[論文レビュー] Reciprocity-gap misfit functional for Distributed Acoustic Sensing, combining data from passive and active sources

Florian Faucher, Maarten V. de Hoop+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 97被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、分散光線センシング（DAS）データを用いた弾性波形全反転における、新たなレシプロシティギャップ不適合関数を提案する。本手法は、被動的（例：地方地震）および能動的（例：探査）の両方のソースを統合し、ソース位置や特性に関する事前知識が最小限でも、低波数モデルの回復を著しく向上させるとともに、サイクルスキップ問題を軽減する。観測データとシミュレーションデータの間の変位およびひずみの相互相関を活用することで、事前知識が不要なマルチスケール地下構造再構成を実現する。

ABSTRACT

Quantitative imaging of sub-surface Earth's properties in elastic media is performed from Distributed Acoustic Sensing data. A new misfit functional based upon the reciprocity-gap is designed, taking cross-correlations of displacement and strain, and these products further associate an observation with a simulation. In comparison with other misfit functionals, this one has the advantage to only require little a-priori information on the exciting sources. In particular, the misfit criterion enables the use of data from regional earthquakes (teleseismic events can be included as well), followed by exploration data to perform a multi-resolution reconstruction. The data from regional earthquakes contain the low-frequency content which is missing in the exploration ones, allowing for the recovery of the long spatial wavelength, even with very few sources. These data are used to build prior models for the subsequent reconstruction from the higher-frequency exploration data. This gives the elastic Full Reciprocity-gap Waveform Inversion method, and we demonstrate its performance with a pilot experiment for elastic isotropic reconstruction.

研究の動機と目的

• 能動的探査データに低周波成分が不足するため、波形全反転におけるサイクルスキップ問題に対処すること。
• 被動源データ（例：地方地震）と能動源DASデータを統合し、マルチスケール地下画像化を向上させること。
• ソース位置や特性に関する事前知識を最小限に抑えた不適合関数の開発。
• 弾性媒質におけるレシプロシティギャップフレームワーク内でひずみと変位の相互相関を用いることの妥当性を示すこと。
• 実世界のDASデータ取得設定に適用可能な新しい全レシプロシティギャップ波形全反転（FRgWI）手法の基盤を構築すること。

提案手法

• 観測データとシミュレーションデータの間の変位および法線応力（またはひずみ）の時間相関に基づく、レシプロシティギャップ不適合関数を導入する。
• 受信器表面における積分を用いた不適合関数の定式化により、リプシッツ境界を持つ地形複雑領域への適用が可能となる。
• DASが光ファイバーに沿って測定するひずみと整合性を高めるために、法線応力をひずみで置き換えた関数表現を採用する。
• 周波数領域で処理することで、計算効率を向上させるとともにメモリ使用量を削減可能。周波数継続法を用いることで時間領域への拡張も可能。
• 計算用ソースを任意に配置可能であり、ショットスタッキングや柔軟な取得モデル化が可能となる。
• 本手法はhawenコードベースを用いて実装されており、公開されたデータセットおよびスクリプトを用いて結果の再現が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 被動源と能動源を統合した弾性波形全反転において、効果的に機能するレシプロシティギャップ不適合関数を設計できるか？
• RQ2 能動源データに低周波成分が欠落している場合、被動源データ（例：地方地震）が低波数地下構造をどの程度回復できるか？
• RQ3 ソース位置や波形に関する事前知識が欠如している状況下で、提案手法の不適合関数はどの程度の性能を示すか？
• RQ4 DASから得られるひずみ測定値を用いることで、弾性定数の再構成精度と安定性はどのように向上するか？
• RQ5 従来の最小二乗不適合関数と比較して、レシプロシティギャップ関数は波形全反転におけるサイクルスキップ問題をより効果的に軽減できるか？

主な発見

• 提案された全レシプロシティギャップ波形全反転（FRgWI）手法は、ソース情報が最小限であっても、被動源と能動源のDASデータを統合して弾性地下パラメータを効果的に再構成できた。
• 地方地震データから長波長構造を最初に回復し、その後に探査データで高波数詳細を再構成することで、マルチスケールイメージングが有効に実現された。
• パイロット実験により、本手法の多様な取得ジオメトリーやソース設定への柔軟性と頑健性が示された。
• レシプロシティギャップ不適合関数は、ソース位置や波形に関する知識に依存しないため、ソースが不確実または未知の実世界のDAS導入に適している。
• 本手法は異方性および減衰媒質へも拡張可能であり、周波数領域における複素数の弾性テンソルの容易な組み込みが可能である。
• 実装はショットスタッキングをサポートしており、時間領域またはハイブリッドドメインの定式化へも容易に適応可能であり、3次元応用へのスケーラビリティが向上する。