Επιφανειακά κύματα: εφαρμογές σε περιβαλλοντικά και γεωτεχνικά προβλήματα

Abstract

This thesis deals with the development of inversion techniques for Rayleigh surface waves dispersion curves and the application of these techniques at areas of geotechnical and environmental interest, using the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method. Prototype algorithms for the complete processing of seismic records, using MASW method, were also developed. The core of these algorithms consists of an executable FORTRAN file, which implements the forward problem and dispersion curve inversion. This core is supported by algorithms in MATLAB™ for seismic data I/O, dispersion curves extraction and intermediate and/or final results management and display. Thus, this thesis describes in detail the implementation of MASW stages, giving emphasis on the inversion techniques for the estimation of vertical Vs distribution. More specifically, the implemented inversion techniques are: the usage of Quasi-Newton methods, the minimization of L1 or L2 norms, the application of smoothing, damping and blocky constrains and their combinations, as well as weighting inversion using data errors and/or the values of Jacobian matrix. Furthermore, the user is allowed to delineate the initial model with flexibility, providing also the ability of any a-priori geophysical or/and geotechnical information usage. The prototype algorithms and the methodology, developed within the framework of this thesis, were examined using synthetic dispersion curves as well as synthetic seismic records. Subsequent tests involved for the evaluation of the inversion results for real data, collected close to a cross-hole survey. These data were inverted using the developed algorithms and commercial processing software. The proposed methodology of seismic processing with MASW method including 2 different inversion techniques (damping and combination of blocky constrain with L1 norm minimization), was applied at 3 areas of environmental and 4 areas of geotechnical interest. The main conclusions deduced from this thesis indicate that the combined application of blocky constraint with L1 minimization produces, in general, the best results. Nonetheless, the choice of the most appropriate inversion technique at different areas is considered essential. Finally, the proposed methodology and the developed prototype algorithms constitute a powerful tool for the application of MASW method to the environmental and geotechnical investigation.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη τεχνικών αντιστροφής καμπυλών διασποράς των επιφανειακών κυμάτων Rayleigh και την εφαρμογή των τεχνικών αυτών σε περιοχές περιβαλλοντικού και γεωτεχνικού ενδιαφέροντος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της πολυκάναλης ανάλυσης των επιφανειακών κυμάτων (MASW). Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν και περιγράφονται πρωτότυποι αλγόριθμοι (kriSIS) που στοχεύουν στην ολοκληρωμένη επεξεργασία σεισμικών καταγραφών με την μέθοδο της πολυκάναλης ανάλυσης των επιφανειακών κυμάτων. Ειδικότερα, οι αλγόριθμοι αυτοί επιτρέπουν την οριοθέτηση του αρχικού μοντέλου αντιστροφής με μεγάλη ευελιξία, παρέχοντας επίσης τη δυνατότητα διατήρησης πιθανών a-priori πληροφοριών που προέρχονται από άλλες γεωφυσικές ή/και γεωτεχνικές μεθόδους. Επιπλέον, διατίθεται πλήθος επιλογών στη χρήση τεχνικών αντιστροφής, όπως αντιστροφή με την μέθοδο Quasi-Newton, ελαχιστοποίηση της νόρμας L1 ή L2, περιορισμός εξομάλυνσης (smoothing), απόσβεσης (damping), σταθμισμένης εξομάλυνσης (blocky) και συνδυασμός αυτών, καθώς και σταθμισμένη αντιστροφή με τα σφάλματα των μετρήσεων ή με τις τιμές του Ιακωβιανού πίνακα. Οι αλγόριθμοι και η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής αυτής ελέγχθηκαν με τη χρήση συνθετικών καμπυλών διασποράς και συνθετικών σεισμικών δεδομένων, ενώ η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων αντιστροφής πραγματοποιήθηκε σε πραγματικά δεδομένα που αποκτήθηκαν πλησίον θέσεως, όπου διεξήχθηκε πείραμα με τη μέθοδο της σεισμικής διασκόπησης μεταξύ γεωτρήσεων (cross-hole). Τα δεδομένα αυτά αντιστράφηκαν, τόσο με τους εν λόγω αλγόριθμους, όσο και με αντίστοιχα εμπορικά πακέτα επεξεργασίας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επεξεργασίας των σεισμικών καταγραφών εφαρμόστηκε με τη χρήση δύο διαφορετικών τεχνικών αντιστροφής (απόσβεση και συνδυασμός σταθμισμένης εξομάλυνσης με ελαχιστοποίηση της νόρμας L1) σε 3 περιοχές περιβαλλοντικού και 4 περιοχές γεωτεχνικού ενδιαφέροντος. Τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την εκπόνηση της διατριβής αυτής είναι ότι η συνδυαστική εφαρμογή του περιορισμού σταθμισμένης εξομάλυνσης με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της νόρμας L1 δίνει, κατά κανόνα, τα ακριβέστερα αποτελέσματα. Παρόλα αυτά, σε κάθε περιοχή μελέτης κρίνεται απαραίτητη η εύρεση της καταλληλότερης τεχνικής αντιστροφής. Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία και οι αλγόριθμοι που έχουν δημιουργηθεί αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο εφαρμογής της μεθόδου της πολυκάναλης ανάλυσης των επιφανειακών κυμάτων στην επίλυση περιβαλλοντικών και γεωτεχνικών προβλημάτων.