An integrated electromagnetic (EM) and seismic geophysical study was performed to evaluate non-invasive approaches to estimate depth to shallow groundwater in arid environments with elevated soil salinity where the installation of piezometers would be impractical or prohibited. Both methods were tested in two study areas (semi-arid and arid respectively), one in Palmyra, Utah, USA near the shore of Utah Lake where groundwater is shallow and unconfined in relatively homogeneous lacustrine sediments. The other area is Carson Slough, Nevada, USA near Ash Meadows National Wildlife Refuge in Amargosa Valley. The area is underlain by valley fill, with generally variable shallow depths to water in an ephemeral braided stream environment. The methods used include frequency domain electromagnetic induction allowing for multiple antenna-receiver spacings. High resolution compressional P-wave seismic profiles using a short (0.305 m) geophone spacing for common depth-point reflection stacking and first arrival modeling were also acquired. Both methods were deployed over several profiles where shallow piezometer control was present. The semi-arid Palmyra site with its simpler geohydrology serves as an independent calibration to be compared to the Carson Slough Site. EM results at both sites show that water surfaces correspond with a drop in conductivity. This is due to elevated concentrations of evaporative salts in the vadose zone immediately above the water table. EM and seismic profiles at the Palmyra site were readily correlated to depth to groundwater in monitoring wells demonstrating that the method is ideal under laterally homogeneous conditions. Interpreting the EM and seismic profiles at Carson Slough was challenging due to the laterally and vertically variable soil types, segmented perched water surfaces, and strong salinity variations. The high-resolution images and models provided by the seismic profiles confirm the simple soil and hydrological structure at the Palmyra site as well as the laterally complex structure at Carson Slough. The EM and seismic results indicate that an integrated geophysical approach is necessary for an area like Carson Slough, where continued leaching of salts combined with braided stream deposition has created a geophysically complex soil and groundwater system.

Este trabalho realizou um estudo sobre a aplicação de algoritmos de inversão da forma de onda completa (FWI) sobre dados de sísmica de reflexão em uma escala rasa ( 0 100 m de profundidade). A FWI foi estudada com o fim de melhorar as velocidades estimadas através do processamento de reflexão PP e PS convencional. Para um melhor entendimento da resposta obtida por este tipo de problema, a inversão foi avaliada sobre dados sintéticos por métodos de busca global e local. Na busca global foi utilizado o algoritmo de Evolução Diferencial que é uma variante de um algoritmo genético. O intuito da busca global foi avaliar a sensibilidade da função objetivo para cada parâmetro do modelo em diferentes janelas de afastamentos em relação à fonte. Na busca local foi utilizado um algoritmo de gradiente conjugado para a estimativa 2D dos parâmetros do meio. Dentre os principais resultados têm-se que a função objetivo é mais sensível aos parâmetros em janelas de afastamentos próximas da fonte. Em tais janelas, dominadas por ondas superficiais, a velocidade da onda S é facilmente estimada. Entretanto, mesmo em janelas mais afastadas a velocidade da onda S é o parâmetro do modelo que se destaca em relação aos demais. Já a busca por todos os parâmetros concomitantemente mostrou-se difícil e implicaria na necessidade de mais iterações do algoritmo de inversão. O método também foi aplicado em dados reais adquiridos no terreno do Instituto de Física da USP. A FWI foi aplicada nestes dados buscando apenas pelos valores de Vs, mantendo os valores de Vp e densidade fixos. A aplicação do algoritmo 2D nestes dados resultaram em valores de Vs coerentes com as velocidades observadas em um ensaio downhole na área. Concluindo, os resultados apresentados na tese mostram que a FWI é aplicável para a melhoria do modelo de velocidade da onda S obtido através do processamento de eventos de reflexão PP e PS. / This work carried out a study on the application of full waveform inversion algorithms (FWI) on reflection seismic data on a shallow scale (0 - 100 m depth). FWI has been studied in order to improve estimated velocities through conventional PP and PS reflection processing. For a better understanding of the response obtained by this type of problem the inversion was evaluated by global and local search methods. In the global search the algorithm employed was the Differential Evolution which is a variant of a genetic algorithm. The aim of the global search was to evaluate the sensitivity of the objective function for each parameter of the model in different windows of distance from the source. In the local search a conjugate gradient algorithm was used for a 2D estimate of the medium parameters. Among the main results is the fact that in a suitable window, for a reflection data acquisition the sensitivity is reduced in relation to a window with geophones closer to the source. However, even in more distant windows the velocity of the S wave is the parameter of the model that stands out in relation to the others. The concomitant search for all parameters at the same time is still difficult and implies the need for more iterations of the inversion algorithm. The method was also applied in a data acquired in the field of the Institute of Physics of USP. The results of the application of the 2D algorithm for this data showed modifications of the provided initial model for a velocity of the S wave coherent with the observed velocities in downhole and lithological informations from this area. In conclusion, the results found that FWI is applicable to improve the S-wave velocity model obtained by processing PP and PS reflection events.

Este trabalho realizou um estudo sobre a aplicação de algoritmos de inversão da forma de onda completa (FWI) sobre dados de sísmica de reflexão em uma escala rasa ( 0 100 m de profundidade). A FWI foi estudada com o fim de melhorar as velocidades estimadas através do processamento de reflexão PP e PS convencional. Para um melhor entendimento da resposta obtida por este tipo de problema, a inversão foi avaliada sobre dados sintéticos por métodos de busca global e local. Na busca global foi utilizado o algoritmo de Evolução Diferencial que é uma variante de um algoritmo genético. O intuito da busca global foi avaliar a sensibilidade da função objetivo para cada parâmetro do modelo em diferentes janelas de afastamentos em relação à fonte. Na busca local foi utilizado um algoritmo de gradiente conjugado para a estimativa 2D dos parâmetros do meio. Dentre os principais resultados têm-se que a função objetivo é mais sensível aos parâmetros em janelas de afastamentos próximas da fonte. Em tais janelas, dominadas por ondas superficiais, a velocidade da onda S é facilmente estimada. Entretanto, mesmo em janelas mais afastadas a velocidade da onda S é o parâmetro do modelo que se destaca em relação aos demais. Já a busca por todos os parâmetros concomitantemente mostrou-se difícil e implicaria na necessidade de mais iterações do algoritmo de inversão. O método também foi aplicado em dados reais adquiridos no terreno do Instituto de Física da USP. A FWI foi aplicada nestes dados buscando apenas pelos valores de Vs, mantendo os valores de Vp e densidade fixos. A aplicação do algoritmo 2D nestes dados resultaram em valores de Vs coerentes com as velocidades observadas em um ensaio downhole na área. Concluindo, os resultados apresentados na tese mostram que a FWI é aplicável para a melhoria do modelo de velocidade da onda S obtido através do processamento de eventos de reflexão PP e PS. / This work carried out a study on the application of full waveform inversion algorithms (FWI) on reflection seismic data on a shallow scale (0 - 100 m depth). FWI has been studied in order to improve estimated velocities through conventional PP and PS reflection processing. For a better understanding of the response obtained by this type of problem the inversion was evaluated by global and local search methods. In the global search the algorithm employed was the Differential Evolution which is a variant of a genetic algorithm. The aim of the global search was to evaluate the sensitivity of the objective function for each parameter of the model in different windows of distance from the source. In the local search a conjugate gradient algorithm was used for a 2D estimate of the medium parameters. Among the main results is the fact that in a suitable window, for a reflection data acquisition the sensitivity is reduced in relation to a window with geophones closer to the source. However, even in more distant windows the velocity of the S wave is the parameter of the model that stands out in relation to the others. The concomitant search for all parameters at the same time is still difficult and implies the need for more iterations of the inversion algorithm. The method was also applied in a data acquired in the field of the Institute of Physics of USP. The results of the application of the 2D algorithm for this data showed modifications of the provided initial model for a velocity of the S wave coherent with the observed velocities in downhole and lithological informations from this area. In conclusion, the results found that FWI is applicable to improve the S-wave velocity model obtained by processing PP and PS reflection events.

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Made available in DSpace on 2015-03-13T17:08:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MoabPG_Capa_ate_cap4.pdf: 4721288 bytes, checksum: 8d96436897c5c60721b2495b01dd20b0 (MD5) Previous issue date: 2008-08-26 / On the modern Continental Shelf to the north of Rio Grande do Norte state (NE Brazil) is located a paleo-valley, submerged during the last glacial sea-level lowstand, that marks continuation of the most important river of this area (A?u River). Despite the high level of exploration activity of oil industry, there is few information about shallow stratigraphy. Aiming to fill this gap, situated on the Neogene, was worked a marine seismic investigation, the development of a processing flow for high resolution data seismic, and the recognition of the main feature morphology of the study area: the incised valley of the River A?u. The acquisition of shallow seismic data was undertaken in conjunction with the laboratory of Marine Geology/Geophysics and Environmental Monitoring - GGEMMA of Federal University of Rio Grande do Norte UFRN, in SISPLAT project, where the geomorphological structure of the Rio paleovale A?u was the target of the investigation survey. The acquisition of geophysical data has been over the longitudinal and transverse sections, which were subsequently submitted to the processing, hitherto little-used and / or few addressed in the literature, which provided a much higher quality result with the raw data. Once proposed for the flow data was developed and applied to the data of X-Star (acoustic sensor), using available resources of the program ReflexW 4.5 A surface fluvial architecture has been constructed from the bathymetric data and remote sensing image fused and draped over Digital Elevation Models to create three-dimensional (3D) perspective views that are used to analyze the 3D geometry geological features and provide the mapping morphologically defined. The results are expressed in the analysis of seismic sections that extend over the region of the continental shelf and upper slope from mouth of the A?u River to the shelf edge, providing the identification / quantification of geometrical features such as depth, thickness, horizons and units seismic stratigraphyc area, with emphasis has been placed on the palaeoenvironmental interpretation of discordance limit and fill sediment of the incised valley, control by structural elements, and marked by the influence of changes in the sea level. The interpretation of the evolution of this river is worth can bring information to enable more precise descriptions and interpretations, which describes the palaeoenvironmental controls influencing incised valley evolution and preservation to provide a better comprehensive understanding of this reservoir analog system / Sobre a Plataforma Continental a norte do Estado do Rio Grande do Norte (NE do Brasil) est? localizado um paleovale submerso durante o ?ltimo glacial, que marca a continua??o do rio mais importante desta ?rea: o Rio A?u. Apesar do elevado n?vel de atividades de explora??o da ind?stria petrol?fera nessa regi?o, existe pouca informa??o sobre sua estratigrafia rasa. Visando suprir esta lacuna, situada acima do Ne?geno, realizou-se o levantamento s?smico de alta resolu??o com o perfilador de subfundo X-Star (chirp), o desenvolvimento de um fluxo de processamento para os dados levantados, e o reconhecimento da paelogeomorfologia da principal fei??o da ?rea de estudo: o vale inciso do Rio A?u. A aquisi??o dos dados s?smicos de alta resolu??o foi realizada em conjunto com o laborat?rio de Geologia e Geof?sica Marinha e Monitoramento Ambiental GGEMMA, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN, atendendo ao projeto SISPLAT, onde a estrutura geomorfol?gica do paleovale do Rio A?u foi o alvo das investiga??es do levantamento. A aquisi??o dos dados geof?sicos deu-se ao longo de se??es longitudinais e transversais, que posteriormente foram submetidos ao processamento, at? ent?o pouco utilizado e/ou pouco abordado na literatura, o qual forneceu um resultado com qualidade muito superior ao dado bruto. Assim o fluxo proposto para dados foi desenvolvido e aplicado aos dados de X-Star (sensor ac?stico) utilizando os recursos dispon?veis do programa ReflexW 4.5. A arquitetura da superf?cie fluvial foi reproduzida a partir da integra??o de dados batim?tricos (pr?-existentes) e imagens LandSat 7, gerando um Modelo Digital do Terreno para visualiza??o tridimensional (3D), o qual foi utilizado para se fazer an?lises geom?tricas e correlacion?-las com a morfologia em subsuperf?cie. Os resultados s?o expressos na an?lise das se??es s?smicas que se estendem sobre a regi?o do Vale Inciso do Rio A?u em toda a plataforma continental, fornecendo a identifica??o/quantifica??o de aspectos geom?tricos como profundidade, espessura, superf?cies lim?trofes e unidades sismoestratigr?ficas, que descrevem uma palaeomorfologia controlada por elementos estruturais e marcada pela influ?ncia da varia??o do n?vel do mar e do regime fluvial do antigo Rio A?u. A interpreta??o da evolu??o desse vale inciso traz informa??es que permitam descri??es e interpreta??es mais precisas e forne?am subs?dios para a compreens?o de an?logos de reservat?rios.

Submitted Ph.D. thesis is concerning the application and interpretation of seismic surface waves in a broad range of frequencies and scales. Using surface waves as a supplement to the methods dealing with body waves seems to be worth the effort. Surface wave interpretation can be used to obtain new information about the studied medium and simultaneously it can overcome, in some cases, the limitations of other seismic techniques. Moreover, surface waves are usually present on measured records and hence for its usage it is not necessary to modify the standard measuring procedures. One of the results of this thesis is an original algorithm for dispersive waveform calculation. The program works in an arbitrary range of frequencies and scales. The input parameter for the calculation is the dispersion curve. In this point the algorithm differs from all other approaches used so far. Algorithm is based on a summation of frequency components with shifts corresponding to the velocity dispersion and distance. The resulting waveform only contains an individual dispersive wave of the selected mode, thus being particularly suitable for testing of methodologies for dispersive wave analysis. The algorithm was implemented into the program DISECA. Furthermore, a new procedure was designed to calculate the dispersion...