بررسی کمی پارامترهای مؤثر بر تفکیک‌پذیری و عمق نفوذ داده‌های سونداژ تشدید مغناطیسی با استفاده از تجزیه مقادیر تکین تابع پیشرو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد ژئوفیزیک، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استادیار، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

سونداژ تشدید مغناطیسی به دلیل حساسیت مستقیم به هیدروژن مولکول‌های آب، امکان تخمین محتوای آب و رسانندگی هیدرولیکی را فراهم می‌آورد. یکی از مسائل مهم در وارون‌سازی داده‌های ژئوفیزیکی ارزیابی صحت و اطمینان مدل‌های وارون‌شده است. به این معنی که با استفاده از ابزارهای ریاضی میزان قطعیت و یا عدم قطعیت مدل‌های به‌دست آمده از حل مسئله وارون به صورت کمی تعیین ‌گردد و این امر کمک شایانی در تفسیر بهتر مدل‌های ژئوفیزیکی می‌کند. ارزیابی کیفیت مدل‌های هیدروژئوفیزیکی که از وارون‌سازی داده‌های تشدید مغناطیس هسته‌ای سطحی نتیجه می‌شود، ضرورتی اجتناب ناپذیر است. در این پژوهش با استفاده از تجزیه مقادیر تکین تابع پیشرو MRS، ماتریس تفکیک‌پذیری مدل را استخراج می‌شود. در این روش مؤلفه های چون اندازه حلقه، مقدار بیشینه پالس ممان و همچنین شرایط سطح نوفه‌ی محیطی را به عنوان پارامترهای ورودی مؤثر بر تفکیک‌پذیری و عمق نفوذ داده‌های MRS مورد ارزیابی قرار می‌گیرید. تأثیر هر یک از این مؤلفه ها بر روی تفکیک‌پذیری داده‌های MRS از طریق مدل‌های مصنوعی و نیز داده‌های صحرایی سنجیده می‌شود. نتایج عددی نشان می‌دهد که افزایش اندازه حلقه در صورت ثابت بودن بیشینه پالس ممان منجر به افزایش عمق نفوذ و نیز افزایش تفکیک‌پذیری عمودی می‌شود. در حالتی که اندازه حلقه ثابت باشد و بیشینه پالس ممان افزایش یابد موارد مذکور نیز صادق است، یعنی استفاده از پالس ممان‌های بزرگتر باعث بهبود تفکیک‌پذیری عمودی و عمق نفوذ مؤثر داده‌های سونداژ تشدید مغناطیسی می‌شود. از طرفی افزایش سطح نوفه باعث کاهش تفکیک‌پذیری و عمق نفوذ مؤثر می‌شود. نتایج این تحقیق گام مهم در بهینه سازی پارامترهای برداشت با هدف بهبود تفکیک‌پذیری قائم در مدل‌های محتوای آب و زمان آسایش و نیز افزایش عمق نفوذ مؤثر در مطالعات سونداژ تشدید مغناطیسی در برخواهد داشت. همچنین پارامترهای هیدروژئوفیزیکی محتوای آب و زمان آسایش در چارچوب وارون‌سازی چند نمائی و با استفاده از روش GSVD  برآورد می‌شود. با استفاده پارامترهای هیدروژئوفیزیکی منتج شده از مدل‌سازی وارون، علاوه بر تعیین عمق و ضخامت لایه آبخوان، امکان ارزیابی وضعیت هیدروژئولوژیکی آبخوان از لحاظ میزان تخلخل و آبدهی وجود دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Quantitative investigation of effective parameters on resolution and penetration depth of magnetic resonance sounding data using singular value decomposition of forward function

نویسندگان [English]

  • fateme Alamgard 1
  • Reza Ghanati 2
1 M.Sc. Graduate, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

Due to the direct sensitivity to the hydrogen of water molecules, magnetic resonance sounding (MRS) provides estimate of hydro-geophysical parameters such as water content and hydraulic conductivity. The use of this method makes it possible to determine the presence or absence of water below the surface more precisely and to determine the important characteristics of the hydrogeology parameters of the aquifer layer such as water content and hydraulic conductivity. The MRS technique is based on the Nuclear Magnetic Resonance principles to determine the subsurface distribution of hydrogen protons. MRS measurements are carried out with a surface antenna as transmitter/receiver of electromagnetic signals. To obtain depth information, a series of measurements at different pulse moments, are passed through the loop. By varying the pulse moment, a spatial distribution of aquifer properties with respect to the depth can be obtained from the MRS data inversion. From data space point of view, in the inversion of magnetic resonance sounding data, three types of algorithms have been presented:  Initial Amplitude Inversion, Time Step Inversion, and Full waveform inversion. Given that in the two first above-mentioned methods only a portion of the data is used for inversion, it is not possible to provide a stable solution with a suitable depth resolution in the inversion process, while the use of the full waveform inversion of the magnetic resonance signal (i.e., using whole data space) increases the stability and resolution of water content and relaxation time.
    One of the important issues to be considered in the inversion of geophysical data is the evaluation of the quality of inverted models. This means that using mathematical tools, the degree of certainty or uncertainty of the models obtained from solving the inverse problem is determined quantitatively, and this helps to better interpret geophysical models. Evaluating the quality of water content and relaxation time models resulting from the inversion of surface nuclear magnetic resonance data is also essential.
In this research, we extract the model resolution matrix using singular value analysis of the leading MRS function. This method consists of evaluating the components of loop size, maximum moment pulse, distribution of subsurface layers as well as ambient noise level conditions as inputs on the resolution and depth of MRS data. The effect of each of these components on the resolution of magnetic resonance sounding data is measured through artificial models and field data. The results show that the loop size increases the penetration and also increases the vertical resolution if the maximum moment pulse is constant. This is also true if the loop size is constant and the maximum moment pulse is increasing. Increasing the noise level reduces the resolution and is managed through depth. The results of this dissertation will be an important step in optimizing measurement components to improve vertical resolution in water content and relaxation time models and also increase the penetration depth in magnetic resonance sounding studies. The hydro-geophysical sources of water and relaxation time are reviewed in the inversion of the polynomial using the GSVD method.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydro-geophysical parameters
  • inverse modeling
  • magnetic resonance sounding
  • multi exponential modeling
  • resolution
  • reliable depth
قناتی، رضا، 1394، بهبود پردازش و تخمین پارامترهای سیگنال سونداژ تشدید مغناطیسی، رساله‌ی دکتری، به‌راهنمایی محمد کاظم حفیظی. تهران، موسسه ژئوفیزیک .
Aster, R.C., Borchers, B., & Clifford H.T. (2013). Parameter estimation and inverse problems.
Dlugosch, R., & Müller-Petke, M. (2020). Application of adiabatic pulses for magnetic Resonance Sounding–Pulse shapes and resolution. Journal of Applied Geophysics, 179, 104079.
Esmaeili, Z., Ghanati, R., & Hafizi, M. K. (2020). Water Content and Relaxation Time Estimation Using Full-Wave Form Inversion of MRS Signal. Journal of the Earth and Space Physics, 46(2), 225-246.
Fallah Safari, M., Hafizi, M. K., & Ghanati, R. (2018). Water content inversion of MRS data a case study of Nineh Mahallat, central Iran. Journal of the Earth and Space Physics, 44(3), 535-555.
Friedel, S. (2003). Resolution, stability and efficiency of resistivity tomography estimated from a generalized inverse approach. Geophysical Journal International, 153(2), 305-316.
Fichtner, A., & Trampert, J. (2011). Resolution analysis in full waveform inversion. Geophysical Journal International, 187(3), 1604-1624.
Ghanati, R., Hafizi, M.K., & Fallahsafari, M., (2015). Surface nuclear magnetic resonance signals recovery by integration of a non-linear decomposition method with  statistical  analysis. Geophysical Prospecting, 64, 489-504.
Ghanati, R., Hafizi, M. K., Mahmoudvand, R., & Fallahsafari, M., (2016). Filtering and parameter estimation of surface-NMR data using singular spectrum analysis: Journal of Applied Geophysics, 130, 118-130.
Hertrich, M. (2008). Imaging of groundwater with nuclear magnetic resonance. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 53(4), 227.
Kalscheuer, T, & Pedersen, L. B. (2007). A non-linear truncated SVD variance and resolution analysis of two-dimensional magnetotelluric models. Geophysical Journal International, 169(2), 435-447.
Legchenko, A., & Valla, P. (1998). Processing of surface proton magnetic resonance signals using non-linear fitting. Journal of Applied Geophysics, 39(2), 77-83.
Legchenko, A., & Valla, P. (2002). A review of the basic principles for proton magnetic resonance sounding measurements. Journal of Applied Geophysics, 50(1-2), 3-19.
Legchenko, A., Baltassat, J. M., Beauce, A., & Bernard, J. (2002). Nuclear magnetic resonance as a geophysical tool for hydrogeologists. Journal of Applied Geophysics, 50(1-2), 21-46.
Mohnke, O., & Yaramanci, U. (2002). Smooth and block inversion of surface NMR amplitudes and decay times using simulated annealing. Journal of Applied Geophysics, 50(1-2), 163-177.
Mohnke, O. (2010). Improved forward and inverse modelling of Surface NMR relaxation signals using multi-exponential decomposition. Ph.D. thesis, Technical University of Berlin.
Müller-Petke, M., & Yaramanci, U. (2008). Resolution studies for magnetic resonance sounding (MRS) using the singular value decomposition. Journal of Applied Geophysics, 66(3-4), 165-175.
Parsekian, A. D., Singha, K., Minsley, B. J., Holbrook, W. S., & Slater, L. (2015). Multiscale geophysical imaging of the critical zone. Reviews of Geophysics, 53(1), 1-26.
Ren, Z., & Kalscheuer, T. (2020). Uncertainty and resolution analysis of 2D and 3D inversion models computed from geophysical electromagnetic data. Surveys in Geophysics, 41(1), 47-112.
Slichter, C.P. (1990). Spin Temperature in Magnetism and in Magnetic Resonance. In Principles of Magnetic Resonance (pp. 219-246). Springer, Berlin, Heidelberg.
Tikhonov, A. N., & Arsenin, V. Y. (1977). Solutions of ill-posed problems. New York, 1(30), 487.
Yaramanci, U., & Müller-Petke, M. (2009). Surface nuclear magnetic resonance—A unique tool for hydrogeophysics. The leading edge, 28(10), 1240-1247.
Zhdanov, M. S., & Tolstaya, E. (2006). A novel approach to the model appraisal and resolution analysis of regularized geophysical inversion. Geophysics, 71(6), R79-R90.
Schirov, M., Legchenko, A., & Creer, G. (1991). A new direct non-invasive groundwater detection technology for Australia. Exploration geophysics, 22(2), 333-338.