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

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.).

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

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

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

15. 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.

16. 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.

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

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

19. 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.

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

21. 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.

22. 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.

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

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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.

38. 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.