Numerical techniques for complex geological retrodeformation

This thesis is part of a project on the geological retrodeformation in complex geology carried out by MOX, Department of Mathematics at Politecnico di Milano in collaboration with Eni S.p.A. The accurate representation of the evolution of subsurface geological structures during time is crucial to allow a proper study of underground processes. In this context, bringing a structural model back in time to various deposition stages is recognized to be of fundamental support for the analyses of the evolution of subsurface geological structures. This process is commonly referred to as geological retrodeformation (or restoration). The present thesis focuses on the study and development of specific numerical techniques and algorithms for a new computational workflow for retrodeformation of complex geological structures, based on the mathematical framework of the Geo-Chronological model. We developed ad hoc strategies for handling the extraction of information of interest from available geological data. From implementation viewpoint, we have developed a suitable software code in Python and C++ languages. We applied the implemented algorithms on synthetic but realistic datasets provided by Eni S.p.A. Test results of the retrodeformation process showed that the solution is computed coherently, in the real geological domains, according to the physic described by the PDE model we solve. In addition, the inclusion of the layers decompaction in the restoration process allows us to obtain more accurate results, that better interpret the real evolution of the subsurface during time.

Questa tesi fa parte di un progetto sulla retrodeformazione geologica in geologia complessa sviluppato dal MOX, Dipartimento di Matematica del Politecnico di Milano, in collaborazione con Eni S.p.A. La rappresentazione accurata dell’evoluzione delle strutture geologiche del sottosuolo nel corso del tempo è fondamentale per consentire un adeguato studio dei processi sotterranei. In questo contesto, riportare un modello strutturale indietro nel tempo ai vari stadi di deposizione è riconosciuto come di fondamentale supporto per le analisi dell'evoluzione delle strutture geologiche del sottosuolo. Questo processo è comunemente indicato come retrodeformazione geologica. La presente tesi si concentra sullo studio e sullo sviluppo di specifiche tecniche numeriche e algoritmi per un nuovo workflow computazionale per la retrodeformazione di strutture geologiche complesse, basato sul framework matematico del modello geo-cronologico. Abbiamo sviluppato strategie ad hoc per gestire l'estrazione di informazioni di interesse dai dati geologici disponibili. Dal punto di vista implementativo, abbiamo sviluppato uno specifico codice software nei linguaggi di programmazione Python e C++. Abbiamo applicato gli algoritmi implementati su dataset sintetici ma realistici forniti da Eni S.p.A. I risultati dei test del processo di retrodeformazione hanno mostrato che la soluzione è calcolata in modo coerente, nei domini geologici reali, secondo la fisica descritta dal modello PDE che risolviamo. Inoltre, l'inclusione della decompattazione degli strati nel processo di retrodeformazione consente di ottenere risultati più accurati, che interpretano meglio la reale evoluzione del sottosuolo nel tempo.