Análise de incertezas e inversão conjunta para aprimoramento da modelagem crustal

Abstract

O objetivo deste trabalho é apresentar duas novas metodologias para aprimorar a modelagem crustal usando inversão conjunta de múltiplos dados geofísicos. O primeiro método proposto é a análise das incertezas da inversão conjunta da função do receptor e dispersão de ondas superficiais. Inversões conjuntas destes dois grupos de dados estão se tornando populares devido à capacidade de reduzir a não-unicidade em modelos de velocidades de ondas sísmicas. No entanto, as incertezas dos modelos calibrados são geralmente negligenciadas ou ignoradas e as metodologias utilizadas não possuem formulação formal. É proposto, portanto, um método quantitativo de determinação de incertezas a partir da predição de amostras observadas, normalmente aplicada para hidro-geofísica e modelagem ambiental. A metodologia é testada em dados sintéticos e aplicada em dados de campo coletados pela estação sismográfica POPB, parte do Brazilian Lithospheric Seismic Project, localizada na Bacia do Paraná, sudeste do Brasil. Os resultados obtidos nesses testes mostram uma faixa de valores dos parâmetros invertidos de 0,111 a 0,412 km/s (2,5% a 9,2%), e 0,110 a 0,341 km/s (2,5% a 7,9%) para os testes com dados sintéticos e de campo, respectivamente. O segundo método proposto é a inversão conjunta de função do receptor, dispersão de ondas de superfície e dados magnetotelúricos para modelagem crustal 2D. A metodologia de inversão usa o algoritmo de Gauss-Marquardt-Levenberg para minimizar uma função objectivo multicomponente com um vínculo estrutural do gradiente cruzado (similaridade estrutural geométrica dos diferentes parâmetros físicos). O procedimento proposto foi testado utilizando dados sintéticos de modelos realísticos de perifs 1D de velocidade de ondas sísmicas co-localizados com um perfil 2D de resistividade. Os resultados mostram uma melhora na estrutura de resistividade estimada em comparação com a inversão de parâmetros de resistividade utilizando apenas dados magnetotelúricos. As melhorias incluem a resolução de variações laterais da profundidade das descontinuidades, e a identificação da zona de alta resistividade subjacente a uma zona de alta condutividade. Para os modelos 1D de velocidades de ondas sísmicas, os valores absolutos da velocidade de onda S das camadas do perfil são próximos dos valores sintéticos (+ / - 3%), demonstrando os benefícios da inversão conjunta. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The aim of this work is to present two new methodologies to improve crustal imaging using joint inversion of multiple data set. The first proposed method is the uncertainties analysis of the joint inversion of receiver function and surface waves dispersion. Joint inversions of these two data groups have recently become popular due to the improvement to reduce the non-uniqueness of seismic velocities imaging. However, the uncertainties of calibrated models are usually overlooked or ignored and the methodologies applied for uncertainty assessment have no formal formulation. It is proposed a quantitative method for uncertainty assessment using observation samples prediction, usually applied for hydro-geophysics and environment modeling. The methodology is tested in synthetic data and applied in field data collected from the seismic station POPB, part of the Brazilian Lithospheric Seismic Project, located in the Paraná Basin, southeast Brazil. The results of these tests show reliable range of values for the inverted parameters from 0.111–0.412 km/s (2.5% – 9.2%), and 0.110–0.341 km/s (2.5% – 7.9%) for synthetic and field tests respectively. The second proposed method is the joint inversion of receiver function, surface waves dispersion and magnetotelluric data for 2D crust modelling. The inversion methodology uses a Gauss- Marquardt-Levenberg algorithm to minimize a multi-component objective function with a cross-gradient constraint (geometric structure similarity of different physical parameters). The proposed procedure was tested using synthetic data from realistic 1D seismic models co-located with a 2D magnetotelluric profile. Results show improved resolution in the estimated resistivity structure compared to the traditional inversion of resistivity parameters using only magnetotelluric data. Improvements include resolving lateral variations and depth of discontinuities, and a high-resistivity zone underlying a highconductivity zone (500-fold contrast). For the seismic 1D models, the absolute values of layer shear-wave velocity are closer (+/-3%) to the synthetic model crustal structures demonstrating benefits of the joint inversion.