Bu tədqiqat, mühit seysmik səs-küyündən istifadə edərək iki sensor və ya çoxsaylı sensor cütləri üzrə Rayleigh səth dalğalarının faza və qrup sürəti dispersiya əyrilərini çıxarmağa xidmət edən SWAPS adlı MATLAB əsaslı proqram təminatını araşdırır. Metod tezlik sahəsində SPAC əsaslı faza sürəti qiymətləndirilməsi ilə zaman sahəsində FTAN əsaslı qrup sürəti qiymətləndirilməsini birlikdə istifadə edir; beləliklə, iki-stansiyalı yanaşmaların əsas problemi olan faza qeyri-müəyyənliyini, əlavə istinad modelinə və ya ilkin məlumata mütləq ehtiyac olmadan azaltmağı hədəfləyir. Məqalədəki nümunələrdə təxminən 1 saatlıq qeydlər, 4.5 Hz təbii tezlikli şaquli geofonlar və 256 nümunə/saniyə nümunələmə tezliyi istifadə edilmiş; 20 m, 40 m və 80 m stansiya aralıqlarında əldə olunan əyrilər MASW ilə, çoxsaylı cütlərdə əldə olunan avtomatik seçimlər isə ESAC ilə uyğun olmuşdur. Ən mühüm şərh məhdudiyyəti işin proqram təminatı yönümlü preprint olması və performansın nümunə sahə tətbiqləri üzərindən göstərilməsidir; buna görə nəticələr metodun tətbiq oluna bilməsini güclü şəkildə dəstəkləsə də, hər geoloji kontekst üçün məhdudiyyətsiz ümumiləşdirmə sübutu demək deyil.

MATLAB baxımından iş əhəmiyyətlidir; çünki SWAPS yalnız bir alqoritm təsviri təqdim etmir, eyni zamanda istifadəçiyə qrafik interfeys üzərindən məlumat idxalı, sensor seçimi, pəncərələmə, faza və qrup sürəti spektrlərinin hesablanması, manual və ya avtomatik picking və nəticələrin ixracı kimi tamamlanmış analiz iş axını verir. Mənbədə bu infrastrukturun MATLAB R2023b+ və dörd ayrı alətlər qutusu ilə işlədiyi bildirilir.

Tədqiqatın əsas problemi nədir?

Səthəyaxın geofizikada səth dalğalarının dispersiya davranışı yeraltı mühitin, xüsusilə şaquli istiqamətdə, kəsilmə dalğası sürəti quruluşu haqqında məlumat verir. Buna görə faza və qrup sürətinə əsaslanan dispersiya əyriləri seysmik sahə xarakterizasiyasında kritik girişlərdən biridir. Ənənəvi olaraq bu əyrilər aktiv mənbələrdən və ya çoxsaylı sensorlardan ibarət sıx massivlərdən çıxarılır. Lakin iki-stansiyalı yanaşma daha az avadanlıq tələb etsə də, eyni məlumatdan birdən çox mümkün faza əyrisinin çıxa bilməsi səbəbindən şərh baxımından daha çətindir. İşin mərkəzi problemi məhz budur: yalnız iki sensorla etibarlı faza dispersiya əyrisi necə seçilir?

SWAPS-in töhfəsi yeni fundamental fizika qanunu təklif etmək deyil; artıq məlum olan iki ayrı məlumat kanalını — faza sürəti və qrup sürətini — eyni proqram iş axını daxilində birlikdə istifadə etməklə iki-stansiyalı metodun təbiətində olan faza qeyri-müəyyənliyini daha praktik şəkildə idarə etməkdir.

SWAPS MATLAB kontekstində niyə diqqətəlayiqdir?

İş MATLAB-dan yalnız ədədi hesablama vasitəsi kimi deyil, eyni zamanda interaktiv elmi proqram təminatı hazırlama mühiti kimi istifadə edir. Proqram qrafik istifadəçi interfeysi (GUI) ilə işləyir və SWAPS_main.m faylının işə salınması ilə başladılır. MATLAB-ın burada üzərinə götürdüyü rol üç istiqamətlidir:

• Məlumat emalı: ASCII mətn fayllarından seysmik izlərin və qəbuledici koordinatlarının oxunması, pəncərələmə və korrelyasiya əməliyyatları.
• Ədədi analiz: tezlik sahəsində SPAC əsaslı yanaşma, zaman sahəsində FTAN əsaslı yanaşma və bunların birlikdə şərhi.
• İstifadəçi qarşılıqlı əlaqəsi: iki sensorlu rejimdə parametrlərin dəyişdirilib nəticələrin dərhal müşahidə edilə bilməsi; çoxsaylı cütlərdə isə eyni parametr dəsti ilə avtomatik ardıcıl emal.

Buna görə məqalə MATLAB öyrənmək istəyən oxucu üçün yalnız “bir funksiya nə edir?” səviyyəsində deyil; MATLAB ilə real sahə tətbiqi proqramı necə qurulur? sualına da nümunədir.

Proqram arxitekturası və iş axını

Mənbə iş SWAPS arxitekturasını dörd əsas modul vasitəsilə izah edir: məlumat idxalı və sensor seçimi, dispersiya analizi, picking və çıxışların saxlanması. Bundan əlavə iki tamamlayıcı alət də var: ESAC massiv analizi və project viewer. Aşağıdakı Verianla Live prosesi bu axını mənbə işə sadiq şəkildə xülasə edir.

İki əsas iş rejimi: interaktiv cüt-sensor analizi və avtomatik batch analizi

SWAPS-in praktik dəyərini artıran cəhət eyni proqram daxilində iki fərqli istifadə tərzi təqdim etməsidir. Dəqiq olaraq iki sensor seçildikdə analiz interaktivdir; parametrlər dəyişdirilir və təsirləri dərhal müşahidə edilir. Üç və ya daha çox sensor seçildikdə isə proqram seçilmiş bütün mümkün cütlər və ya idxal edilmiş cüt siyahısı üzərindən avtomatik və ardıcıl analiz aparır.

Bu fərq MATLAB tədrisi baxımından da vacibdir; çünki burada istifadəçi eyni əsas analizin GUI səviyyəsində iki fərqli istifadəçi təcrübəsinə çevrildiyini görür. Başqa sözlə, iş MATLAB ilə yalnız hesablama deyil, iş axını dizaynının da aparıldığını aydın göstərir.

Giriş və çıxış quruluşu

SWAPS-də giriş məlumatları sadə saxlanmışdır: mənbədə seysmik zaman sıralarının və sensor koordinatlarının ASCII .txt faylları kimi idxal edildiyi bildirilir. Bu, tədqiqat proqramında məlumatın daşına bilməsini artıran seçimdir. Çıxış tərəfində isə seçilmiş faza və qrup əyriləri iki ayrı fayl kimi saxlanır; sürət dəyərləri 0.5 Hz intervallarla xətti interpolyasiya ilə tənzimlənir. Bundan əlavə, istənilərsə analiz parametrləri ayrıca faylda saxlanılır. Bu yanaşma təkrar istehsal oluna bilmə baxımından güclüdür; çünki nəticənin eyni parametrlərlə yenidən sınanmasına imkan verir.

Türkiyə konteksti

İş Türkiyədə aparılmamışdır; buna görə məqalədəki sahə nümunələrindən birbaşa Türkiyəyə aid kəmiyyət nəticəsi çıxarmaq olmaz. Bununla belə yanaşma, zəlzələ mühəndisliyi və sahə xarakterizasiyasının mühüm olduğu Türkiyə kimi ölkələrdə konseptual olaraq mənalıdır. Xüsusilə məhdud girişli şəhər sahələri, sıx massiv qurmağın çətin olduğu dar sahələr və ya çoxsaylı nöqtələrin ilkin qiymətləndirilməsinin lazım olduğu mikrozonalaşdırma işləri üçün az avadanlıqlı iki-sensor yanaşmasının praktik dəyəri ola bilər. Lakin yerli qrunt şəraiti, sensor yerləşimi, səs-küy sahəsinin xarakteri və sahə logistikasının fərqli olması səbəbindən metod Türkiyə şəraitində ayrıca sahə doğrulaması tələb edir.

İşin dəstəklədiyi və dəstəkləmədiyi nəticələr

İşin dəstəklədiyi nəticələr: SWAPS faza və qrup sürətini birlikdə istifadə edərək iki-stansiyalı analizdə faza qeyri-müəyyənliyini azaltmağı hədəfləyən tətbiq oluna bilən MATLAB proqramıdır; nümunə sahə tətbiqlərində MASW və ESAC ilə uyğun əyrilər yaratmışdır; çoxsaylı cütlərdə avtomatik seçim ümumilikdə ardıcıl işləmişdir; az avadanlıqla səthəyaxın seysmik xarakterizasiya üçün praktik seçim təqdim edir.

İşin dəstəkləmədiyi və ya sübut etmədiyi nəticələr: Proqramın bütün geoloji kontekstlərdə həmişə ən yaxşı həlli verdiyi, klassik sıx massiv yanaşmalarını hər vəziyyətdə tam əvəz etdiyi, əlavə doğrulama olmadan bütün mürəkkəb sahələrdə qüsursuz nəticə verdiyi və ya kommersiya miqyasında hərtərəfli yetkinləşdiyi bu işdən çıxarıla bilməz. İş həmçinin metodun hər avtomatik seçimdə səhvsiz olduğunu demir; nümunələrdən birində uğursuz seçim istisnası açıq şəkildə qeyd edilmişdir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Məlumatların toplanması və ilkin emalı

Mənbədə nümunə tətbiqlərdə istifadə edilən məlumat toplama quruluşu aydın şəkildə verilmişdir. Bütün SWAPS nümunələrində məlumatlar 4.5 Hz təbii tezlikli şaquli geofonlarla və 256 nümunə/saniyə nümunələmə tezliyi ilə qeydə alınmışdır. Proqram seçilmiş sensorların zaman sıralarını bütöv şəkildə istifadə etmir; onları ardıcıl zaman pəncərələrinə bölür. İstifadəçi aşağıdakı parametrləri tənzimləyə bilər:

• analizə daxil ediləcək başlanğıc və son zaman,
• pəncərə eni,
• üst-üstə düşmə nisbəti,
• yüksək amplitudalı keçici hadisələri kənarlaşdırmaq üçün amplituda həddi.

Bu addım vacibdir; çünki mühit səs-küyü məlumatının hamısı eyni keyfiyyətdə deyil. Yaxın səs-küy mənbələrinin dominant olduğu pəncərələrin çıxarılması daha təmsilçi çoxsaylı səs-küy realizasiyalarının əldə edilməsinə kömək edir.

Faza və qrup sürəti spektrlərinin əldə edilməsi

Hər seçilmiş sensor cütü üçün proqram sinxron pəncərə cütləri arasında çarpaz korrelyasiya tətbiq edir və bu nəticələri bütün zaman sırası boyunca üst-üstə toplayır. Bundan iki əsas aralıq çıxış yaranır:

• Tezlik sahəsində SPAC funksiyası
• Zaman sahəsində Green funksiyası

Faza sürəti qiymətləndirilməsi SPAC funksiyasının nəzəri sıfırıncı tərtib Bessel funksiyası ilə uyğunlaşdırılması yolu ilə əldə edilir. Qrup sürəti qiymətləndirilməsi isə FTAN (Frequency-Time Analysis) istifadə edilərək Green funksiyasının müxtəlif tezlik komponentlərinin zaman sahəsindəki davranışından törədilir. İşin məntiqi burada kritikləşir: faza spektrində bir tezlikdə birdən çox mümkün maksimum görünə bilər; qrup əyrisi isə daha etibarlı istiqamətləndirici müşahidə kimi istifadə olunaraq hansı faza budağının fiziki baxımdan daha mənalı olduğuna qərar verilir.

Picking alqoritminin məntiqi

SWAPS-in mərkəzi, eksperimental qrup əyrisi ilə seçilmiş faza əyrisindən törədilən sintetik qrup əyrisini müqayisə edən seçim məntiqidir. İki sensorlu rejimdə istifadəçi parametrləri dəyişdirərək faza və qrup spektrlərinə təsirləri dərhal görür və manual picking edir. Batch rejimində isə başlanğıcda birdən çox faza əyrisi budağı “mümkün” qəbul edilir; alqoritm bunların arasından eksperimental qrup əyrisinə ən uyğun olanı saxlayır. Mənbədə həmçinin istənilərsə istinad faza əyrisinin istifadə oluna biləcəyi və bunun ESAC alətindən əldə edilə biləcəyi bildirilir.

Nümunə tətbiq 1: MASW ilə müqayisə edilən iki-stansiyalı analiz

Birinci nümunə tətbiqdə daha əvvəl 16 geofonlu MASW tədqiqatı ilə xarakterizə edilmiş sahə istifadə edilmişdir. SWAPS ilə təxminən 1 saatlıq qeydlər üzərindən üç ayrı analiz aparılmış və sensor cütləri müvafiq olaraq 20 m, 40 m və 80 m aralıqlarla seçilmişdir. İşdə bu üç SWAPS faza əyrisi müstəqil MASW əyrisi ilə müqayisə edilmiş; sağ panellərdə hər əyri üçün qeyri-müəyyənlik zolaqları da verilmişdir.

Əsas nəticə hər üç məsafə quruluşunda SWAPS ilə seçilən faza əyrilərinin MASW əyrisi ilə uyğun olmasıdır. Bu nəticə iki-stansiyalı konfiqurasiyanın — hətta 80 m kimi daha böyük stansiya aralıqlarında belə — mühitin dispersiya davranışını tuta bildiyini göstərir. Lakin bu tapıntı müvafiq sahə şəraiti və seçilmiş parametrlər kontekstində şərh edilməlidir; iş bunu bütün sahələrə avtomatik ümumiləşdirmir.

Nümunə tətbiq 2: Avtomatik batch analizinin təkrarlana bilməsi

İkinci nümunədə SWAPS daha əvvəl 24 geofonlu ESAC tədqiqatı ilə təxminən lateral homogen olduğu doğrulanmış sahədə batch rejimində tətbiq edilmişdir. Proqram müxtəlif sensor cütləri üçün faza dispersiya əyrilərini avtomatik seçmişdir. Şəkil izahından 16 sensor cütü üçün çıxarılan əyrilərin göstərildiyi anlaşılır.

İşə görə bu əyrilər fərqli stansiya aralıqları və istiqamətlənmələrinə baxmayaraq öz aralarında kifayət qədər ardıcıldır və müstəqil ESAC əyrisi ilə də ümumi uyğunluq göstərir. Yalnız bir uğursuz seçim istisnası qeyd edilmişdir. Bu detal vacibdir; çünki proqramın güclü performansını göstərərkən avtomatlaşdırmanın qüsursuz olduğu təəssüratını yaratmaqdan çəkinir. Müəlliflər həmçinin düzgün seçilmiş əyrilərin yayılmasının müəyyən tezlik intervalında empirik qeyri-müəyyənlik qiymətləndirməsi verə biləcəyini bildirirlər.

Tamamlayıcı alətlər və təkrar istehsal oluna bilmə

SWAPS yalnız əsas faza-qrup seçimi ilə məhdudlaşmır. Proqramın iki tamamlayıcı aləti var:

• ESAC aləti: massiv analizi apararaq istinad faza əyrisi təmin edə bilər.
• Project Viewer: layihə və ya massiv daxilində yaradılmış əyrilərin vizuallaşdırılmasını və müqayisəsini dəstəkləyir.

Nəticələrin diskə saxlanması, analiz parametrlərinin istəyə bağlı saxlanması və faza/qrup əyrilərinin nizamlı nümunələmə ilə ixracı SWAPS-i yalnız “nümayiş proqramı” olmaqdan çıxarıb praktik tədqiqat alətinə çevirir.

Təsir və tətbiq dəyəri

İşin təsir bölməsində SWAPS-in əsas üstünlüyü sıx seysmik massivlərin qurulmasının çətin və ya lazımsız olduğu şəraitdə daha yüngül avadanlıqla etibarlı dispersiya əyriləri yarada bilməsidir. Sadə və təxminən 1B sahələrdə sensor sayının ciddi şəkildə azaldıla biləcəyi; daha heterogen mühitlərdə isə eyni massivdəki çoxsaylı sensor cütlərinin müstəqil analizi ilə lateral dəyişkənliyin daha yaxşı nümunələnə biləcəyi bildirilir.

Müəlliflər həmçinin SWAPS-in Nirano palçıq vulkanları sistemində istifadə edildiyini və açılımı 50 m-dən kiçik massivlə alınmış təxminən 1 saatlıq mühit səs-küyü qeydlərindən, əsas bacalardan birinin altında səthdən 30–40 m dərinliyə uzanan aşağı-sürət anomaliyası ilə uyğun 3B yeraltı quruluşunun yenidən qurulduğunu bildirirlər. Bu nəticə proqramın yalnız nəzəri deyil, mürəkkəb sahə kontekstlərində də faydalı ola biləcəyini düşündürür; lakin iş bu tətbiqi genişmiqyaslı kommersiya doğrulaması kimi deyil, nümunə tədqiqat istifadəsi kimi təqdim edir.

Mənbə və Metod Qeydi

Bu məqalənin elmi məzmunu yalnız yüklənmiş mənbə işə əsaslanır; xarici mənbələrdən yeni eksperimental tapıntı, yeni performans nəticəsi və ya mənbədə olmayan mexanizm əlavə edilməmişdir. Biblioqrafik kimliyin doğrulanması üçün məhdud xarici yoxlama aparılmışdır.

• Tam orijinal işin adı: SWAPS (Surface Waves dispersion Analysis from Pairs of Sensors): A MATLAB tool for inter-station Rayleigh phase and group dispersion analysis from ambient noise
• Müəlliflər: Nicolò Carfagna; Dario Albarello
• Müəllif sırası: Mənbədə görünən sıra ilə qorunmuşdur
• Məsul müəllif: Nicolò Carfagna
• Qurum: Department of Physics, Earth and Environmental Sciences, University of Siena, Via Laterino 8, 53100 Siena, Italy
• DOI: 10.2139/ssrn.7193118
• Platforma: SSRN
• Rəsmi keçid: https://ssrn.com/abstract=7193118
• Kod deposu: https://github.com/ncarfagna/SWAPS
• Proqram lisenziyası: MIT License
• Proqram dili: MATLAB
• Tələblər: MATLAB R2023b və ya daha sonrakı versiya; Signal Processing Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Statistics and Machine Learning Toolbox, Image Processing Toolbox
• Mənbə növü: Proqram təminatı yönümlü tədqiqat/preprint məqaləsi
• Rəyçilik vəziyyəti: Bu iş resenzent qiymətləndirməsindən keçməmiş preprintdir; nəticələri bu nəşr mərhələsi nəzərə alınaraq qiymətləndirilməlidir.
• Jurnal/nəşriyyat vəziyyəti: Mənbə PDF-in görünən məzmununda yekun resenzentli jurnal künyəsi açıq şəkildə yer almır; sənəd strukturu proqram təminatı jurnalı layihəsini xatırlatsa da, bu versiya SSRN üzərində preprint kimi görünür.
• Maliyyələşdirmə / məlumat əlçatanlığı / maraqlar toqquşması / müəllif töhfələri: Bu versiyada açıq bəyan görünmür.

Əsas metodoloji məhdudiyyətlər: İş proqram təminatı təqdimatı və nümunə tətbiqlər toplusudur; nümunələr real məlumatlara əsaslansa da, çox geniş sahə müxtəlifliyində hərtərəfli benchmark tədqiqatı deyil. Batch rejimində ən azı bir uğursuz avtomatik seçim qeyd edilmişdir. Metodun əsas etibarlılıq sahəsi səthəyaxın miqyasda, mühit səs-küyü üzərindən Rayleigh səth dalğası analizi aparılan sahələrdir.

Mənbə daxilində diqqət qeydi: PDF metadatasındakı başlıqla görünən məqalə başlığı arasında fərq vardır; məqalə kimliyində görünən başlıq əsas götürülmüşdür.