Inversion flachseismischer Wellenfeldspektren

Abstract

In dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren zur Inversion flachseismischer Wellenfelder vor. Die Inversion erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird ein Phasenslowness-Frequenz-Spektrum (omega,p-Spektrum) der Seismogramme bestimmt. In einem zweiten Schritt werden dieses Spektrum und die Laufzeiten der Ersteinsätze gemeinsam zu einem rein Tiefen-abhängigen Modell der seismischen Geschwindigkeiten und der Diskontinuitäten des untersuchten Mediums invertiert. Typische flachseismische Messungen erfolgen mit Auslagen von 50m bis 100m Länge und erfassen Frequenzen von 10Hz bis 100Hz. Solche Daten erlauben Rückschlüsse auf das Medium bis in ca. 10m Tiefe. Der Aufwand für die Messung kann auf einfache Hammerschlag-Seismik mit Vertikal-Geophonen und mehrkanaliger Registrierung beschränkt werden. Die Methode erfordert praktisch keine Vorab-Information über das Medium. Sie hat sich als tauglich im Umgang mit mehreren flachseismischen Feld-Datensätzen erwiesen, die in Lockersedimenten häufig extreme Eigenschaften aufweisen. Das Verfahren vermeidet einige Schwachstellen, die herkömmliche Methoden bei der Anwendung im Flachbereich mit sich bringen. Zu diesen gehört die Berechnung einer einzelnen Dispersionskurve aus Phasendifferenzen zwischen zwei Geophonen und die anschließende Inversion dieser Kurve im Sinne einer fundamentalen Normalmode. In flachseismischen Wellenfeldern interferieren meistens mehrere Moden der Oberflächenwellen. Im Zeitbereich lässt sich dabei nicht einmal die Fundamentalmode von anderen Moden trennen. Außerdem können die beobachteten Moden nicht eindeutig Normalmoden zugeordnet werden. Daher würde die herkömmliche Vorgehensweise scheitern. Meines Wissens ist die von mir beschriebene Methode der erste erfolgreiche Schritt zur quantitativen Modellierung vollständiger Seismogramme, die unter flachseismischen Gegebenheiten aufgezeichnet wurden.

A new method to infer structural earth models from seismic wavefields is presented. The proposed inversion scheme has two stages. In the first stage a phase-slowness and frequency spectrum of the wavefield is calculated. In the second stage the phase-slowness and frequency spectrum, together with the p-wave arrival times, are inverted jointly for a 1D-model of s-wave and p-wave velocities and the depth of bedrock. The depth range covered by the method is typically 10m for wavefields in the frequency range from 10Hz to 100Hz and geophone spreads of 50m to 100m length. Data acquisition, in its simplest form, requires a hammer source and multichannel recording with vertical geophones. The method requires no a priori information about the investigated site. It is designed to be robust when dealing with the extreme wavefield properties met in unconsolidated sediments. Particularly, it avoids some severe weaknesses of conventional methods that interpret surface-wave data in terms of a single (fundamental) normal mode and calculate dispersion curves from phase differences between two receivers. In shallow seismic wavefields typically several modes interfere. Even the fundamental mode may not be separable from the rest in the time domain and observed surface waves may not uniquely be related to normal modes. Thus conventional method would not be applicable. To the best of my knowledge, this is the first successful approach to quantitative modelling of complete seismograms recorded in shallow seismic experiments.