Avances en geofísica para ahondar en las profundidades de la Tierra
El reto para los científicos que estudian el subsuelo de la Tierra es similar al de cartografiar una estructura compleja sin luz: utilizan únicamente ondas acústicas y electromagnéticas que rebotan en las superficies. El coste computacional de interpretar estos ecos en tiempo real es asombroso. La técnica empleada para descifrar estas mediciones registradas se denomina «inversión». El proyecto MATHROCKS, financiado por las acciones Marie Skłodowska-Curie, se creó para diseñar y aplicar métodos de simulación e inversión de nueva generación que permitan caracterizar los materiales que componen el subsuelo terrestre. Mediante la integración de los últimos avances en matemáticas aplicadas, computación de alto rendimiento y sistemas de adquisición de datos geofísicos, el equipo de MATHROCKS se fijó cuatro ambiciosos objetivos. Entre ellos, descifrar la propagación de ondas en rocas porosas, perfeccionar métodos numéricos y simulaciones, aplicar técnicas matemáticas avanzadas a problemas geofísicos, así como mejorar el análisis y la interpretación de datos.
Avances en análisis acústico e interpretación geológica
Para lograr caracterizar las propiedades acústicas de las rocas porosas, el equipo del proyecto superó varios retos matemáticos y computacionales implicados en este complejo proceso. «Uno de esos retos era la necesidad de reducir un dominio infinito a uno acotado, lo cual se consiguió utilizando una técnica conocida como “condiciones de contorno absorbentes” (o artificiales)», afirma David Pardo, coordinador del proyecto. Además, para abordar cuestiones relacionadas con la poroelasticidad —la interacción entre los poros de las rocas llenos de fluidos y las ondas elásticas—, el equipo elaboró condiciones de contorno artificiales utilizando el método de Galerkin discontinuo hibridable. También se desarrollaron esquemas temporales implícitos de alto orden utilizando el método discontinuo de Petrov-Galerkin para las simulaciones de propagación de ondas. A pesar de las dificultades inherentes a la propagación de ondas, sobre todo en regímenes de alta frecuencia con soluciones muy oscilantes, el equipo desarrolló esquemas de aproximación de alto orden eficientes y estables para calcular soluciones precisas. «Introdujimos un nuevo método que fusiona el análisis de elementos finitos con el método de marcha rápida aplicado a imágenes de tomografía computarizada. Esto nos permitió dilucidar cómo se propagan las ondas elásticas en las rocas porosas», explica Pardo. Los parámetros clave de la roca que afectan a la propagación de las ondas se identificaron mediante la optimización y la recuperación de las propiedades del objeto a partir de patrones de campo lejano. Para mejorar el análisis de datos y la interpretación de datos geofísicos, los investigadores utilizaron técnicas de aprendizaje profundo y optimización de parámetros. El objetivo de este trabajo era mejorar la comprensión de las propiedades de la Tierra y optimizar las operaciones de perforación. Se propusieron varios modelos de parametrización que se validaron mediante experimentos y constituyeron la versión alfa del modelo, el cual se seguirá actualizando en función del perfil real del subsuelo terrestre. La integración de algoritmos de aprendizaje profundo en los métodos numéricos existentes mostró resultados prometedores en la resolución de problemas inversos en tiempo real, un avance significativo hacia la descripción precisa de la geología de las regiones analizadas.
Despertar el interés de la industria e inspirar a futuros científicos
Los logros del equipo de MATHROCKS ya han despertado el interés de la industria geofísica; varias empresas petroleras internacionales están interesadas en integrar algoritmos de aprendizaje profundo en métodos numéricos para las propagaciones de ondas. Además, los resultados del proyecto se presentaron en la reunión anual sobre evaluación de formaciones celebrada en la Universidad de Texas, Austin (Estados Unidos), ante representantes de más de veinticinco empresas diferentes relacionadas con el petróleo. En el proyecto también se avanzó notablemente en materia de comunicación científica, gracias a la difusión de su labor a escala local, nacional y europea, las actividades con estudiantes de secundaria y la participación en jornadas científicas de puertas abiertas para iniciar a los niños en la ciencia. Además, se estableció una colaboración con la iniciativa «Mujeres con Ciencia» para promover la concienciación sobre el papel fundamental de la mujer en las ciencias.
Palabras clave
MATHROCKS, Tierra, propagación de ondas, subsuelo, roca porosa, inversión, aprendizaje profundo, condiciones de contorno artificiales, método de marcha rápida
