[논문 리뷰] Reciprocity-gap misfit functional for Distributed Acoustic Sensing, combining teleseismic and exploration data

Florian Faucher, Maarten V. de Hoop외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Seismic Imaging and Inversion Techniques인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 분산된 음향 센서(DAS) 데이터로부터 다중 해상도의 지하 구조 영상화를 가능하게 하는, 이완성 전방위성-간격 웨이브폼 인버션(FRgWI) 방법을 소개한다. 이 방법은 이완성-간격 오차 기능을 사용하여 이완성 이동 및 변형률의 상관관계를 통합함으로써, 낮은 주파수의 천체지진 데이터와 높은 주파수의 탐사 데이터를 융합하여 장파장 지하 구조를 최소한의 소스 정보로 재구성한다. 이는 정확한 소스 모델이 부족한 상황에서도 강력한 등방성 탄성 영상 재구성을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소스 특성에 대한 사전 지식이 제한된 DAS 데이터로부터 지하 탄성 특성을 재구성하는 데 도전하는 것.
• 탐사 데이터에 낮은 주파수 성분이 부족한 점을 보완하기 위해 천체지진 사건을 통합하여 장파장 모델 초기화를 수행하는 것.
• 정확한 소스 위치나 시간 함수가 필요 없이 이동 및 변형률의 상관관계를 이용한 웨이브폼 인버션을 가능하게 하는 오차 기능을 개발하는 것.
• 단일 인버션 프레임워크 내에서 천체지진 및 탐사 DAS 데이터를 융합하여 다중 해상도 탄성 영상 재구성을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 모의 및 관측된 이동 및 변형률 필드 간의 상관관계를 이용하여, 이완성-간격 기반 오차 기능을 수립한다.
• 이 오차 기능은 탄성파 전파의 상호성 원리를 활용하여 관측치와 시뮬레이션을 연결한다.
• 낮은 주파수 성분을 지닌 천체지진 데이터는 탐사 데이터에 존재하지 않는 바람에, 장파장 지하 구조를 복원하는 데 사용된다.
• 천체지진 데이터로 유도된 모델로 초기화한 후, 탐사 데이터를 이용해 고해상도 영상 재구성을 수행한다.
• 이 방법은 전면 웨이브폼 인버션 프레임워크에 통합되어, '탄성 전방위성-간격 웨이브폼 인버션(FRgWI)'으로 명명된다.
• 등방성 탄성 매체를 대상으로 한 시범 실험을 통해, 정확한 소스 정보가 최소한일 때도 지하 특성을 안정적으로 재구성할 수 있음을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이완성-간격 오차 기능은 소스 지식이 최소한일 때도 천체지진 및 탐사 DAS 데이터를 효과적으로 융합하여 지하 영상 재구성을 가능하게 하는가?
• RQ2 낮은 주파수의 천체지진 데이터를 포함시킴으로써 DAS 기반 인버션에서 장파장 지하 구조의 재구성은 어떻게 향상되는가?
• RQ3 기존의 웨이브폼 인버션 방법에 비해, 제안된 오차 기능은 정확한 소스 특성화에 얼마나 의존도를 낮출 수 있는가?
• RQ4 FRgWI를 활용한 다중 해상도 접근법은 통합된 DAS 데이터셋으로부터 정확한 탄성 등방성 영상 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 제한된 소스 정보만 제공될 경우, FRgWI 방법의 지하 탄성 특성 재구성 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 이완성-간격 오차 기능은 정확한 소스 시간 함수가 없이도 이동 및 변형률의 상관관계만으로도 웨이브폼 인버션을 성공적으로 수행한다.
• 천체지진 데이터는 매우 적은 수의 소스로도 장파장 지하 구조를 복원할 수 있도록 필수적인 낮은 주파수 성분을 제공한다.
• 먼저 천체지진 데이터로 사전 모델을 구축한 후, 고주파수 탐사 데이터로 정밀화함으로써 다중 해상도 재구성을 가능하게 한다.
• 탄성 FRgWI 방법은 소스 정보가 최소한일 때도 DAS 데이터를 활용한 등방성 탄성 영상 재구성을 가능하게 함을 입증한다.
• 시범 실험을 통해 제안된 접근법이 천체지진 및 탐사 데이터셋의 보완적인 주파수 성분을 활용하여 안정적이고 정확한 지하 재구성을 달성할 수 있음을 확인하였다.