Rozwój dziedziny fizyki skał umożliwia badanie głębi Ziemi
Badanie obszarów znajdujących się pod powierzchnią naszej planety może przywodzić na myśl próbę opisania złożonej struktury bez możliwości obserwowania jej na własne oczy, wykorzystując w tym celu jedynie fale akustyczne i elektromagnetyczne odbijające się od różnych powierzchni. Interpretacja tych danych w czasie rzeczywistym wymaga jednak olbrzymich mocy obliczeniowych. W celu odszyfrowywania zarejestrowanych pomiarów wykorzystywana jest technika nazywana inwersją. Projekt MATHROCKS, finansowany w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” powstał z myślą o zaprojektowaniu oraz wdrożeniu nowoczesnych metod symulacji i inwersji, które mają pozwolić na scharakteryzowanie materiałów występujących pod powierzchnią Ziemi. Dzięki wykorzystaniu najnowszych osiągnięć w matematyce stosowanej, wysokowydajnych systemach obliczeniowych oraz w dziedzinie systemów gromadzenia danych geofizycznych, zespół projektu MATHROCKS mógł wyznaczyć sobie cztery ambitne cele. Wśród nich można wymienić analizę propagacji fal w porowatych skałach, udoskonalenie metod numerycznych i symulacji, zastosowanie zaawansowanych technik matematycznych do rozwiązywania problemów geofizycznych oraz usprawnienie analiz i interpretacji danych.
Rozwój analizy akustycznej i interpretacji danych geologicznych
Skuteczne scharakteryzowanie właściwości akustycznych porowatych skał wymagało rozwiązania szeregu wyzwań matematycznych i obliczeniowych związanych z tym złożonym procesem. „Jedno z nich dotyczyło potrzeby ograniczenia nieskończonego obszaru do obszaru domkniętego, co udało się zrealizować dzięki technice wyznaczania sztucznych punktów brzegowych”, wyjaśnia David Pardo, koordynator projektu. Aby rozwiązać problemy wynikające z poroelastyczności – wzajemnego oddziaływania między porami skał wypełnionymi płynem i falami sprężystymi – zespół wyznaczył sztuczne punkty brzegowe dzięki zastosowaniu nieciągłej metody Galerkina. Badacze opracowali także ciągi czasowe wysokiego rzędu przy użyciu nieciągłej aproksymacji Petrova-Galerkina w celu symulacji propagacji fal. Pomimo trudności związanych z propagacją fal, zwłaszcza w reżimach wysokiej częstotliwości, zespół opracował wydajne i stabilne metody aproksymacji wysokiego rzędu w celu obliczenia dokładnych rozwiązań. „Opracowaliśmy nową metodologię, która łączy metodę elementów skończonych z metodą szybkiego marszu, a następnie zastosowaliśmy ją do analizy obrazów tomografii komputerowej. Pozwoliło nam to wyjaśnić, w jaki sposób fale sprężyste rozchodzą się w porowatych skałach”, wyjaśnia Pardo. Kluczowe parametry skał wpływające na propagację fal zostały określone dzięki optymalizacji oraz ustalaniu właściwości obiektu z wzorców dalekich pól. Aby usprawnić analizę i interpretację danych geofizycznych, naukowcy wykorzystali techniki uczenia głębokiego oraz optymalizację parametrów wejściowych. Prace te miały na celu lepsze zrozumienie właściwości Ziemi i optymalizację odwiertów. Badacze zaproponowali szereg modeli parametryzacji, a następnie zweryfikowali je w ramach doświadczeń, opracowując wersję alfa modelu, który będzie rozwijany na podstawie profilu struktur znajdujących się pod powierzchnią Ziemi. Połączenie algorytmów głębokiego uczenia z istniejącymi metodami numerycznymi zaowocowało obiecującymi wynikami rozwiązywania problemów w czasie rzeczywistym, co stanowi znaczący krok naprzód w dziedzinie dokładnego opisywania geologii analizowanych regionów.
Zainteresowanie przemysłu, inspirowanie przyszłych badaczy
Osiągnięcia projektu MATHROCKS już teraz wzbudzają zainteresowanie branży geofizycznej – międzynarodowe firmy naftowe są zainteresowane połączeniem algorytmów uczenia głębokiego i metod numerycznych w celu analizy propagacji fal. Rezultaty prac zostały zaprezentowane przedstawicielom przeszło 25 spółek naftowych podczas dorocznego spotkania poświęconego ocenie formacji na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. Jednym z głównych obszarów projektu była komunikacja naukowa – jego rezultaty były rozpowszechniane na poziomach lokalnym, krajowym i europejskim. Badacze projektu brali udział między innymi w spotkaniach z uczniami szkół średnich i otwartych wydarzeniach naukowych, aby promować naukę wśród młodzieży. Ponadto zespół nawiązał współpracę z przedstawicielami inicjatywy „Mujeres con Ciencia” (Kobiety w nauce) w celu promowania świadomości kluczowej roli kobiet w naukach ścisłych.
Słowa kluczowe
MATHROCKS, Ziemia, propagacja fal, pod powierzchnią, skały porowate, inwersja, uczenie głębokie, sztuczne punkty brzegowe, szybki marsz
