Введение к работе
Актуальность работы связана с тем, что грязевые вулканы до сих пор являются малоизученными. У исследователей нет единого мнения об их строении и процессах происходящих в них. Для понимания природы и процессов, протекающих в грязевых вулканах необходимо создание 3D математических моделей и проведение детальных геофизических исследований.
Важным вкладом на пути решения указанной проблемы является расширение знаний о строении грязевых вулканов. Одним из путей изучения строения грязевых вулканов является активный вибросейсмический мониторинг. Проведение натурных геофизических экспериментов на грязевых вулканах позволяет получить некоторые представления о скоростных параметрах упругой среды, а также о геометрии изучаемого объекта. Но в процессе обработки результатов полевого эксперимента могут возникнуть интересные эффекты, требующие дальнейшего исследования. В связи с тем, что реальная область исследования имеет сложный рельеф, нет возможности поставить площадную систему наблюдения для последующего решения обратной геофизической задачи. Поэтому все изучение сосредоточено на решении прямых задач геофизики и исследовании сейсмических полей.
Для этого необходим определенный математический аппарат, который позволит, во первых, сконструировать трехмерную модель исследуемого объекта, а во вторых получить полное волновое поле для объяснения тех или иных эффектов. На основе выбранного математического аппарата возможна разработка программного комплекса, который позволит решать прямую динамическую геофизическую задачу.
Данный комплекс должен обладать возможностями моделирования различных неоднородных упругих сред с различными упругими параметрами со специфической геометрией, обусловленной некоторыми предположениями о строении грязевых вулканов. В зависимости от многих факторов, связанных с конкретным изучаемым объектом, решение задачи численного моделирования распространения упругих волн от сосредоточенного источника может требовать значительных вычислительных ресурсов. Поэтому необходима разработка комплекса параллельных программ для уменьшения времени расчета и возможностью моделирования «больших» 3D моделей упругих сред. Отметим, что комплекс программ может применяться и для определения наиболее подходящего места для расположения системы наблюдения при проведении различных геофизических экспериментов по вибросейсмическому зондированию.
Создание и использование вычислительного инструментария (комплекса параллельных программ) для проведения численных экспериментов делает возможным решение поставленной задачи. Цель диссертационной работы:
развитие, обоснование и разработка методов численного моделирования сейсмических полей для 3D сложно построенных сред, характерных для грязевых вулканов;
создание методики исследования вулканических структур с применением вибросейсмических источников.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
Изучение, адаптация и применение алгоритмов и специализированных методов для моделирования упругих волн в трехмерных моделях неоднородных сложно построенных упругих сред.
Создание вычислительного и программного инструментария для решения актуальных исследовательских и прикладных задач численного моделирования сейсмических полей в таких средах.
Решение с помощью созданного комплекса программ задач по моделированию сейсмических полей в упругих средах, характерных для строения верхней части грязевых вулканов.
Разработка 3D модели строения грязевого вулкана «Гора Кара-бетова» на основе решения прямых задач геофизики.
Сравнение результатов численного и натурного эксперимента.
Научная новизна работы.
Разработана геофизическая 3D модель строения верхней части грязевого вулкана «Гора Карабетова» с использованием экспериментальных данных.
Проведена адаптация для 3D варианта и реализация методов и численных алгоритмов моделирования сейсмических полей упругих сред со сложной трехмерной геометрической структурой.
Разработан инструментарий для решения прикладных задач численного моделирования сейсмических полей, включающий построитель 3D моделей неоднородных упругих сред и параллельную программу для численного моделирования распространения упругих волн, реализованную на суперкомпьютере с использованием технологий MPI и ОрепМР.
Представлены результаты обработки данных уникального геофизического эксперимента по вибросейсмическому зондированию грязевого вулкана «Гора Карабатова».
Проведены расчеты полного волнового поля, получены сейсмограммы для 3D моделей строения верхней части грязевого вулкана.
Практическая значимость работы определяется успешным опытом использования её основных результатов (комплекса программ, результатов расчетов) при решении актуальных прикладных задач численного моделирования распространения упругих волн для построения 3D модели строения грязевого вулкана «Гора Карабето-ва» и изучения волнового поля, полученного на основе численных расчетов. А также для интерпретации результатов геофизического эксперимента по активному вибросейсмическому зондированию данного грязевого вулкана.
Программный комплекс, созданный автором, успешно использован для решения задач численного моделирования сейсмических полей в рамках научной деятельности в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. Методы исследований. В рамках данной работы применялись современные информационно-вычислительные технологии, предусматривающие использование:
математических моделей теории упругости;
известных вычислительных конечно-разностных алгоритмов;
технологий создания программ с использованием возможностей параллельного программирования, обеспечивающих возможность расчета «больших» 3D моделей.
Достоверность. Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается математическим обоснованием используемых методов и алгоритмов и подтверждается согласованием рассчитанных теоретических сейсмограмм с результатами обработки полевых экспериментальных данных. На защиту выносятся:
1. Результаты решения задачи по численному моделированию и
изучению 3D сейсмического поля, характерного для грязевулкани-
ческих структур:
3D модель строения верхней части грязевого вулкана «Гора Карабетова»;
Изучение структуры рассчитанного трехмерного волнового поля;
c) Сравнение численных результатов с результатами полевого
геофизического эксперимента.
2. Разработка комплекса параллельных программ для решения ис
следовательских и прикладных задач численного моделирования
распространения упругих волн:
Программа для построения 3D модели неоднородной сложно построенной упругой среды;
Программа для проведения численных расчетов по выбранному алгоритму.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных мероприятиях:
Всероссийская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008)
Международная конференция «Математические методы геофизики» (Новосибирск, 2008)
Конференция молодых ученых ИВМиМГ СО РАН (Новосибирск, 2008)
Международная научно студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2008, 2011)
V азиатская международная школа-семинар «Проблемы оптимизации сложных систем» (Бишкек, 2009)
Международная научная конференция «Параллельные вычислительные технологии» (Нижний Новгород 2009, Уфа 2010)
Международная конференция «Моделирование-2010» (Киев, 2010)
VI Международная конференция «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Казахстан, Курчатов, 2010)
5th International Conference «Inverse Problems: Modeling and Simulation» (Antalya, Turkey, 2010)
Вторая молодежная международная научная школа-конференция «Теория и численные методы решения обратных и некорректных задач» (Новосибирск, 2010)
Конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010)
Международная конференция «Математические и информационные технологии, MIT - 2011» (Сербия, Черногория, 2011)
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, использовались в ряде научно-исследовательских проектов:
Фундаментальных исследований РАН № 4.5; 16.3
Интеграционных проектов СО РАН № 26; 133
Грантах Российского фонда фундаментальных исследований № 09-07-12075-офи_м, № 07-05-00858
- Министерства образования и науки НОЦ НГУ, госзаказ
№14.740.11.0350.
Результаты диссертации использовались в лаборатории геофизической информатики ИВМиМГ СО РАН при проведении численных экспериментов для полевых экспедиционных работ и интерпретации результатов обработки экспериментальных данных, а также для составления отчетов.
Публикации. По теме диссертации автором и в соавторстве опубликовано 19 работ: 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 1 - в рецензируемом журнале, 7 - в трудах междуна-
родных и российских конференций, 8 - в тезисах международных и российских конференций.
Личный вклад автора. Автору принадлежат создание комплекса параллельных программ на основе адаптации и применения численных алгоритмов для проведения расчётов в рамках моделей теории упругости и проведение вычислительных экспериментов. Автор предложил ряд тестовых задач для верификации программ, предназначенных для моделирования распространения упругих волн в трехмерно неоднородных сложно построенных упругих средах. Автору принадлежит численное решение этих задач в рамках разработанных программ и сравнение результатов численных и натурных экспериментов. Автор принимал участие в подготовке данных для создания 3D моделей изучаемого объекта, необходимых для проведения вычислений сейсмического поля. Во всех совместных работах автор участвовал в интерпретации результатов. Автор также участвовал в проведении экспедиционных работ по вибросейсмическому зондированию грязевого вулкана «Гора Кара-бетова» и в обработке экспериментальных данных. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы - 112 с, основной текст - 104 с, библиографический список - 65 наименований. Работа содержит 54 рисунка и 4 таблицы.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю Глинскому Б.М и научному консультанту Мартынову В.Н. за руководство, помощь в освоении научного материала и совместную работу. Отдельная благодарность зав. лаб. Ковалевскому В.В. и сотрудникам лаборатории геофизической информатики. Автор благодарит за консультации и помощь в освоении вычислительных средств и технологий Кучина Н.В. и др. сотрудников ЦКП Сибирского Суперкомпьютерного центра, а также Маркову В.П.
