چکیدههدف از انجام این پایان نامه طراحی الگوریتمی برای مدلسازی یکبعدی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس است. طراحی چنین الگوریتمی مستلزم استفاده از ابزارهای ریاضی برای ارتباط دادههای الکترومغناطیسی و مجهولات مسئله است. این مجهولات شامل مقاومتویژه و ضخامت لایهها میباشد. متأسفانه رابطه بین دادهها و پارامترهای مسئله کاملاً غیرخطی است و هیچ رابطه مستقیمی برای تعیین پارامترهای مسئله وجود ندارد، از طرفی تفسیر این دادهها یا با استفاده از منحنیهای استاندارد به صورت دستی انجام میشود، که در تفسیر دادههای هوابرد به دلیل حجم انبوه دادهها امکانپذیر نیست؛ یا با استفاده از الگوریتمهای وارونسازی که بر اساس اصلاح مدل در هر تکرار و کم کردن خطای بین دادههای برداشت شده و دادههای پیشبینی شده در الگوریتم استوار هستند؛ قابل تفسیرند. مشکل اصلی این نوع الگوریتمها نیاز به یک مدل اولیه نزدیک به مدل واقعی است. پس برای طراحی چنین الگوریتمی ابتدا با مقایسه نتایج روشهای سریع و تقریبی دادههای مدل مصنوعی، که مقاومتویژه ظاهری و عمق مرکزی متناظر با آن است، مدل اولیهای بر اساس مقاومتویژه و ضخامت لایهی متناظر با آن تعیین میشود، سپس این مدل در الگوریتمی وارونسازی بر پایه تصحیح مدل در تکرارهای متوالی به مدل نهایی همگرا خواهد شد.در این تحقیق برای وارونسازی دادهها از الگوریتمی مقید استفاده شده است. این الگوریتم با استفاده از قید هموارساز همگرایی به هموارترین مدل ممکن را تضمین میکند، سپس با استفاده از قید عمقی و محاسبه نسبت ضخامت لایهها به عمق قرارگیری آنها همگراترین مدل عمقی به مدل نهایی حاصل میشود و در نهایت با استفاده از قید جانبی، که با استفاده از تفاضل نتایج قیدهای عمقی دو سونداژ مجاور بهدست میآید؛ همگرایی مدل با در نظر گرفتن تغییرات جانبی حاصل میشود. لازم به ذکر است، اگر اطلاعات اولیه از لایهبندی زمین مورد مطالعه و مقاومتویژه متناظر با آن در دسترس باشد، این اطلاعات با استفاده از قید اطلاعات اولیه به الگوریتم وارد میشود. با استفاده از مجموع این روشها برنامهای کاملاً اتوماتیک به منظور مدلسازی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس در محیط نرمافزار MATLAB تهیه شده است، که ورودی این برنامه دادهها و خروجی آن مدل لایهای مقاومتویژه است.نتایج استفاده از الگوریتم وارونسازی مقید روی دادههای مدل مصنوعی حاوی درصدی نوفه تصادفی نشان میدهد، که استفاده از قیدها در همگرایی به مدل نهایی بسیار مؤثر است و نسبت به الگوریتمهایی چون مارکوارت- لونبرگ تضمین همگرایی بالاتری دارند. از طرفی نتایج این نوع مدلسازی روی دادههای مدل مصنوعی که تا حدی توجیه کننده پیچیدگیهای ساختمانی زمین است، نشان میدهد که این نوع مدلسازی میتواند اطلاعات مفیدی از پیچیدگیهای ساختارهای زیرسطحی نیز فراهم نماید.در پایان به تفسیر دادههای الکترومغناطیسی منطقه باریکا از استان آذرباییجان غربی، حوالی شهرستان سردشت پرداخته شده است و نتایج مربوط به مدل لایهای مقاومتویژه، با اطلاعات زمینشناسی و همچنین مشاهدات مربوط به پیچیدگیهای ساختاری و سطح آب زیرزمینی در این منطقه مقایسه شده است که عملکرد مناسب این الگوریتم را در مدلسازی دادههای واقعی نیز تأیید میکند.کلمات کلیدی: الکترومغناطیس هوابرد، مدل اولیه، وارونسازی، قید هموارساز، قید عمقی و جانبی، باریکا، آذرباییجان غربی.فهرست مطالبفصل اول١-١ مقدمه……………………………………………………………………………………21-2 سابقه موضوع............................................................................... 51-3 طرح مسئله و ضرورت تحقیق……………………………………………………………61-4 اهداف مطالعه و روش تحقیق…………………………………………………………...81-5 ساختار پایاننامه...........................................................................10فصل دوم2-1 روشهای هوابرد الکترومغناطیسی………………………………….………………. 142-2 روش الکترومغناطیسی هلیکوپتری. 142-2-1 قوانین پایه. 152-2-2 چینش پیچهها162-2-3 سیستمهای الکترومغناطیس هوابرد با بال ثابت.. 172-2-4 مزایا و معایب روش هوابرد حوزه زمانی (TEM)182-2-5 مزایا و معایب روش هلیکوپتری حوزه فرکانسی (FEM)192-3 تئوری الکترومغناطیس... 212-3-1 معادلات ماکسول. 212-3-2 معادلات شلکونوف.. 232-4 پاسخهای میدان مغناطیسی. 242-4-1 چشمه VMD. 242-4-2 چشمه HMD. 262-5 القای الکترومغناطیسی. 262-6 پاسخ رسانای مدفون. ………….………………………………………………….312-7 رفتار میدانهای الکترومغناطیسی در محیطهای لایهای. 342-7-1 ضریب بازتاب امواج تخت در محیطهای لایهای. 342-8 معادله پیشرو الکترومغناطیس هوابرد362-8-1 حل عددی مدلسازی پیشرو39فصل سوم3-1 مقدمه.…………..…………………………………………………………………….423-2 فرمولبندي مسائل وارون. 423-2-1 مسئله وارون خطي. 433-2-2 تخمینهای اندازه بردار خطا443-3 راه حل کمترین مربعات برای مسائل وارون خطی. 463-4 حل مسائل غیرخطی و تبدیل آنها به مسائل خطی. 473-5 حل معادلات غیرخطی توسط الگوریتم مارکوارت- لونبرگ.…………………….……….493-5-1 روش گوس- نیوتن. 503-5-2 روش سریعترین کاهش یا روش شیب نزولی. 513-5-3 روش مارکوارت- لونبرگ.. 523-6 وارونسازی دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس ……………………………553-6-1 روابط ریاضی وتعاریف مربوط به قیدها563-6-2 وارونسازی. 603-7 آشنایی بیشتر با روش وارونسازی قیدی دادهها64فصل چهارم4-1 مقدمه.…………………………..…………………………………………………….704-2 روشهای سریع تفسیر دادههای الکترومغناطیسی. 714-2-1 فرمولبندی پایه. 714-3 انتخاب روشی سریع برای تعیین مدل اولیه. 764-3-1 تعیین مقاومتویژه به روش فریزر784-3-2 تعیین مقاومتویژه به روش ماندری. 814-3-3 تعیین مقاومتویژه به روش سیمون. 844-4 تحلیل نتایج بهدست آمده از مدلهای مصنوعی. 87فصل پنجم5-1 مقدمه....….…………………………………………………………………………..945-2 وارونسازی دادههای مصنوعی الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس... 945-2-1 وارونسازی مقید دادههای مصنوعی استاندارد حاوی نوفه. 965-2-2 وارونسازی مقید دادههای مدل مصنوعی با پیچیدگیهای ساختمانی. 1035-3 وارونسازی مقید و تفسیر دادههای هوابرد منطقه باریکا1075-3-1 پهنههایبرشیمنطقهباريکا1075-3-2 گسلها1095-3-3 تحلیل نتایج مدلسازی دادههای باریکا1135-4 برنامه نگاشته شده برای تفسیر دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس..............120فصل ششم6-1 جمع بندی و نتیجهگیری……………………………………………….…….……...1266-2 پیشنهادات.....................................................................................................128منابع... 130پیوست.....................................................................................................137فهرست شکل هاشکلصفحهشکل 1-1سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی حوزه فرکانس.........................................4شکل2-1چینشهای متفاوت پیچه گیرنده و فرستنده.............................................................17شکل 2-2سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه زمان...................................19شکل 2-3سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس...............................20شکل 2-4شکل شماتیکی که دو بخش از معادله (2-21) را توصیف میکند..............................25شکل 2-5هندسه حاکم بر مساله میدان مغناطیسی ناشی از یک حلقه دایرهای.........................27شکل 2-6القای مغناطیسی ناشی از جریان در حلقه اولیه روی حلقه ثانویه...............................28شکل 2-7القای متقابل در حلقه فرستنده (TX)، گیرنده (RX) و توده رسانا................................31شکل 2-8رفتار قسمتهای حقیقی و موهومی تابع پاسخ بر حسب پارامتر پاسخ........................34شکل 2-9رفتار موج الکترومغناطیسی با قطبشهای TE (الکتریکی) و TM (مغناطیسی) در عبور از محیطهای لایهای........................................................................................35شكل 3-1برازش کمترین مربعات یک خط راست.....................................................................45شكل 3-2خط راست برازش شده به جفت های(z,d) که خطا تحت نرمهای L1،L2 و L∞.........46شكل 3-3فلوچارت وارونسازی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس در الگوریتمی کاملا اتوماتیک........................................................................................................65شکل 4-1پارامترهای تاثیرگذار در برداشتهایHEM..............................................................75شکل4-2(الف) مدل مصنوعی سه لایه با ضخامتهای 20و30 متر و بینهایت و مقاومتویژههای 50،20و50 اهم متر. (ب) مدل مصنوعی سه لایه با ضخامتهای 20و30 متر و بینهایت و مقاومتویژههای 20،50 و20 اهم متر.....................................................77شکل 4-3نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر ( )...............................................................................................79شکل 4-4نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر سنگپیل..........................................................................................79شکل 4-5نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر ()..........................................................................................80شکل 4-6 نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون................................................................80شکل 4-7نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر ( )...............................................................................................82شکل 4-8نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر سنگپیل...........................................................................................82شکل 4-9نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر ()...........................................................................................83شکل 4-10نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون................................................................. 83شکل 4-11نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر ()...............................................................................................85شکل 4-12نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر سنگپیل ..........................................................................................85شکل 4-13نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر ()...........................................................................................86شکل 4-14نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون.................................................................86شکل 4-15نتایج بهدست آمده در محیط نرمافزار MATLABبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر روش ( )....................................................................... 88شکل 4-16تعیین مدل اولیه بر اساس مقاومتویژه متناظر با ضخامت لایهها...............................89شکل 4-17فلوچارت تعیین مدل اولیه با استفاده از ترکیب روشهای سریع نیم فضا....................91شکل 5-1مقطع مقاومتویژه حاصل از وارونسازی به روش اکام (شیرزادی تبار و همکاران، 1390)...................................................................................................................94شکل 5-2شبهمقطعی دوبعدی از مدلسازی مقید لایهای.........................................................95شکل 5-3تعیین مدل اولیه با استفاده از مدل کیفی مقاومتویژه، که در اختیار مفسر قرار میگیرد.............................................................................................................................96شکل 5-4مدل مصنوعی که تغییرات مقاومتویژه با راهنمای رنگی کنار آن مشخص شده است.......................................................................................................................97شکل 5-5مدل اولیه تعیین شده برای مدل مصنوعی شکل (5-4) قسمت الف...........................98شکل 5-6نتایج مدلسازی به روش مارکوارت- لونبرگ و خطای عدم برازش مربوط به هر مدل.......................................................................................................................101شکل 5-7نتایج مدلسازی به روش وارونسازی مقید و خطای عدم برازش مربوط به هر مدل....................................................................................................................... 102شکل 5-8 الف) مدل مصنوعی مورد مطالعه. ب) ناهنجاری مورد استفاده که پاسخ مدل مصنوعی قسمت الف میباشد. ج) نتیجه وارونسازی مقید دادههای مصنوعی و خطای عدم برازش مدل و دادهها................................................................................................ 104شکل 5-9الف) ناهنجاری مربوط به مدل مصنوعی شکل (5-8) قسمت الف، که هموارسازی شدهاند. ب) نتایج مربوط به وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف از شکل (5-9)... 105شکل 5-10موقعیت استان کردستان و صفحه آلوت در نقشه ایران، موقعیت باریکا در صفحه آلوت.......................................................................................................................110شکل 5-11نقشه زمینشناسی منطقه باریکا..................................................................................111شکل 5-12راهنمای رنگی نقشه زمینشناسی نشان داده شده در شکل (5-11)..........................112شکل 5-13تصاویر مختلف با ارجاع به مختصات عکسها در منطقه باریکا بر حسب مختصات طول و عرض جغرافیایی بر حسب درجه .................................................................. 115شکل 5-14الف) ناهنجاری مربوط به خط برداشت12870 ب) نتیجه وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف..............................................................................................................116شکل 5-15الف) ناهنجاری مربوط به خط برداشت 12910 ب) نتیجه وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف..............................................................................................117شکل 5-16الف) بزرگنمایی قسمت ب1 از شکل (5-14) ایستگاههای 1200 تا 1800. ب) بزرگنمایی قسمت ب2 از شکل (5-14) ایستگاههای 2000 تا 3000. ج) بزرگنمایی قسمت ب3 از شکل (5-14) ایستگاههای 3000 تا 4200. د) بزرگنمایی قسمت مشخص شده با مستطیل از شکل (5-15) ایستگاههای 300 تا 1800.......................118شکل 5-17وارونسازی خط برداشت 12870 با نرمافزار BGR ................................................119شکل 5-18وارونسازی خط برداشت 12910 با نرمافزار BGR .................................................119شکل 5-19اطلاعات مورد نیاز برنامه نگاشته شده در محیط نرمافزار...........................................120شکل 5-20الف) نیم فضای همگن دادهها ب) مدل اولیه تعیین شده...........................................121شکل 5-21الف) منحنیهای دادههای واقعی و مدل اولیه تولید شده در فرکانسهای متناظر. ب) خطای عدم برازش مربوطه.......................................................................................122شکل 5-22نحوه نمایش نتایج مدلسازی دو پارامتر مقاومتویژه و ضخامت لایهها .....................122شکل 5-23نتایج مدلسازی مقید. ............................................................................................123شکل 5-24نتایج مدلسازی مقید بهبود یافته ...........................................................................123 فهرست جداولجدولصفحهجدول 4-1نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری فریزر بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است........................................ 78جدول4-2نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری فریزر بر حسب اهم- متر متناظر، با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است................................................ 78جدول4-3نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری ماندری بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ................................. 81جدول 4-4نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری ماندری بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ..................................... 81جدول 4-5نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری سیمون بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، از روشهای مختلف که از روشهای مختلف بهدست آمده است...................................................................................................................... 84جدول 4-6نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری سیمون بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ....................................... 84 -١ مقدمهمطالعات ژئوفيزيكي به كشف گيلبرت[1] در سال1600 برميگردد؛ كه زمين را مانند يك مغناطيس غولپيكر، در نظر گرفت. اما اولين قدم در كاربرد اين علم براي اكتشاف مواد معدني به سال 1843 ميرسد و زماني كه فونورده[2] از تئودوليت مغناطيسي براي اندازهگيري تغييرات ميدان مغناطيسي زمين به منظور اكتشاف تودههاي آهن استفاده نمود. به دنبال آن در سال 1879 رابرت تالن[3] با تاليف كتاب كشف ذخايرآهن به وسيله روشهاي مغناطيسي قدم مؤثري در جهت كاربردي نمودن ژئوفيزيك اكتشافي برداشت (Dobrin and Savit, 1988).با گذشت زمان و استفاده از ذخایر کمعمق موجود، راهی جز اکتشاف منابع عمیقتر باقی نمانده است. روشهای ژئوفیزیکی از جمله روشهای پرکاربرد در اکتشاف غیرمستقیم کانسارها، نفت، گاز، آب و همچنین کارهای مهندسی میباشند. اکتشافات بسیاری از کانهها و کانیهای اقتصادی با استفاده از روشهای ژئوفیزیکی غیر لرزهای مانند ژئوالکتریک، مغناطیسسنجی، الکترومغناطیس[4] و گرانیسنجی صورت میگیرد. در این میان روشهای الکترومغناطیسی را میتوان پس از روش مغناطیسسنجی از جمله متداولترین روشها در اکتشافات معدنی به شمار آورد(Reynolds, 1997).روشهای ژئوفیزیک هوابرد مانند مغناطیسسنجی، الکترومغناطیس، گرانیسنجی و غیره دارای سرعت عملیات بسیار بالا میباشند؛ که هر کدام بنا به خاصیت فیزیکی مورد مطالعه مربوط به ساختارهای زیر سطحی، کاربردهای متفاوتی دارند.امروزه روشهای الکترومغناطیسیعلاوه بر موارد فوق، در اکتشاف و تعیین آلودگی منابع آب زیرزمینی و غیره به کار میروند (Tølbøll, 2007). این روشها به دلیل تنوع سیستمها و قابلیتهایی چون سرعت بالای عملیات برداشت دادهها و قیمت مناسب، با سرعت زیادی در حال توسعه میباشد (Reynolds, 1997).اندازهگیریهای الکترومغناطیسی میتواند به دو صورت فعال و غیر فعال صورت گیرد. در اندازهگیری با چشمه غیرفعال، از سیگنالهای طبیعی زمین استفاده میشود. اما در اندازهگیری با چشمه فعال یا با چشمه کنترل شونده[5] در یک مکان مشخص، فرستندهای مصنوعی در نزدیکی محل برداشت و یا در مکانی دورتر از محل برداشت (مانند فرستندههای نظامی و غیر نظامی رادیویی که برای تولید امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار پایین[6] در مگنتوتلوریک رادیویی[7] استفاده میشود) نصب میشود (Nabighian, 1996). لازم به ذکر است حوزه مورد مطالعه در این تحقیق روش الکترومغناطیسی با چشمه کنترل شونده میباشد.روش الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس با القای میدان مغناطیسی متناوب در فرکانسهای مختلف، در ساختارهای زیرسطحی یک جریان الکتریکی القا میکند؛ که بسته به رسانندگی (یا مقاومتویژه) ساختار مورد مطالعه، جریان القا شده یک میدان مغناطیسی القایی متقابل ایجاد میکند. این میدان القایی بسیار ضعیف است و با واحد قسمت در میلیون (ppm)محاسبه میشوند؛ که از نسبت میدان گیرنده به فرستنده بهدست میآید. دادههای برداشت شده دارای دو قسمت همفاز و ناهمفاز (حقیقی و موهومی) هستند (Zhdanov, 2009).در شکل (1-1) یک سیستم برداشت هلیکوپتری دادههای الکترومغناطیسی نشان داده شده است. معمولاً در این سیستم برای برداشت دادههای الکترومغناطیسی، بسته به فرکانسهای استفاده شده برای تولید میدان مغناطیسی در منبع، چندین پیچه در قسمت فرستنده و گیرنده به ازای فرکانسهای متفاوت استفاده میشود. هر چه فرکانس استفاده شده در منبع موج الکترومغناطیسی بیشتر باشد، عمق نفوذ موج الکترمغناطیسی کاهش مییابد. با این روشِ برداشت داده میتوان چندین سری داده را به ازای فرکانسهای برداشت متفاوت با عمق نفوذهای متفاوت برداشت کرد. به عبارتی هر نقطه برداشت یک سونداژ عمقی است. در این نوع برداشتهای هوابرد معمولا یک مغناطیسسنج دقیق برای ثبت آنومالیهای مغناطیسی و یک حسگر رادیومتری نیز وجود دارد. تجهیزات دقیقی چون GPSهای دو فرکانسه، دوربینهای ویدیویی و ارتفاعسنجهای لیزری نیز در این سیستم به کار میروند Huang and Fraser, 2000)).
بهبود مدل سازی معکوس داده های الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس با تعیین مدل اولیه مناسب و اعمال قید های عمقی و هموارساز
چکیدههدف از انجام این پایان نامه طراحی الگوریتمی برای مدلسازی یکبعدی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس است. طراحی چنین الگوریتمی مستلزم استفاده از ابزارهای ریاضی برای ارتباط دادههای الکترومغناطیسی و مجهولات مسئله است. این مجهولات شامل مقاومتویژه و ضخامت لایهها میباشد. متأسفانه رابطه بین دادهها و پارامترهای مسئله کاملاً غیرخطی است و هیچ رابطه مستقیمی برای تعیین پارامترهای مسئله وجود ندارد، از طرفی تفسیر این دادهها یا با استفاده از منحنیهای استاندارد به صورت دستی انجام میشود، که در تفسیر دادههای هوابرد به دلیل حجم انبوه دادهها امکانپذیر نیست؛ یا با استفاده از الگوریتمهای وارونسازی که بر اساس اصلاح مدل در هر تکرار و کم کردن خطای بین دادههای برداشت شده و دادههای پیشبینی شده در الگوریتم استوار هستند؛ قابل تفسیرند. مشکل اصلی این نوع الگوریتمها نیاز به یک مدل اولیه نزدیک به مدل واقعی است. پس برای طراحی چنین الگوریتمی ابتدا با مقایسه نتایج روشهای سریع و تقریبی دادههای مدل مصنوعی، که مقاومتویژه ظاهری و عمق مرکزی متناظر با آن است، مدل اولیهای بر اساس مقاومتویژه و ضخامت لایهی متناظر با آن تعیین میشود، سپس این مدل در الگوریتمی وارونسازی بر پایه تصحیح مدل در تکرارهای متوالی به مدل نهایی همگرا خواهد شد.در این تحقیق برای وارونسازی دادهها از الگوریتمی مقید استفاده شده است. این الگوریتم با استفاده از قید هموارساز همگرایی به هموارترین مدل ممکن را تضمین میکند، سپس با استفاده از قید عمقی و محاسبه نسبت ضخامت لایهها به عمق قرارگیری آنها همگراترین مدل عمقی به مدل نهایی حاصل میشود و در نهایت با استفاده از قید جانبی، که با استفاده از تفاضل نتایج قیدهای عمقی دو سونداژ مجاور بهدست میآید؛ همگرایی مدل با در نظر گرفتن تغییرات جانبی حاصل میشود. لازم به ذکر است، اگر اطلاعات اولیه از لایهبندی زمین مورد مطالعه و مقاومتویژه متناظر با آن در دسترس باشد، این اطلاعات با استفاده از قید اطلاعات اولیه به الگوریتم وارد میشود. با استفاده از مجموع این روشها برنامهای کاملاً اتوماتیک به منظور مدلسازی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس در محیط نرمافزار MATLAB تهیه شده است، که ورودی این برنامه دادهها و خروجی آن مدل لایهای مقاومتویژه است.نتایج استفاده از الگوریتم وارونسازی مقید روی دادههای مدل مصنوعی حاوی درصدی نوفه تصادفی نشان میدهد، که استفاده از قیدها در همگرایی به مدل نهایی بسیار مؤثر است و نسبت به الگوریتمهایی چون مارکوارت- لونبرگ تضمین همگرایی بالاتری دارند. از طرفی نتایج این نوع مدلسازی روی دادههای مدل مصنوعی که تا حدی توجیه کننده پیچیدگیهای ساختمانی زمین است، نشان میدهد که این نوع مدلسازی میتواند اطلاعات مفیدی از پیچیدگیهای ساختارهای زیرسطحی نیز فراهم نماید.در پایان به تفسیر دادههای الکترومغناطیسی منطقه باریکا از استان آذرباییجان غربی، حوالی شهرستان سردشت پرداخته شده است و نتایج مربوط به مدل لایهای مقاومتویژه، با اطلاعات زمینشناسی و همچنین مشاهدات مربوط به پیچیدگیهای ساختاری و سطح آب زیرزمینی در این منطقه مقایسه شده است که عملکرد مناسب این الگوریتم را در مدلسازی دادههای واقعی نیز تأیید میکند.کلمات کلیدی: الکترومغناطیس هوابرد، مدل اولیه، وارونسازی، قید هموارساز، قید عمقی و جانبی، باریکا، آذرباییجان غربی.فهرست مطالبفصل اول١-١ مقدمه……………………………………………………………………………………21-2 سابقه موضوع............................................................................... 51-3 طرح مسئله و ضرورت تحقیق……………………………………………………………61-4 اهداف مطالعه و روش تحقیق…………………………………………………………...81-5 ساختار پایاننامه...........................................................................10فصل دوم2-1 روشهای هوابرد الکترومغناطیسی………………………………….………………. 142-2 روش الکترومغناطیسی هلیکوپتری. 142-2-1 قوانین پایه. 152-2-2 چینش پیچهها162-2-3 سیستمهای الکترومغناطیس هوابرد با بال ثابت.. 172-2-4 مزایا و معایب روش هوابرد حوزه زمانی (TEM)182-2-5 مزایا و معایب روش هلیکوپتری حوزه فرکانسی (FEM)192-3 تئوری الکترومغناطیس... 212-3-1 معادلات ماکسول. 212-3-2 معادلات شلکونوف.. 232-4 پاسخهای میدان مغناطیسی. 242-4-1 چشمه VMD. 242-4-2 چشمه HMD. 262-5 القای الکترومغناطیسی. 262-6 پاسخ رسانای مدفون. ………….………………………………………………….312-7 رفتار میدانهای الکترومغناطیسی در محیطهای لایهای. 342-7-1 ضریب بازتاب امواج تخت در محیطهای لایهای. 342-8 معادله پیشرو الکترومغناطیس هوابرد362-8-1 حل عددی مدلسازی پیشرو39فصل سوم3-1 مقدمه.…………..…………………………………………………………………….423-2 فرمولبندي مسائل وارون. 423-2-1 مسئله وارون خطي. 433-2-2 تخمینهای اندازه بردار خطا443-3 راه حل کمترین مربعات برای مسائل وارون خطی. 463-4 حل مسائل غیرخطی و تبدیل آنها به مسائل خطی. 473-5 حل معادلات غیرخطی توسط الگوریتم مارکوارت- لونبرگ.…………………….……….493-5-1 روش گوس- نیوتن. 503-5-2 روش سریعترین کاهش یا روش شیب نزولی. 513-5-3 روش مارکوارت- لونبرگ.. 523-6 وارونسازی دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس ……………………………553-6-1 روابط ریاضی وتعاریف مربوط به قیدها563-6-2 وارونسازی. 603-7 آشنایی بیشتر با روش وارونسازی قیدی دادهها64فصل چهارم4-1 مقدمه.…………………………..…………………………………………………….704-2 روشهای سریع تفسیر دادههای الکترومغناطیسی. 714-2-1 فرمولبندی پایه. 714-3 انتخاب روشی سریع برای تعیین مدل اولیه. 764-3-1 تعیین مقاومتویژه به روش فریزر784-3-2 تعیین مقاومتویژه به روش ماندری. 814-3-3 تعیین مقاومتویژه به روش سیمون. 844-4 تحلیل نتایج بهدست آمده از مدلهای مصنوعی. 87فصل پنجم5-1 مقدمه....….…………………………………………………………………………..945-2 وارونسازی دادههای مصنوعی الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس... 945-2-1 وارونسازی مقید دادههای مصنوعی استاندارد حاوی نوفه. 965-2-2 وارونسازی مقید دادههای مدل مصنوعی با پیچیدگیهای ساختمانی. 1035-3 وارونسازی مقید و تفسیر دادههای هوابرد منطقه باریکا1075-3-1 پهنههایبرشیمنطقهباريکا1075-3-2 گسلها1095-3-3 تحلیل نتایج مدلسازی دادههای باریکا1135-4 برنامه نگاشته شده برای تفسیر دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس..............120فصل ششم6-1 جمع بندی و نتیجهگیری……………………………………………….…….……...1266-2 پیشنهادات.....................................................................................................128منابع... 130پیوست.....................................................................................................137فهرست شکل هاشکلصفحهشکل 1-1سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی حوزه فرکانس.........................................4شکل2-1چینشهای متفاوت پیچه گیرنده و فرستنده.............................................................17شکل 2-2سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه زمان...................................19شکل 2-3سیستم برداشت دادههای الکترومغناطیسی هوابرد حوزه فرکانس...............................20شکل 2-4شکل شماتیکی که دو بخش از معادله (2-21) را توصیف میکند..............................25شکل 2-5هندسه حاکم بر مساله میدان مغناطیسی ناشی از یک حلقه دایرهای.........................27شکل 2-6القای مغناطیسی ناشی از جریان در حلقه اولیه روی حلقه ثانویه...............................28شکل 2-7القای متقابل در حلقه فرستنده (TX)، گیرنده (RX) و توده رسانا................................31شکل 2-8رفتار قسمتهای حقیقی و موهومی تابع پاسخ بر حسب پارامتر پاسخ........................34شکل 2-9رفتار موج الکترومغناطیسی با قطبشهای TE (الکتریکی) و TM (مغناطیسی) در عبور از محیطهای لایهای........................................................................................35شكل 3-1برازش کمترین مربعات یک خط راست.....................................................................45شكل 3-2خط راست برازش شده به جفت های(z,d) که خطا تحت نرمهای L1،L2 و L∞.........46شكل 3-3فلوچارت وارونسازی دادههای الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس در الگوریتمی کاملا اتوماتیک........................................................................................................65شکل 4-1پارامترهای تاثیرگذار در برداشتهایHEM..............................................................75شکل4-2(الف) مدل مصنوعی سه لایه با ضخامتهای 20و30 متر و بینهایت و مقاومتویژههای 50،20و50 اهم متر. (ب) مدل مصنوعی سه لایه با ضخامتهای 20و30 متر و بینهایت و مقاومتویژههای 20،50 و20 اهم متر.....................................................77شکل 4-3نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر ( )...............................................................................................79شکل 4-4نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر سنگپیل..........................................................................................79شکل 4-5نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر ()..........................................................................................80شکل 4-6 نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری فریزر و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون................................................................80شکل 4-7نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر ( )...............................................................................................82شکل 4-8نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر سنگپیل...........................................................................................82شکل 4-9نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر ()...........................................................................................83شکل 4-10نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون................................................................. 83شکل 4-11نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر ()...............................................................................................85شکل 4-12نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر سنگپیل ..........................................................................................85شکل 4-13نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر ()...........................................................................................86شکل 4-14نتایج بهدست آمده از نرمافزار EM1Dبا روش مقاومتویژه ظاهری سیمون و عمق مرکزی متناظر روش تعمیم یافته سیمون.................................................................86شکل 4-15نتایج بهدست آمده در محیط نرمافزار MATLABبا روش مقاومتویژه ظاهری ماندری و عمق مرکزی متناظر روش ( )....................................................................... 88شکل 4-16تعیین مدل اولیه بر اساس مقاومتویژه متناظر با ضخامت لایهها...............................89شکل 4-17فلوچارت تعیین مدل اولیه با استفاده از ترکیب روشهای سریع نیم فضا....................91شکل 5-1مقطع مقاومتویژه حاصل از وارونسازی به روش اکام (شیرزادی تبار و همکاران، 1390)...................................................................................................................94شکل 5-2شبهمقطعی دوبعدی از مدلسازی مقید لایهای.........................................................95شکل 5-3تعیین مدل اولیه با استفاده از مدل کیفی مقاومتویژه، که در اختیار مفسر قرار میگیرد.............................................................................................................................96شکل 5-4مدل مصنوعی که تغییرات مقاومتویژه با راهنمای رنگی کنار آن مشخص شده است.......................................................................................................................97شکل 5-5مدل اولیه تعیین شده برای مدل مصنوعی شکل (5-4) قسمت الف...........................98شکل 5-6نتایج مدلسازی به روش مارکوارت- لونبرگ و خطای عدم برازش مربوط به هر مدل.......................................................................................................................101شکل 5-7نتایج مدلسازی به روش وارونسازی مقید و خطای عدم برازش مربوط به هر مدل....................................................................................................................... 102شکل 5-8 الف) مدل مصنوعی مورد مطالعه. ب) ناهنجاری مورد استفاده که پاسخ مدل مصنوعی قسمت الف میباشد. ج) نتیجه وارونسازی مقید دادههای مصنوعی و خطای عدم برازش مدل و دادهها................................................................................................ 104شکل 5-9الف) ناهنجاری مربوط به مدل مصنوعی شکل (5-8) قسمت الف، که هموارسازی شدهاند. ب) نتایج مربوط به وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف از شکل (5-9)... 105شکل 5-10موقعیت استان کردستان و صفحه آلوت در نقشه ایران، موقعیت باریکا در صفحه آلوت.......................................................................................................................110شکل 5-11نقشه زمینشناسی منطقه باریکا..................................................................................111شکل 5-12راهنمای رنگی نقشه زمینشناسی نشان داده شده در شکل (5-11)..........................112شکل 5-13تصاویر مختلف با ارجاع به مختصات عکسها در منطقه باریکا بر حسب مختصات طول و عرض جغرافیایی بر حسب درجه .................................................................. 115شکل 5-14الف) ناهنجاری مربوط به خط برداشت12870 ب) نتیجه وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف..............................................................................................................116شکل 5-15الف) ناهنجاری مربوط به خط برداشت 12910 ب) نتیجه وارونسازی مقید ناهنجاری قسمت الف..............................................................................................117شکل 5-16الف) بزرگنمایی قسمت ب1 از شکل (5-14) ایستگاههای 1200 تا 1800. ب) بزرگنمایی قسمت ب2 از شکل (5-14) ایستگاههای 2000 تا 3000. ج) بزرگنمایی قسمت ب3 از شکل (5-14) ایستگاههای 3000 تا 4200. د) بزرگنمایی قسمت مشخص شده با مستطیل از شکل (5-15) ایستگاههای 300 تا 1800.......................118شکل 5-17وارونسازی خط برداشت 12870 با نرمافزار BGR ................................................119شکل 5-18وارونسازی خط برداشت 12910 با نرمافزار BGR .................................................119شکل 5-19اطلاعات مورد نیاز برنامه نگاشته شده در محیط نرمافزار...........................................120شکل 5-20الف) نیم فضای همگن دادهها ب) مدل اولیه تعیین شده...........................................121شکل 5-21الف) منحنیهای دادههای واقعی و مدل اولیه تولید شده در فرکانسهای متناظر. ب) خطای عدم برازش مربوطه.......................................................................................122شکل 5-22نحوه نمایش نتایج مدلسازی دو پارامتر مقاومتویژه و ضخامت لایهها .....................122شکل 5-23نتایج مدلسازی مقید. ............................................................................................123شکل 5-24نتایج مدلسازی مقید بهبود یافته ...........................................................................123 فهرست جداولجدولصفحهجدول 4-1نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری فریزر بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است........................................ 78جدول4-2نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری فریزر بر حسب اهم- متر متناظر، با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است................................................ 78جدول4-3نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری ماندری بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ................................. 81جدول 4-4نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری ماندری بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ..................................... 81جدول 4-5نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت الف؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری سیمون بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، از روشهای مختلف که از روشهای مختلف بهدست آمده است...................................................................................................................... 84جدول 4-6نتایج مربوط به مدل مصنوعی شکل (4-2) قسمت ب؛ این نتایج با استفاده از روش تعیین مقاومتویژه ظاهری سیمون بر حسب اهم- متر، متناظر با نتایج مربوط به عمق مرکزی، که از روشهای مختلف بهدست آمده است ....................................... 84 -١ مقدمهمطالعات ژئوفيزيكي به كشف گيلبرت[1] در سال1600 برميگردد؛ كه زمين را مانند يك مغناطيس غولپيكر، در نظر گرفت. اما اولين قدم در كاربرد اين علم براي اكتشاف مواد معدني به سال 1843 ميرسد و زماني كه فونورده[2] از تئودوليت مغناطيسي براي اندازهگيري تغييرات ميدان مغناطيسي زمين به منظور اكتشاف تودههاي آهن استفاده نمود. به دنبال آن در سال 1879 رابرت تالن[3] با تاليف كتاب كشف ذخايرآهن به وسيله روشهاي مغناطيسي قدم مؤثري در جهت كاربردي نمودن ژئوفيزيك اكتشافي برداشت (Dobrin and Savit, 1988).با گذشت زمان و استفاده از ذخایر کمعمق موجود، راهی جز اکتشاف منابع عمیقتر باقی نمانده است. روشهای ژئوفیزیکی از جمله روشهای پرکاربرد در اکتشاف غیرمستقیم کانسارها، نفت، گاز، آب و همچنین کارهای مهندسی میباشند. اکتشافات بسیاری از کانهها و کانیهای اقتصادی با استفاده از روشهای ژئوفیزیکی غیر لرزهای مانند ژئوالکتریک، مغناطیسسنجی، الکترومغناطیس[4] و گرانیسنجی صورت میگیرد. در این میان روشهای الکترومغناطیسی را میتوان پس از روش مغناطیسسنجی از جمله متداولترین روشها در اکتشافات معدنی به شمار آورد(Reynolds, 1997).روشهای ژئوفیزیک هوابرد مانند مغناطیسسنجی، الکترومغناطیس، گرانیسنجی و غیره دارای سرعت عملیات بسیار بالا میباشند؛ که هر کدام بنا به خاصیت فیزیکی مورد مطالعه مربوط به ساختارهای زیر سطحی، کاربردهای متفاوتی دارند.امروزه روشهای الکترومغناطیسیعلاوه بر موارد فوق، در اکتشاف و تعیین آلودگی منابع آب زیرزمینی و غیره به کار میروند (Tølbøll, 2007). این روشها به دلیل تنوع سیستمها و قابلیتهایی چون سرعت بالای عملیات برداشت دادهها و قیمت مناسب، با سرعت زیادی در حال توسعه میباشد (Reynolds, 1997).اندازهگیریهای الکترومغناطیسی میتواند به دو صورت فعال و غیر فعال صورت گیرد. در اندازهگیری با چشمه غیرفعال، از سیگنالهای طبیعی زمین استفاده میشود. اما در اندازهگیری با چشمه فعال یا با چشمه کنترل شونده[5] در یک مکان مشخص، فرستندهای مصنوعی در نزدیکی محل برداشت و یا در مکانی دورتر از محل برداشت (مانند فرستندههای نظامی و غیر نظامی رادیویی که برای تولید امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار پایین[6] در مگنتوتلوریک رادیویی[7] استفاده میشود) نصب میشود (Nabighian, 1996). لازم به ذکر است حوزه مورد مطالعه در این تحقیق روش الکترومغناطیسی با چشمه کنترل شونده میباشد.روش الکترومغناطیس هوابرد حوزه فرکانس با القای میدان مغناطیسی متناوب در فرکانسهای مختلف، در ساختارهای زیرسطحی یک جریان الکتریکی القا میکند؛ که بسته به رسانندگی (یا مقاومتویژه) ساختار مورد مطالعه، جریان القا شده یک میدان مغناطیسی القایی متقابل ایجاد میکند. این میدان القایی بسیار ضعیف است و با واحد قسمت در میلیون (ppm)محاسبه میشوند؛ که از نسبت میدان گیرنده به فرستنده بهدست میآید. دادههای برداشت شده دارای دو قسمت همفاز و ناهمفاز (حقیقی و موهومی) هستند (Zhdanov, 2009).در شکل (1-1) یک سیستم برداشت هلیکوپتری دادههای الکترومغناطیسی نشان داده شده است. معمولاً در این سیستم برای برداشت دادههای الکترومغناطیسی، بسته به فرکانسهای استفاده شده برای تولید میدان مغناطیسی در منبع، چندین پیچه در قسمت فرستنده و گیرنده به ازای فرکانسهای متفاوت استفاده میشود. هر چه فرکانس استفاده شده در منبع موج الکترومغناطیسی بیشتر باشد، عمق نفوذ موج الکترمغناطیسی کاهش مییابد. با این روشِ برداشت داده میتوان چندین سری داده را به ازای فرکانسهای برداشت متفاوت با عمق نفوذهای متفاوت برداشت کرد. به عبارتی هر نقطه برداشت یک سونداژ عمقی است. در این نوع برداشتهای هوابرد معمولا یک مغناطیسسنج دقیق برای ثبت آنومالیهای مغناطیسی و یک حسگر رادیومتری نیز وجود دارد. تجهیزات دقیقی چون GPSهای دو فرکانسه، دوربینهای ویدیویی و ارتفاعسنجهای لیزری نیز در این سیستم به کار میروند Huang and Fraser, 2000)).