[論文レビュー] Reciprocity-gap misfit functional for Distributed Acoustic Sensing, combining teleseismic and exploration data

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

Seismic Imaging and Inversion Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、分散マイクログラフセンシング（DAS）データからマルチスケール地下構造イメージングを可能にする、弾性フル相反性ギャップ波形逆問題（FRgWI）手法を提案する。この手法は、変位とひずみの相互相関を組み合わせた相反性ギャップ誤差関数を用い、低周波数の遠震データと高周波数の探査データを統合することで、最小限の震源情報で長波長構造を再構築し、精度の高い事前モデルを用いたロバストな弾性同値イメージングを実現する。

ABSTRACT

Quantitative imaging of sub-surface Earth's properties in elastic media is performed from Distributed Acoustic Sensing (DAS) 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 misfits, this has the advantage to only require little a-priori information on the exciting sources. In particular, it enables the use of data from teleseismic events, followed by exploration data to perform a multi-resolution reconstruction. The teleseismic data 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 (FRgWI) method, and we demonstrate its performance with a pilot experiment for elastic isotropic reconstruction.

研究の動機と目的

• 震源特性に関する事前知識が限られるDASデータから地下の弾性特性を再構築する課題に対処すること。
• 探査データに欠落している低周波数成分を遠震イベントと統合することで、長波長モデルの初期化を可能とすること。
• 正確な震源位置や時間関数を必要としない、変位とひずみの相互相関に基づく誤差関数を構築すること。
• 遠震データと探査DASデータを統合した単一の逆問題フレームワークで、マルチスケール弾性イメージングの可能性を実証すること。

提案手法

• シミュレートされたおよび観測された変位場とひずみ場の相互相関を用いて、相反性ギャップに基づく誤差関数を定式化する。
• 誤差関数は、弾性波動伝搬における相反性原理を活用して、観測値とシミュレーションを結びつける。
• 探査データに存在しない低周波数成分を有する遠震データを、長波長地下構造の回復に用いる。
• 遠震データで得られたモデルを初期化として用い、その後に高周波数の探査データで高分解能イメージングを実施する。
• 本手法は、フル波形逆問題フレームワークとして実装され、弾性フル相反性ギャップ波形逆問題（FRgWI）と呼ばれる。
• 本手法は、弾性同値媒質を対象としたパイロット実験により検証され、最小限の震源情報で地下特性を安定して再構築可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相反性ギャップ誤差関数は、震源に関する知識が最小限の状況でも、遠震データと探査DASデータを効果的に統合して地下構造イメージングを可能にするか？
• RQ2 低周波数の遠震データの統合は、DASベースの逆問題における長波長地下構造の再構築をどの程度向上させるか？
• RQ3 従来の波形逆問題手法と比較して、提案手法の誤差関数は、正確な震源特徴の必要性をどの程度低減するか？
• RQ4 FRgWIを用いたマルチスケールアプローチは、統合されたDASデータセットから正確な弾性同値イメージングを達成できるか？
• RQ5 限られた震源情報しか入手できない状況下で、FRgWI手法の地下弾性特性再構築性能はいかがであるか？

主な発見

• 相反性ギャップ誤差関数は、正確な震源時間関数を必要とせず、変位とひずみの相互相関のみを用いて波形逆問題を実現できた。
• 遠震データは、非常に少ない震源数でも長波長地下構造の回復に不可欠な低周波数成分を提供した。
• 本手法は、まず遠震データで事前モデルを構築し、その後に高周波数の探査データで精緻化することで、マルチスケール再構築を可能にした。
• 弾性FRgWI手法は、DASデータを用いた同値弾性イメージングの実現可能性を示したが、事前知識が最小限の状況下でも有効であった。
• パイロット実験により、遠震データと探査データの周波数成分の補完的性質を活用することで、安定的かつ高精度な地下再構築が達成されたことが確認された。