсмических данных, методы построения оценок качества моделей

630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Koptyug Ave., 3, Novosibirsk, 630090

Новосибирский государственный университет; Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАНРоссияNovosibirsk State University; Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, SB RASRussian Federation

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАНРоссияTrofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, SB RASRussian Federation

2024

11122024

034664

2024

Потапова К.Ю., Абраменков С.С., Чернышов Г.С., Дергач П.А., Медведь И.В., Ступина Т.А.

Potapova K.Y., Abramenkov S.S., Chernyshov G.S., Dergach P.A., Medved I.V., Stupina T.A.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.rjgt.ru/jour/article/view/369

Метод лучевой сейсмической томографии позволяет строить модели аномалий скорости сейсмических волн в среде и выдвигать гипотезы о ее геологическом строении. В процессе томографической инверсии выбранный способ и качество решения прямой задачи существенно влияют на итоговый результат, который для одного и того же набора данных может различаться. Цель данной работы состоит в исследовании влияния метода решения прямой задачи на результат инверсии на примере двух алгоритмов: PROFIT (трассирование методом изгиба луча) и ST3D (трассирование через решение уравнения эйконала) по полевым данным (п. Бельтир, Республика Алтай, 2021 г.).

The seismic ray tomography method provides a way to construct models of velocity anomalies in the geological medium to provide hypotheses about structure beneath. In the tomographic inversion process the chosen approach and quality of the forward problem solution significantly affects final result which may vary for the same dataset. The aim of this paper is to study the influence of the choice in forward problem solving method on the inversion result using two algorithms as an example: PROFIT (ray-bending technique) and ST3D (tracing via eikonal equation solution), using field data (Beltir, Altai Republic, 2021).

сейсмическая томографиятрассирование методом изгиба лучарешение уравнения эйконалаинверсиясейсмическая структураобъемные волны

seismic tomographyray-bending tracingeikonal equation solutioninversionseismic structurebody waves

Обработка данных проведена в рамках государственного задания по проекту ФНИ FWZZ-2022-0017. Сравнительный анализ результатов был выполнен при поддержке проекта FSUS-2022-0019.

The study was carried out as part of government assignment to the Russian Academy of Sciences in basic research (Project FWZZ-2022-0017) and within the framework of the state assignment of the Laboratory of Processing and Analysis of Seismic Data of NSU No. FSUS 2022-0019.

References1

Боровских А.В. Уравнение эйконала в неоднородной среде // Доклады Академии наук. 2003. Т. 391, № 5. С. 587–590.

Borovskikh A.V. The Eikonal equation in an inhomogeneous medium // Doklady Mathematics. 2003. Vol. 68 (1). P. 103–106.

Буслов М.М., Зыкин В.С., Новиков И.С., Дельво Д. Структурные и геодинамические особенности формирования Чуйской межгорной впадины Горного Алтая в кайнозое // Геология и геофизика. 1999. Т. 40, № 12. С. 1720–1736.

Buslov M.M., Zykin V.S., Novikov I.S., Delvaux D. The Cenozoic history of the Chuya depression (Gorny Altai): structure and geodynamics // Russian Geology and Geophysics. 1999. Vol. 40 (12). P. 1720–1736.

Волчкова В.А., Шишкина М.А. Лучевая сейсмическая томография синтетических данных, характерных для Западной Сибири: отработка алгоритма сейсмической инверсии с адаптивной параметризацией среды вейвлет-функциями, подбор параметров инверсии // Проблемы геокосмоса: Материалы 13-ой международной школы-конференции. СПб.: ООО «Издательство ВВМ», 2021. С. 17–28.

Chebotareva I.Ya. Ray tracing methods in seismic emission tomography // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2018. Vol. 54 (2). P. 201–213. doi:10.1134/S1069351318020040.

Деев Е.В., Неведрова Н.Н., Зольников И.Д., Русанов Г.Г., Пономарев П.В. Геоэлектрические исследования отложений Чуйской котловины (Горный Алтай) // Геология и геофизика. 2012. Т. 53, № 1. С. 120–139.

Chernyshov G.S., Duchkov A.A., Koulakov I.Yu. Choosing optimal model parameterization for improving the accuracy of refraction seismic tomography // Near Surface Geophysics. 2022. Vol. 20 (2). P. 135–146. doi:10.1002/nsg.12196.

Дергач П.А., Яскевич С.В., Яблоков А.В. Изучение структуры скоростного разреза с разрывным нарушением, образовавшимся в результате Чуйского землетрясения 2003 года // Интерэкспо Гео-Сибирь. Новосибирск, 2022. Т. 2, № 2. С. 108–114.

Cervený V. Seismic ray theory. Cambridge University Press, Cambridge, 2001. Vol. 110. doi:10.1017/CBO9780511529399.

Захаров В.Н., Аверин А.П., Вартанов С.А. Анализ алгоритмов лучевой томографии для прогноза нарушенности выемочного столба // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно технический журнал). 2010. № 3. С. 183–190.

Deev E.V., Nevedrova N.N., Zolnikov I.D., Rusanov G.G., Ponomarev P.V. Geoelectrical studies of the Chuya basin sedimentary fill (Gorny Altai) // Russian Geology and Geophysics. 2012. Vol. 53 (1). P. 92–107. doi:10.1016/j.rgg.2011.12.007.

Зольников И.Д., Деев Е.В., Лямина В.А. Новые данные о четвертичном морфолитогенезе в Чуйской котловине (Горный Алтай) // Геология и геофизика. 2010. Т. 51, № 4. С. 437–449.

Dergach P.A., Yaskevich S.V., Yablokov A.V. Study of the structure of a velocity section with a fault formed as a result of the 2003 Chuya earthquake // Inter Expo Geo-Siberia (In Russ.). Novosibirsk, 2022. Vol. 2 (2). P. 108–114.

Кулаков И.Ю. BASIC TOMO: обучающая программа для изучения роли свободных параметров и систем наблюдения в задачах томографии // Геофизические технологии. 2020. № 1. С. 40–54. doi:10.18303/2619-1563-2020-1-40.

Guedes V.J.C.B., Maciel S.T.R., Rocha M.P. Refrapy: A Python program for seismic refraction data analysis // Computers & Geosciences. 2022. Vol. 159. Article 105020. doi:10.1016/j.cageo.2021.105020.

Куликов В.А., Хогоев Е.А., Сальников А.С., Сагайдачная О.М., Дунаева К.А., Шемякин М.Л., Яскевич С.В. Результаты исследования трещиноватой зоны Чуйского землетрясения и их приложение к решению задач нефтегазовой геологии Сибирской платформы // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. 2011. № 3. С. 23–30.

Higuera-Díaz I.C., Carpenter P.J., Thompson M.D. Identification of buried sinkholes using refraction tomography at Ft. Campbell Army Airfield, Kentucky // Environmental Geology. 2007. Vol. 53. P. 805–812. doi:10.1007/s00254-007-0693-y.

Неведрова Н.Н., Шалагинов, А.Е. Мониторинг электромагнитных параметров в зоне сейсмической активизации Горного Алтая // Геофизика. 2015. № 1. С. 31–40.

Julian B.R., Gubbins D. Three-dimensional seismic ray tracing // Journal of Geophysics. 1977. Vol. 43 (1). P. 95–113.

Никитин А.А., Сердюков А.С., Дучков А.А. Параллельный алгоритм решения уравнения эйконала для трехмерных задач сейсморазведки // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. 2015. Т. 13, № 3. С. 19–28.

Kissling E., Husen S., Haslinger F. Model parametrization in seismic tomography: a choice of consequence for the solution quality // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2001. Vol. 123 (2–4). P. 89–101. doi:10.1016/S0031-9201(00)00203-X.

Никитин А.А., Сердюков А.С., Дучков А.А. Оптимизация алгоритма лучевой сейсмической томографии для современных высокопроизводительных вычислительных систем // Байкальская молодежная научная конференция по геологии и геофизике. Улан-Удэ: Издательство Бурятского государственного университета, 2017. С. 178–180.

Koulakov I. LOTOS code for local earthquake tomographic inversion: Benchmarks for testing tomographic algorithms // Bulletin of the Seismological Society of America. 2009. Vol. 99 (1). P. 194–214. doi:10.1785/0120080013.

Никитин А.А., Дучков А.А., Кулаков И.Ю., Василевский А.Н. Развитие программных средств для сейсмической томографии // Геодинамика. Геомеханика и геофизика: Материалы XVIII Всероссийского семинара. Новосибирск, 2018. С. 19–20.

Koulakov I., Stupina T., Kopp H. Creating realistic models based on combined forward modeling and tomographic inversion of seismic profiling data // Geophysics. 2010. Vol. 75 (3). P. B115–B136. doi:10.1190/1.3427637.

Никитин А.А., Дучков А.А., Кулаков И.Ю., Чернышов Г.С. ST3D: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2020.

Koulakov I., Kopp H., Stupina T. Finding a realistic velocity distribution based on iterating forward modelling and tomographic inversion // Geophysical Journal International. 2011. Vol. 186 (1). P. 349–358. doi:10.1111/j.1365-246X.2011.05034.x.

Никитин А.А., Епонешникова Л.Ю., Дучков А.А. Разработка и тестирование библиотеки алгоритмов сейсмической томографии // Сейсморазведка в Сибири и за ее пределами: Материалы научно-практической конференции. Красноярск: Сиб. Федер. Ун-т, 2023. С. 122–128.

Kulakov I.Yu. BASIC TOMO: an educational tool for investigating the role of controlling parameters and observation geometry in tomography problems // Russian Journal of Geophysical Technologies. 2020. No. 1. P. 40–54. doi:10.18303/2619-1563-2020-1-40.

Санфиров И.А., Ярославцев А.Г., Ахматов А.Е., Бабкин А.И., Голдобин А.А., Миньков С.И. Импульсный пороховой источник упругих колебаний. Патент 2439620 РФ. 2012.

Kulikov V.A., Khogoev E.A., Salnikov A.S., Sagaydachnaya O.M., Dunaeva K.A., Shemyakin M.L., Yaskevich S.V. Studies of the Chuya earthquake fractured zone and their application to petroleum geology problem solving on the Siberian Platform // Geology and Mineral Resources of Siberia. 2011. No. 3. P. 23–30.

Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягода А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990. 232 с.

Liu J.-S., Liu F.-T., Liu J., Hao T.-Y. Parallel LSQR algorithms used in seismic tomography // Chinese Journal of Geophysics. 2006. Vol. 49 (2). P. 483–488. doi:10.1002/cjg2.858.

Чеботарева И.Я. Методы трассировки лучей в эмиссионной сейсмической томографии // Физика Земли. 2018. № 2. С. 12–24. doi:10.7868/S0002333718020023.

Meléndez A., Korenaga J., Sallarès V., Miniussi A., Ranero C.R. TOMO3D: 3-D joint refraction and reflection traveltime tomography parallel code for active-source seismic data—synthetic test // Geophysical Journal International. 2015. Vol. 203 (1). P. 158–174. doi:10.1093/gji/ggv292.

Nevedrova N.N., Shalaginov A.E. Monitoring of electromagnetic parameters in the seismic activation zone of Gorny Altai // Geophysics. 2015. No. 1. P. 31–40.

Cervený V. Seismic ray theory. Cambridge University Press, Cambridge, 2001. Vol. 110. doi:10.1017/CBO9780511529399.

Nikitin A.A., Serdyukov A.S., Duchkov A.A. Parallel algorithm of three-dimensional eikonal solver for seismic applications // Bulletin of the Novosibirsk State University. Series: Information Technologies. 2015. Vol. 13 (3). P. 19–28.

Guedes V.J.C.B., Maciel S.T.R., Rocha M.P. Refrapy: A Python program for seismic refraction data analysis // Computers & Geosciences. 2022. Vol. 159. Article 105020. doi:10.1016/j.cageo.2021.105020.

Nikitin A.A., Serdyukov A.S., Duchkov A.A. Optimization of the ray seismic tomography algorithm for modern high-performance computing systems // Baikal Young Scientists Conference on Geology and Geophysics: Proceedings of the IV All-Russian youth scientific conference (In Russ.). Ulan-Ude, 2017. P. 178–180.

Nikitin A.A., Serdyukov A.S., Duchkov A.A. Cache-efficient parallel eikonal solver for multicore CPUs // Computational Geosciences. 2018. Vol. 22 (5). P. 775–787. doi:10.1007/s10596-018-9725-9.

Julian B.R., Gubbins D. Three-dimensional seismic ray tracing // Journal of Geophysics. 1977. Vol. 43 (1). P. 95–113.

Nikitin A.A., Duchkov A.A., Koulakov I.Yu., Vasilevskiy A.N. Development of seismic tomography software // Geodynamics. Geomechanics and Geophysics: Proceedings of the XVIII All-Russian Workshop (In Russ.). Novosibirsk, 2018. P. 19–20.

Nikitin A.A., Duchkov A.A., Kulakov I.Yu., Chernyshov G.S. ST3D: Certificate of state registration of a computer program (In Russ.). 2020.

Nikitin A.A., Eponeshnikova L.Yu., Duchkov A.A. Development and testing of a library of seismic tomography algorithms // Seismic Exploration in Siberia and Beyond: Proceedings of the Science Conference (In Russ.). Krasnoyarsk, 2023. P. 122–128.

Paige C.C., Saunders M.A. LSQR: An algorithm for sparse linear equations and sparse least squares // ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS). 1982. Vol. 8 (1). P. 43–71. doi:10.1145/355984.35598.

Powers M., Burton B. Seismic refraction tomography inversion of blind test model traveltimes using two commercial programs // Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems 2011. Society of Exploration Geophysicists, 2011. P. 29.

Liu J.-S., Liu F.-T., Liu J., Hao T.-Y. Parallel LSQR algorithms used in seismic tomography // Chinese Journal of Geophysics. 2006. Vol. 49 (2). P. 483–488. doi:10.1002/cjg2.858.

Riad S., El-Haddad A.E., Abbas M.A., Said A.H. Structural modeling of seismic refraction investigations at Wadi Beda El Atshan area in the Eastern Desert, Egypt // International Journal of Geophysics and Geochemistry. 2017. Vol. 4 (1). P. 1–17.

Sanfirov I.A., Yaroslavtsev A.G., Akhmatov A.E., Babkin A.I., Goldobin A.A., Minkov S.I. Pulse powder source of elastic vibrations (In Russ.). 2012.

Nikitin A.A., Serdyukov A.S., Duchkov A.A. Cache-efficient parallel eikonal solver for multicore CPUs // Computational Geosciences. 2018. Vol. 22 (5). P. 775–787. doi:10.1007/s10596-018-9725-9.

Sheehan J.R., Doll W.E., Mandell W.A. An evaluation of methods and available software for seismic refraction tomography analysis // Journal of Environmental & Engineering Geophysics. 2005a. Vol. 10 (1). P. 21–34. doi:10.2113/JEEG10.1.21.

Sheehan J.R., Doll W.E., Watson D.B., Mandell W.A. Application of seismic refraction tomography to karst cavities // US geological survey karst interest group proceedings, Rapid City, South Dakota. 2005b. P. 29–38.

Soloviev V.M., Seleznev V.S., Kulakov I.Y., Liseikin A.V., Shenmayer A.E. Method, technology and results of engineering-seismic researches in industrial and hard to reach regions of Siberia // Near Surface Geoscience 2012: 18th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics. European Association of Geoscientists & Engineers. Paris, 2012. P. 13.

Tikhonov A.N., Goncharsky A.V., Stepanova V.V., Yagoda A.G. Numerical methods for solving ill-posed problems (In Russ.). Nauka, Moscow, 1990. 232 p.

Toto E.A., El Miloudi A., El Basri M., Hafid M., Zouhri L., El Mouraouah S., Iben Brahim A., Birouk A., Kasmi M. New geophysical and geological evidence for the present day southernmost active deformational front of the Rif thrust-and-fold belt and the oceanic accretionary prism of Cadiz: the Dhar Doum–Lalla Zahra fault, Northwestern Atlantic Coastal Morocco // Environmental Earth Sciences. 2012. Vol. 67. P. 2411–2422. doi:10.1007/s12665-012-1692-1.

Volchkova V.A., Shishkina M.A. Ray seismic tomography of synthetic data typical for Western Siberia: development of a seismic inversion algorithm with adaptive parameterization of the medium by wavelet functions, selection of inversion parameters // Problems of Geokosmos: Proceedings of the XIV Conference and School (In Russ.). St. Petersburg, 2021. P. 17–28.

White M.C., Fang H., Nakata N., Ben‐Zion Y. PyKonal: a Python package for solving the eikonal equation in spherical and Cartesian coordinates using the fast marching method // Seismological Research Letters. 2020. Vol. 91 (4). P. 2378–2389.

Zakharov V.N., Averin A.P., Vartanov S.A. Analysis of beam tomography algorithms for predicting the disturbance of an extraction column // Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal). 2010. No. 3. P. 183–190.

Zol’nikov I.D., Deev E.V., Lyamina V.A. New data on Quaternary morpholithogenesis in the Chuya basin (Gorny Altai) // Russian Geology and Geophysics. 2010. Vol. 51 (4). P. 339–348. doi:10.1016/j.rgg.2010.03.002.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.