وارون‌سازی دوبعدی داده‌های گرانی‌سنجی در شناسایی سنگ کف آبخوان‌ها (مطالعه موردی: بخشی از دشت قطروم استان یزد)

اولین قدم برای بررسی آبخوان‌ها و اکتشاف آب‌های زیرزمینی شناخت عمق و هندسه سنگ کف آن‌هاست. روش‌های ژئوفیزیک نقش مهمی در بررسی آبخوان‌ها ایفا می‌کنند. زیرا این روش‌ها یگانه راه شناسایی ساختارهای زیرسطحی عمیق با هزینه‌ای کمتر از روش‌های مستقیم، مثل حفاری، هستند. با توجه به پیچیدگی رسوبات آبرفتی از لحاظ جنس و دانه‌بندی و همچنین جنس و عمق سنگ کف، نحوه مدل‌سازی‌های ژئوفیزیکی و رسیدن به نتیجه مورد انتظار اهمیت بالایی دارد. حل مسائل نامعین، که تعداد پارامترهای ناشناخته بیشتر از تعداد مشاهدات و اندازه‌گیری‌ها باشد (به دلیل فقدان داده کافی)، بر اساس فیزیک مسئله، در دستگاه معادلات مشتقات جزئی امکان‌پذیر است. وارون‌سازی یکی از راه‌های مفید برای ایجاد یک مدل منطقی و ارتباط بین نتایج مشاهدات و اندازه‌گیری‌هاست. در تحقیق پیش رو، یک قالب برای حل مسائل وارون نامعین در نرم‌افزار کامسول ارائه می‌شود که در گستره وسیعی از سیستم‌های فیزیکی تابع قوانین معادله مشتقات جزئی کاربرد دارد. ابتدا با استفاده از چند مدل مصنوعی و ایجاد داده‌های مصنوعی (مدل‌سازی پیشرو) وارون‌سازی دوبعدی گرانی‌سنجی در نرم‌افزار کامسول اجرا و اعتبارسنجی شد. سپس با استفاده از داده‌های گرانی‌سنجی واقعی، که به صورت دوبعدی در بخشی از دشت قطروم برداشت شده است، ساختار جانبی سنگ‌ کف در طول دو پروفیل بررسی و با نمودار چاه‌های موجود در این پروفیل‌ها تطبیق داده شد. نتایج نشان داد این روش، ضمن سرعت بالا در محاسبات، قابلیت تفکیک مناطق با اختلاف چگالی کم را با دقت قابل قبول دارد.اولین قدم برای بررسی آبخوان‌ها و اکتشاف آب‌های زیرزمینی شناخت عمق و هندسه سنگ کف آن‌هاست. روش‌های ژئوفیزیک نقش مهمی در بررسی آبخوان‌ها ایفا می‌کنند. زیرا این روش‌ها یگانه راه شناسایی ساختارهای زیرسطحی عمیق با هزینه‌ای کمتر از روش‌های مستقیم، مثل حفاری، هستند. با توجه به پیچیدگی رسوبات آبرفتی از لحاظ جنس و دانه‌بندی و همچنین جنس و عمق سنگ کف، نحوه مدل‌سازی‌های ژئوفیزیکی و رسیدن به نتیجه مورد انتظار اهمیت بالایی دارد. حل مسائل نامعین، که تعداد پارامترهای ناشناخته بیشتر از تعداد مشاهدات و اندازه‌گیری‌ها باشد (به دلیل فقدان داده کافی)، بر اساس فیزیک مسئله، در دستگاه معادلات مشتقات جزئی امکان‌پذیر است. وارون‌سازی یکی از راه‌های مفید برای ایجاد یک مدل منطقی و ارتباط بین نتایج مشاهدات و اندازه‌گیری‌هاست. در تحقیق پیش رو، یک قالب برای حل مسائل وارون نامعین در نرم‌افزار کامسول ارائه می‌شود که در گستره وسیعی از سیستم‌های فیزیکی تابع قوانین معادله مشتقات جزئی کاربرد دارد. ابتدا با استفاده از چند مدل مصنوعی و ایجاد داده‌های مصنوعی (مدل‌سازی پیشرو) وارون‌سازی دوبعدی گرانی‌سنجی در نرم‌افزار کامسول اجرا و اعتبارسنجی شد. سپس با استفاده از داده‌های گرانی‌سنجی واقعی، که به صورت دوبعدی در بخشی از دشت قطروم برداشت شده است، ساختار جانبی سنگ‌ کف در طول دو پروفیل بررسی و با نمودار چاه‌های موجود در این پروفیل‌ها تطبیق داده شد. نتایج نشان داد این روش، ضمن سرعت بالا در محاسبات، قابلیت تفکیک مناطق با اختلاف چگالی کم را با دقت قابل قبول دارد.

2D inversion of gravity data in bedrock identification (case study: a part of Qotrum plain in Yazd province)

IntroductionThe gravity method measures the vertical component of the acceleration at the Earth rsquo;s surface. The earth rsquo;s gravity field is affected by the density of different rocks and structures. Therefore, this method can be used in mineral exploration or studying the subsurface cavities and structures such as bedrocks, channels, and dikes.Inverse modeling is useful in understanding the physical phenomena on earth and applies to various fields of earth science, including geophysical exploration, groundwater hydrology, and seismology. In forward modeling, we assume that all physical parameters are known, and various models can be simulated through physical laws and scientific relationships. Despite the direct measuring of unknown parameters in inverse modeling, we would like to know their spatial distribution.Recognition of bedrock depth and geometry in aquifers, is the first stage of groundwater investigation. Geophysical methods play a significant role in the investigation of aquifers because they are the only way to detect deep subsurface structures at much lower costs than the most direct methods like drilling. Due to the complexity of alluvial sediments in terms of type and grading as well as difference between type and depth of bedrock, geophysical modeling approach and achieving the expected result are very important. Undetermined inverse problems that the unknown parameters are more than the measured values, can be solved using problem physics in the partial differential equation (PDE) system. Inverse modeling is one of the useful solutions to create a logical model with relationships between observed and measured values. ResultIn this research, a template is presented to solve undetermined inverse problems using COMSOL multiphysics rsquo; optimization that can be used in modelling a wide range of physical systems governed by the partial differential equation laws. The results indicated that this method, while high in computational speed, can accurately discriminate between lowdensity contrast regions and the background. Flexible and fast processing is an advantage of this method. DiscussionIn this paper, gravity forward modeling will be implemented by solving Poisson rsquo;s equations with the appropriate boundary conditions, and then a methodology is presented for solving gravity inversion problems using COMSOL Multiphysics.COMSOL multiphysics does not include a gravity calculation module. However, since gravity and electrostatics are both governed by Poisson rsquo;s equation, a gravity model can be created in the electrostatics module by changing the electrical permittivity value.In inverse problems, if the number of unknown parameters is more than that of measurement values, the inverse problem is called underdetermined. The objective function for an underground inverse problem is the sum of a fitness and penalty term: The first term is equivalent to a weighted datafitting criterion, and the second term measures the smoothness of the field relative to the given variogram. The penalty term distinguishes between solutions with comparable fitness values in problems where the number of parameters, exceeds the number of measurement values.We will apply this technique to a 2D synthetic gravity model using the AC/DC module of COMSOL. In the gravity field, a common inverse problem is estimating the density of subsurface structure given measurements from the vertical component of gravitational acceleration. First of all, 2D inversion of gravity data has been run and validated in COMSOL software using some synthetic models and synthetic data in a forward modeling process. Afterwards, using real gravity data surveyed along two crosssections in a part of Qotrum plain, the bedrock lateral structure was estimated and inverted density values crosscorrelated with existing well logs. ConclusionUndetermined inverse problems in which the unknown parameters are more than the measured values can be solved using problem physics in the partial differential equation (PDE) system. This research, presented a template to solve undetermined inverse problems of 2D gravity data using COMSOL multiphysics rsquo; optimization applying in 2D or 3D modeling of a wide range of different underdetermined inverse geophysical problems. Despite the most inversion codes designed for a particular application, this method applies to a broad range of physical systems governed by PDEs.The main benefit of COMSOL for solving inverse problems is that, once a user is comfortable with the software, it can solve a wide range of physical problems. Additionally, COMSOL rsquo;s lsquo; lsquo;Multiphysics rsquo; rsquo; capabilities allow coupling intrinsically to several physical equations.