[論文レビュー] Scholte waves generated by seafloor topography

Yingcai Zheng, Xinding Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2013

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 12被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、解析的・境界積分法・有限差分法を用いて海底地形によるScholte波生成を調査している。著者は、わずかな海底地形でさえも分散的で大きな振幅を持つScholte波を励起できることを示しており、これは近海底のせん断波速度を逆解析するのに利用可能である一方、有限差分法における数値アーティファクトと、正確なシミュレーションのための適切な流体-固体界面条件の重要性を強調している。

ABSTRACT

Seafloor topography can excite strong interface waves called Scholte waves that are often dispersive and characterized by slow propagation but large amplitude. This type of wave can be used to invert for near seafloor shear wave velocity structure that is important information for multi-component P-S seismic imaging. Three different approaches are taken to understand excitation of Scholte waves and numerical aspects of modeling Scholte waves, including analytical Cagniard-de Hoop analysis, the boundary integral method and a staggered grid finite difference method. For simple media for which the Green's function can be easily computed, the boundary element method produces accurate results. The finite difference method shows strong numerical artifacts and stagnant artificial waves can be seen in the vicinity of topography at the fluid-solid interface even when using fine computational grids. However, the amplitude of these artificial waves decays away from the seafloor. It is sensible to place receivers away from the fluid-solid interface for seismic modeling. To investigate Scholte wave generation, one needs to correctly implement the fluid-solid boundary condition. It is also shown through numerical examples including using a seafloor profile from the recent SEG Advanced Modeling (SEAM) Project that even mild topographic features can generate Scholte waves and these waves can be used to constrain near seafloor S wave velocity by dispersion analysis of interface Scholte waves. The implication to the full waveform inversion is that, although low frequency data are crucial for convergence, seafloor topography may have a large effect on low frequency seismic waves.

研究の動機と目的

• 海洋環境における海底地形がScholte波をどのように励起するかを理解すること。
• 解析的・境界積分法・有限差分法といった異なるモデリング手法がScholte波伝搬をどの程度正確かつ数値的に安定して再現できるかを評価すること。
• 海底地形が低周波数地震波に及ぼす影響と、フル波形逆問題へのインパクトを評価すること。
• 近海底せん断波速度構造を制約するために、Scholte波分散解析を用いる可能性を実証すること。

提案手法

• 既知のグリーン関数を有する単純な積層媒質におけるScholte波生成を、解析的Cagniard-de Hoop解析を用いてモデル化した。
• 境界積分法（BEM）を用いて、特に均質媒質において高い精度で流体-固体界面問題を解いた。
• ステaggered-grid有限差分法（FDM）を用いて波動伝搬をシミュレートし、流体-固体界面付近の数値アーティファクトに特に注目した。
• 波動場シミュレーションにおける物理的一致性を確保するため、適切な流体-固体境界条件を実装した。
• SEGアドバンストモデリング（SEAM）プロジェクトの実際の海底プロファイルを用いて結果を検証した。
• シミュレートされたScholte波に対して分散解析を実施し、界面波挙動からせん断波速度情報を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海底地形がどのようにScholte波を励起するのか、その主な物理的メカニズムは何か。
• RQ2 解析的・境界積分法・有限差分法がScholte波伝搬をモデリングするにあたり、それぞれの相対的な長所と短所は何か。
• RQ3 特に停止する人工波のような数値アーティファクトが、流体-固体界面付近の有限差分シミュレーションにどの程度影響を及ぼすか。
• RQ4 やや穏やかな海底地形特徴が、速度逆解析に適した検出可能なScholte波を生成できるか。
• RQ5 海底地形は低周波数地震波場にどのように影響を及ぼし、フル波形逆問題における有用性にどのようなインパクトを与えるか。

主な発見

• わずかな海底地形特徴でさえも、大きな振幅と分散的特性を示す顕著なScholte波を生成できる。
• 境界積分法は、グリーン関数が解析的に扱える単純で均質な媒質において、極めて高い精度の結果をもたらす。
• 有限差分法は、細かい空間グリッドを用いても、流体-固体界面付近に顕著な数値アーティファクト（特に停止する人工波）を示す。
• これらの人工波は海底からの距離とともに減衰するため、界面から離れた場所に受信器を設置することで汚染を軽減できる可能性がある。
• Scholte波分散解析は、近海底せん断波速度構造を逆解析するための実用的な手法である。
• 流体-固体境界条件の適切な実装は、Scholte波励起の正確なモデリングに不可欠である。