Hochauflösende 3-D Abbildung der geologischen Struktur flachmariner Sedimente und gleichzeitige Quantifizierung ihrer elastischen Eigenschaften
Final Report Abstract
Ein Datensatz für die Scholtewellenauswertung konnte im August 2006 in der Tromper Wiek aufgezeichnet werden und tomographisch ausgewertet werden. Anhand der aufgezeichneten Scholtewellen-Registrierungen wurden Karten der Phasenlangsamkeiten der Schölte Fundamentalmode und der ersten höheren Mode für jede Frequenz bestimmt. Hierzu wurde eine Phasenlaufzeit-Tomographie durchgeführt. Das Ergebnis der Tomographie sind Karten der Phasenlangsamkeits-Residuen. Diese Residuen-Karten beinhalten die Dispersion der Scholte Fundamentalmode für jeden Punkt des Untersuchungsgebietes und bilden die Datengrundlage für eine Inversion seitens der Scholtewellen. Des weiteren zeigt das Ergebnis einer durchgeführten Kernel-Tomographie wesentlich bessere Resultate bei tomographischer Analyse eines synthetischen Datensatzes als eine lineare, strahlengenäherte Tomographie. Als Nachteil der Kernel-Tomographie zeigte sich allerdings die Größe der zu verwaltenden Speichermatrizen. Neben der Laufzeit wurde auch die frequenzabhängige Amplitudenabnahme der Scholtewelle mit dem Laufweg ausgewertet. Um diese Informationen zu nutzen, wurden mittels der Spektrendivisionsmethode die mittlere seismische Güte Q zwischen jeweils zwei Airgun-Schüsse aus den zugehörigen Seismogrammen bestimmt. Es konnte hierduch eine grobe Verteilung der Q-Werte im Messgebiet bestimmt werden, welche zeigte, dass die südwestliche Hälfte des Messgebietes im Mittel wesentlich höhere Q-Werte besitzt als die nordöstliche. Um genauere Aussagen über die Dämpfung zu erlangen, müsste jedoch den komplexen Ursachen der Offset-abhängigen Amplitudenvariationen der Scholtewelle Rechnung getragen werden. Dies könnte im Rahmen einer Full Waveform Inversion geschehen. Zur optimierten Anpassung von vorwärts modellierten Scholtewellen-Dispersionskurven wurden unterschiedliche Schwarmintelligenz-Optimierungsalgorithmen auf das Inversionsproblem angewendet und verglichen. Die Motivation der Nutzung globaler, stochastischer Verfahren in der Inversion von Oberflächenwellen war die hohe Multimodalität des Problems, welche die Auflösung der Inversion bereits technisch begrenzt. Die eingesetzten Schwarmintelligenzmethoden zeigen sich als effektive Methoden zur Inversion mit hoher Exploration des Parameterraumes und entsprechend geringer Anforderung an a priori Informationen in Startmodellen. Es konnten durch den Einsatz dieser Verfahren und mit aus der Reflexionsseismik bestimmter Schichtanzahl als a priori Information sehr hohe Auflösungen in den Scherwellengeschwindigkeiten erreicht werden. Die Anwendung des gefundenen besten Optimierungsverfahrens auf verschiedene Datenbeispiele lieferte 2D-Modelle guter lateraler Kohärenz. Ein Vergleich mit hochauflösenden reflexionsseismischen Daten der untersuchten Profile zeigte hohe Korrelation. Im Hinblick auf zu erwartende Korrelationen zwischen Schichtmächtigkeiten und Scherwellengeschwindigkeiten sowie den Einfluß der Dichte als Inversionsparameter wurde eine Auflösungsanalyse einer gemeinsamen Inversion von Reflektivitäten und Dispersionkurven anhand eines synthetischen Modellbeispiels durchgeführt. Diese Inversion beruht auf dem Multi-Objective-Particle-Swarm Ansatz und nutzt das Prinzip der Pareto-Dominanz, um die Menge gleichwertiger Modelllösungen zu erhalten, ohne eine Gewichtung der gemeinsam invertierten Zielfunktionen vornehmen zu müssen. Es zeigte sich jedoch im Vergleich zu den einfachen Inversionen der Einzeldatensätze eine schlechtere Auflösung der Modellstruktur. Vermutet wurde daher, daß eine noch immer hohe Multimodalität das Problem dominiert und ebenso hohe Anforderungen an das genutzte Optimierungsverfahren stellt, wie es bereits bei der Einzelinversion der Scholtewellendispersion der Fall war. Es gilt also auch für die betrachtete Mehrzieloptimierung, weitere Verfahren und Verfahrens Varianten zu testen, die eine noch effektivere Exploration der vielen Minima dieses hochdimensionalen Problems ermöglichen und die verfügbaren Zusatzinformationen eines gemeinsamen Datensatzes ausschöpfen können. Eine kombinierte Inversion mit sehr effektivem Optimierungsalgorithmus liefert die gewünschten hochaufgelösten Scherwellengeschwindigkeitsmodelle und strukturellen Informationen allein durch die Verbesserung der Inversionsmethodik und damit verbundenem Umgehen methodischer Fehlerquellen. Reflexionsseismischen a priori Informationen bedingen hier lediglich die Schichtzahl und damit den Parameterraum der Inversion.
Publications
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2005. Variability of Scholte-wave Dispersion in Shallow-water Marine Sediments. JEEG, June 2005, Volume 10, Issue 2, pp 203-218
Kugler, S., Bohlen, T., Bussat, S., Klein, G.
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2007. Scholte-wave tomography for shallow-water marine sediments. Geophysical Journal International, 168, 2, 551-570
Kugler, S., Bohlen, T., Forbriger, T., Bussat, S. and Klein, G.
