پژوهشهای دانش زمین

پژوهشهای دانش زمین

تحلیل عدم قطعیت مدلسازی وارون توموگرافی پلاریزاسیون القائی با استفاده از الگوریتم بازنمونه‌برداری ناپارامتری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه فیزیک زمین، موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران
2 گروه فیزیک زمین موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران
چکیده
چکیده گسترده

مقدمه

توموگرافی پلاریزاسیون القایی (IPT) یک روش ژئوفیزیکی غیرتهاجمی برای تصویربرداری زیرسطحی بر اساس تغییرات پارامتر قطبش‌پذیری است که در زمینه‌های مختلفی از جمله اکتشاف منابع زیرسطحی و مطالعات زیست‌محیطی کاربرد دارد. هدف اصلی در وارون‌سازی داده‌های IPT، استنتاج خواص فیزیکی زیرسطحی از داده‌های نویزدار است که این فرآیند غالباً با عدم قطعیت‌های مختلفی همراه است. این عدم قطعیت‌ها به دو دسته عمده شامل نویز ذاتی داده‌ها و دانش ناقص از فیزیک مسئله تقسیم می‌شوند. در این پژوهش، بررسی عدم قطعیت مدل‌های قطبش‌پذیری حاصل از وارون‌سازی داده‌های IPT با استفاده از روش بازنمونه‌برداری بوت‌استرپ بلوکی متحرک (MBB) مورد توجه قرار گرفته است. این روش، از طریق تولید مجموعه‌ای از مدل‌ها با سطح برازش تعریف‌شده به داده‌های مشاهده‌ای، به تحلیل عدم قطعیت در مدل‌ها کمک می‌کند. بوت‌استرپ بلوکی متحرک به طور خاص به منظور بهبود دقت نمونه‌برداری در داده‌هایی طراحی شده است که احتمال همبستگی و وابستگی بین نمونه داده‌ها وجود دارد. این رهیافت با هدف ارزیابی عدم قطعیت پارامترهای مدل در شرایط مختلف، هم از نظر داده‌های مصنوعی و هم از نظر داده‌های صحرایی، به کار می‌رود. نتایج این تحقیق می‌تواند به بهبود تحلیل‌های ژئوفیزیکی و تصمیم‌گیری‌های مرتبط با پیش‌بینی شرایط زیرسطحی کمک کند. مدل‌سازی‌های عددی در داده‌های مصنوعی و صحرایی نشان می‌دهد که افزایش پیچیدگی مدل زیرسطحی و کاهش حساسیت مدل به داده‌ها منجر به افزایش عدم قطعیت در مدل وارون‌شده می‌شود. در مدل وارون‌شده می‌شود. همچنین مشاهده شد که نوع جمله منظم‌ساز و نیز پارامترهای منظم‌ساز در کمّی‌سازی عدم قطعیت مؤثر هستند. در پژوهش پیش رو، شاهد توسعه نرم‌افزاری بومی شامل بخش‌های متنوع و جامع در خصوص مدل‌سازی پیشرو، بازنمونه‌برداری مؤثر به سبک ذکر شده و مدل‌سازی وارون در فضای برنامه‌نویسی متلب هستیم که کم و کیف آن توسط داده‌های مصنوعی و داده‌های صحرایی آزموده شده است. نتایج و تفاسیر آن به صورت مدل‌های متنوع در معرض نمایش است که شامل دو مدل مصنوعی با شارژپذیری و مقاومت‌ویژه مشخص برای بازسازی زمین‌های مستعد ذخایر معدنی و کانه‌های ارزشمند فلزی و سولفیدی پوشیده‌شده با لایه‌ای آبرفتی می‌باشد. در ادامه، سه پروفیل مربوط به دو منطقه متفاوت از شمال‌غربی و جنوب‌شرقی ایران انتخاب شده است. منطقه اول با پروفیل ۲۰۰۰ متری و حجم داده بالا، و منطقه دوم با دو پروفیل ۸۰۰ متری و وجود گمانه‌های اکتشافی گواه خوبی برای سنجش و آزمایش این رهیافت هستند.

مواد و روش‌ها

این پژوهش در قالب یک مسیر تحلیلی گام‌به‌گام طراحی شده است که شامل مراحل زیر می‌باشد: مدل‌سازی پیشرو پاسخ پلاریزاسیون القایی، تولید داده‌های مصنوعی با نوفه کنترل‌شده، وارون‌سازی داده‌های مقاومت ویژه و شارژپذیری، پیاده‌سازی الگوریتم بازنمونه‌برداری MBB، و در نهایت تحلیل آماری نتایج. مدل‌سازی پیشرو: در این پژوهش، برای شبیه‌سازی پاسخ زمین به روش پلاریزاسیون القایی در حوزه زمان، از مدل اغتشاش بارپذیری پیشنهادشده توسط سیگل (Seigel, 1959) استفاده شده است. در این مدل، شارژپذیری ظاهری (η_a) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

η_a= V_s/V_p = (V_p-V_σ)/V_p =(F_dc [σ(1-η)]-F_dc [σ])/(F_dc [σ(1-η)] )

که در آن σ رسانندگی، η شارژپذیری، V_p ولتاژ اولیه، V_s ولتاژ ثانویه، و F_dc عملگر مدلسازی پیشرو مقاومت‌ویژه DC است. برای مدل‌سازی پیشرو از آرایه دایپل-دایپل با فاصله الکترودی ۲۰ متر و تعداد پرش ۸ استفاده شده است. به داده‌های تولیدشده، نوفه گوسی به میزان ۵ درصد دامنه داده‌ها (مقاومت‌ویژه ظاهری و شارژپذیری ظاهری) افزوده شده است.

وارون‌سازی: برای وارون‌سازی داده‌ها، از رویکرد غیرخطی لی و اولدنبرگ (Oldenburg and Li, 1994) استفاده شده است. تابع هدف این الگوریتم که شامل مجموع وزن‌دار تابع تطابق با داده‌ها (Φ_d) و تابع پایداری مدل (Φ_η) است، به صورت زیر تعریف می‌شود:

Ψ(η,α)=min⁡(Φ_d+αΦ_η )=min⁡(‖W_d (d-f(η))‖_2^2++α‖W_m (η-η_apr)┤‖_2^2 ),

در این رابطه، η مدل شارژپذیری، α ضریب میرایی، W_d ماتریس وزن‌دهی داده‌ها (معکوس خطای داده‌ها) W_m ماتریس هموارساز مدل (ترکیبی از مشتقات افقی و عمودی)، و η_aprمدل شارژپذیری پیشین است. فرآیند وارون‌سازی با مدل اولیه 〖η 〗^0که از میانگین هندسی داده‌های شارژپذیری ظاهری به‌دست آمده، آغاز می‌شود. ماتریس حساسیت IP در هر تکرار به‌روزرسانی شده و روش عددی تکراری تا رسیدن به همگرایی ادامه می‌یابد. بازنمونه‌برداری بوت‌استرپ بلوکی متحرک (MBB): به منظور تحلیل عدم قطعیت، از الگوریتم بازنمونه‌برداری MBB استفاده شده است. در این روش، بر خلاف بوت‌استرپ کلاسیک که استقلال داده‌ها را فرض می‌کند، ساختار وابستگی و همبستگی داده‌ها حفظ می‌شود. مراحل نمونه‌برداری به تعداد مشخص (در این پژوهش ۱۰۰۰ بار) تکرار می‌شود تا مجموعه‌ای از داده‌های بازنمونه‌برداری‌شده تولید گردد. سپس برای هر یک از این پیشامدها، فرآیند وارون‌سازی به طور مستقل انجام می‌شود. در نهایت، از بین مدل‌های وارون‌شده، آن‌هایی که دارای سطح برازش مناسب هستند (معیار χ^2≤m+√2mکه در آن m تعداد داده‌ها است) به عنوان مدل‌های معادل انتخاب شده و میانگین و انحراف معیار آن‌ها محاسبه می‌شود. میانگین نشان‌دهنده ساختار پایدار مدل و انحراف معیار بیانگر نقشه عدم قطعیت مدل وارون‌شده است.

نتایج و بحث

نتایج حاصل از مدل‌سازی‌های مصنوعی و داده‌های صحرایی نشان می‌دهد که رویکرد بازنمونه‌برداری بوت‌استرپ بلوکی متحرک (MBB) ابزاری کارآمد برای کمّی‌سازی عدم قطعیت در وارون‌سازی داده‌های توموگرافی پلاریزاسیون القائی محسوب می‌شود. در هر دو مدل مصنوعی طراحی‌شده، مشاهده گردید که مدل میانگین حاصل از ۱۰۰۰ اجرای بازنمونه‌برداری، ساختارهای اصلی زیرسطحی (از جمله موقعیت آنومالی‌ها، مرز لایه‌ها و زون‌های دگرسانی) را با دقت مناسبی در مقایسه با مدل وارون‌سازی تکی بازسازی می‌کند. نقشه‌های انحراف معیار حاصل از تحلیل عدم قطعیت، به‌طور سیستماتیک نواحی با بیشترین تغییرپذیری مدل را مشخص کردند. در مدل مصنوعی اول، بیشترین عدم قطعیت در مرز بین لایه سطحی و محیط میزبان و نیز در لبه‌های آنومالی مشاهده شد. در مدل مصنوعی دوم که پیچیدگی بیشتری داشت (شامل ساختار گسلی و سه ناحیه با خواص متفاوت)، عدم قطعیت نه تنها در مرز رولایه و محیط گسلی، بلکه در درون محیط با شارژپذیری بالاتر نیز افزایش یافت. این الگوها بیانگر آن است که عدم قطعیت عمدتاً در نواحی با گرادیان شدید پارامترهای فیزیکی و همچنین در بخش‌هایی از مدل که حساسیت داده‌ها به پارامترها کاهش می‌یابد، متمرکز است. این یافته با مبانی نظری مسئله معکوس بدوضع همخوانی دارد و نشان می‌دهد که روش MBB قادر است به‌طور طبیعی نواحی نیازمند برداشت‌های تکمیلی یا تحلیل‌های دقیق‌تر را برجسته سازد. در داده‌های صحرایی، تطابق قابل توجهی بین پهنه‌های شارژپذیری بالا در مدل‌های وارون‌شده و بازه‌های کانی‌سازی ثبت‌شده در گمانه‌های اکتشافی (N23 و N12) مشاهده شد. این همخوانی عمقی و افقی، اعتبار روش پیشنهادی را در شرایط واقعی تأیید می‌کند. به‌ویژه در پروفیل‌های ۲ و ۵ از منطقه خوسف، هم‌مکانی پهنه‌های با شارژپذیری بیش از ۱۴-۱۵ میلی‌ولت بر ولت و مقاومت‌ویژه کمتر از ۲۰ اهم‌متر با لاگ‌های کانی‌سازی سولفیدی، نشان‌دهنده کارایی بالای روش در تفکیک زون‌های دگرسانی و کانه‌زایی از سنگ‌های سالم است. همچنین مشاهده شد که بیشترین عدم قطعیت در نواحی گذار میان سنگ‌های مقاوم و زون‌های دگرسان قرار دارد که با تغییرات لیتولوژیکی گزارش‌شده در گمانه‌ها مطابقت دارد. این نکته حائز اهمیت است که روش MBB نه تنها به شناسایی زون‌های کانه‌زایی کمک می‌کند، بلکه مرزهای عدم قطعیت بالا را که نواحی پرریسک از نظر زمین‌شناسی هستند، آشکار می‌سازد. در داده صحرایی اول (منطقه مشگین‌شهر) که فاقد گمانه اکتشافی بود، تحلیل عدم قطعیت نشان داد که بخش غربی پروفیل برداشت، بالاترین انحراف معیار را دارد. این بخش پیش‌تر در شبه‌مقاطع نیز رفتار متفاوتی از نظر مقاومت‌ویژه پایین و شارژپذیری بالا نشان داده بود. هم‌راستایی این عدم قطعیت بالا با زون دگرسانی احتمالی (آرژیلیک) حاکی از آن است که حتی در نبود داده‌های کنترلی مستقیم، نقشه انحراف معیار می‌تواند به عنوان شاخصی برای شناسایی نواحی پیچیده و نیازمند بررسی‌های تکمیلی عمل کند. از سوی دیگر، نتایج نشان داد که نوع جمله منظم‌ساز و ضرایب آن تأثیر مستقیمی بر میزان عدم قطعیت برآوردشده دارند. استفاده از نرم L_2 به همراه ماتریس‌های هموارسازی افقی و عمودی، منجر به مدل‌های پیوسته‌تر و کاهش نسبی عدم قطعیت در نواحی همگن گردید، اما در عین حال مرزهای تیز ساختارهای زمین‌شناسی را تا حدودی هموار کرد. این مشاهدات لزوم بهینه‌سازی پارامترهای منظم‌سازی متناسب با هدف مطالعه (تشخیص ساختارهای پیوسته در مقابل ساختارهای گسسته) را گوشزد می‌کند. در مجموع، نتایج بحث حاضر مؤید آن است که رویکرد بازنمونه‌برداری MBB، فراتر از صرفاً کمّی‌سازی عدم قطعیت، قابلیت‌های زیر را نیز فراهم می‌آورد: شناسایی نواحی با حساسیت بالا و نیازمند بررسی بیشتر، اعتبارسنجی غیرمستقیم نتایج وارون‌سازی در نبود داده‌های کنترلی، و فراهم کردن مبنایی برای تصمیم‌گیری در طراحی برداشت‌های تکمیلی. این ویژگی‌ها به ویژه در اکتشافات معدنی و مطالعات زیست‌محیطی که هزینه حفاری و برداشت‌های اضافی بسیار بالاست، از ارزش عملی بالایی برخوردارند.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش، یک چارچوب جامع برای کمّی‌سازی عدم قطعیت در وارون‌سازی داده‌های توموگرافی پلاریزاسیون القایی با استفاده از روش بازنمونه‌برداری ناپارامتری بوت‌استرپ بلوکی متحرک ارائه و پیاده‌سازی شد. الگوریتم بومی توسعه‌یافته در محیط MATLAB، قادر به انجام مدل‌سازی پیشرو، اعمال نوفه کنترل‌شده، وارون‌سازی دوبعدی مقاومت‌ویژه و شارژپذیری، و تولید مجموعه‌های متعدد داده بازنمونه‌برداری‌شده با قابلیت تنظیم طول بلوک، درصد حذف و تعداد تکرار است. عملکرد این چارچوب بر روی دو مدل مصنوعی با سطوح پیچیدگی متفاوت و سه مجموعه داده صحرایی از دو منطقه زمین‌شناسی مجزا (مشگین‌شهر و خوسف) مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از مدل‌های مصنوعی نشان داد که نقشه‌های انحراف معیار به‌وضوح نواحی با عدم قطعیت بالا را که عمدتاً منطبق بر مرزهای زمین‌شناسی، لبه‌های آنومالی و نواحی با گرادیان شدید پارامترهای فیزیکی هستند، مشخص می‌کند. این یافته با ماهیت بدوضع مسئله وارون ژئوفیزیکی همخوانی کامل دارد. در داده‌های صحرایی، تطابق معناداری بین پهنه‌های شارژپذیری بالا در مدل‌های وارون‌شده و بازه‌های کانی‌سازی ثبت‌شده در گمانه‌های اکتشافی (منطقه خوسف) مشاهده شد. این همخوانی، اعتبار روش پیشنهادی را در شرایط واقعی تأیید می‌کند. همچنین در منطقه مشگین‌شهر که فاقد گمانه بود، نقشه عدم قطعیت توانست بخش غربی خط برداشت (که پیش‌تر رفتار ژئوفیزیکی متفاوتی داشت) را به عنوان ناحیه‌ای با پیچیدگی بالا و نیازمند بررسی تکمیلی معرفی کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Uncertainty Analysis in Induced Polarization Tomography Inverse Modeling using Non-Parametric Resampling Method

نویسندگان English

Ashkan Rahmati Shad 1
Reza Ghanati 1
Mahdi Fallahsafari 2
1 Earth Physics department, Institute of Geophysics, University of Tehran
2 Earth Physics department, Institute of Geophysics, University of Tehran
چکیده English

Extended Abstarct

Introduction

Induced polarization tomography (IPT) is a non-invasive geophysical method for subsurface imaging based on changes in the polarization parameter, which is used in various fields such as subsurface resource exploration and environmental studies. The main goal of induced polarization tomography data inversion is to infer subsurface physical properties from noisy data, which is often accompanied by various uncertainties. These uncertainties are divided into two main categories, including inherent data noise and incomplete knowledge of the physics of the problem. In this study, the uncertainty of polarization models resulting from induced polarization tomography data inversion using moving block bootstrap (MBB) resampling methods is considered. This method helps to analyze uncertainty in models by generating a set of models with a defined level of fit to the observed data. The moving block bootstrap is specifically designed to improve sampling accuracy in data where there is a possibility of correlation and dependence between data samples. This approach is used to assess the uncertainty of model parameters under different conditions, both in terms of synthetic data and field data. The results of this research can help improve geophysical analyses and decision-making related to predicting subsurface conditions. Numerical modeling on synthetic and field data shows that increasing the complexity of the subsurface model and decreasing the sensitivity of the model to the data leads to an increase in uncertainty in the inverted model. It was also observed that the type of regularization sentence as well as the regularization parameters are effective in quantifying uncertainty. In the present study, we are witnessing the development of a native software including diverse and comprehensive sections on forward modeling, effective resampling in the aforementioned style, and inverse modeling in the MATLAB programming environment, which has been tested with synthetic data and field data, the results and interpretations of which are presented in the form of diverse models. These data include two synthetic productions with chargeability and specific resistance specified for the reconstruction of lands prone to mineral deposits and valuable metal and sulfide minerals covered with alluvial overburden. In the following, three profiles from two different regions of northwest and southeast Iran have been selected, the first study area with a 2000-meter profile and high data volume, and the second area with two 800-meter profiles and the presence of exploratory boreholes are good evidence for measuring and testing this approach. Another innovation carried out in this research is the use of image processing and analysis methods to detect the percentage of similarity of changes based on exploratory hypotheses in real models.

Materials and Methods

This research follows a step-by-step analytical workflow including: forward modeling of induced polarization response, generation of synthetic data with controlled noise, inversion of resistivity and chargeability data, implementation of the MBB resampling algorithm, and finally statistical analysis of results.

Forward Modeling: To simulate the earth's response to time-domain induced polarization, the chargeability perturbation model proposed by Seigel (1959) was used. Apparent chargeability (η_a) is calculated from:



η_a= V_s/V_p = (V_p-V_σ)/V_p =(F_dc [σ(1-η)]-F_dc [σ])/(F_dc [σ(1-η)] )

where σ is conductivity, η is chargeability, V_p is primary voltage, V_s is secondary voltage, and F_dc is the DC resistivity forward modeling operator. A dipole-dipole array with 20 m electrode spacing and 8 jumps was used. Gaussian noise of 5% of data amplitude was added to the generated data.

Inversion: For data inversion, the non-linear approach of Oldenburg and Li (1994) was used. The objective function, consisting of the weighted sum of data misfit (Φ_d) and model stability (Φ_η), is defined as:

Ψ(η,α)=min⁡(Φ_d+αΦ_η )=min⁡(‖W_d (d-f(η))‖_2^2++α‖W_m (η-η_apr)┤‖_2^2 ),

Here, η is the chargeability model, α is the damping factor, W_d is the data weighting matrix (inverse of data error), W_m is the model smoothing matrix (combination of horizontal and vertical derivatives), and η_apr is the prior chargeability model. The inversion starts with an initial model η^0 obtained from the geometric mean of apparent chargeability data. The IP sensitivity matrix is updated at each iteration, and the iterative numerical method continues until convergence.

Moving Block Bootstrap (MBB) Resampling: To analyze uncertainty, the MBB resampling algorithm was used. Unlike classical bootstrap that assumes data independence, this method preserves the correlation and dependence structure of the data. Inversion is then performed independently for each realization. Finally, among the inverted models, those with an appropriate fit level (χ^2≤m+√2m), where m is the number of data) are selected as equivalent models, and their mean and standard deviation are calculated. The mean represents the stable model structure, while the standard deviation represents the uncertainty map of the inverted model.



Results and Discussion

Results from synthetic modeling and field data indicate that the Moving Block Bootstrap (MBB) resampling approach is an effective tool for quantifying uncertainty in the inversion of induced polarization tomography data. In both designed synthetic models, it was observed that the mean model derived from 1000 resampling runs reconstructed the main subsurface structures (including the location of anomalies, layer boundaries, and alteration zones) with reasonable accuracy compared to a single inversion model. The standard deviation maps from the uncertainty analysis systematically identified the areas with the highest model variability. In the first synthetic model, the highest uncertainty was observed at the boundary between the surface layer and the host medium, as well as at the edges of the anomaly. In the second, more complex synthetic model (which included a fault structure and three zones with different properties), uncertainty increased not only at the overburden-fault boundary but also within the environment exhibiting higher chargeability. These patterns indicate that uncertainty is mainly concentrated in areas with sharp gradients in physical parameters, as well as in parts of the model where data sensitivity to the parameters decreases. This finding is consistent with the theoretical foundations of the ill-posed inverse problem and demonstrates that the MBB method can naturally highlight areas requiring supplementary surveys or more detailed analyses. In the field data, a significant agreement was observed between high-chargeability zones in the inverted models and the mineralization intervals recorded in exploratory boreholes (N23 and N12). This depth and lateral consistency confirms the validity of the proposed method under real conditions. Particularly in Profiles 2 and 5 from the Khosf area, the coincidence of zones with chargeability exceeding 14-15 mV/V and resistivity below 20 Ωm with the sulfide mineralization logs demonstrates the high efficiency of the method in distinguishing alteration and mineralization zones from barren rocks. It was also observed that the highest uncertainty lies in the transition zones between resistive rocks and altered zones, which matches the lithological changes reported in the boreholes. Importantly, the MBB method not only helps identify mineralization zones but also reveals the boundaries of high uncertainty, which represent geologically high-risk areas.

In the first field dataset (Meshgin-Shahr area), which lacked exploratory boreholes, the uncertainty analysis showed that the western part of the survey profile had the highest standard deviation. This section had previously shown different behavior in pseudo-sections, characterized by low resistivity and high chargeability. The alignment of this high uncertainty with a possible alteration zone (argillic) suggests that even in the absence of direct control data, the standard deviation map can serve as an indicator for identifying complex areas requiring supplementary investigation.

On the other hand, the results showed that the type of regularization term and its coefficients have a direct impact on the estimated uncertainty. The use of the L2 norm together with horizontal and vertical smoothing matrices led to more continuous models and a relative reduction of uncertainty in homogeneous areas, but at the same time somewhat smoothed the sharp boundaries of geological structures. These observations underscore the necessity of optimizing regularization parameters according to the study objective (distinguishing continuous versus discrete structures). In summary, the results of this discussion confirm that the MBB resampling approach, beyond merely quantifying uncertainty, provides the following capabilities: identifying high-sensitivity areas requiring further investigation, indirect validation of inversion results in the absence of control data, and providing a basis for decision-making in the design of supplementary surveys. These features are of high practical value, especially in mineral exploration and environmental studies where the cost of drilling and additional surveys is very high.



Conclusion

In this study, a comprehensive framework for quantifying uncertainty in induced polarization tomography data inversion using the non-parametric Moving Block Bootstrap (MBB) resampling method was presented and implemented. The custom-developed algorithm in MATLAB is capable of forward modeling, controlled noise application, 2D inversion of resistivity and chargeability, and generation of multiple resampled datasets with adjustable block length, removal percentage, and number of iterations (1000 times). Results from synthetic models showed that standard deviation maps clearly identify high-uncertainty areas, which mainly correspond to geological boundaries, anomaly edges, and zones with sharp gradients in physical parameters. For field data, significant agreement between high chargeability zones in inverted models and mineralization intervals recorded in exploratory boreholes (Khosf area) was observed, confirming the validity of the proposed method. Furthermore, in the Meshgin-Shahr area (lacking boreholes), the uncertainty map successfully identified the western part of the profile as a complex area requiring supplementary investigation.

کلیدواژه‌ها English

Resampling
chargeability
uncertainty quantification
inversion

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مرداد 1405