[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出弹性全互易间隙波形反演（FRgWI）方法，该方法采用结合位移与应变互相关性的互易间隙目标泛函，利用分布式声学传感（DAS）数据实现多分辨率地下成像。通过融合长周期远震数据与高频勘探数据，该方法在仅需极少震源信息的条件下重建长波长结构，从而实现鲁棒的弹性各向同性成像，并提升先验模型的准确性。

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.

研究动机与目标

• 为解决在缺乏震源特征先验知识的条件下，从DAS数据中重建地下弹性属性的挑战。
• 通过整合远震事件，弥补勘探数据中低频成分的缺失，以实现长波长模型的初始化。
• 开发一种目标泛函，使波形反演能够利用位移与应变的互相关性，而无需精确的震源位置或时间函数。
• 通过在单一反演框架中结合远震与勘探DAS数据，证明多分辨率弹性成像的可行性。

提出的方法

• 基于模拟与观测位移和应变场之间的互相关性，构建基于互易间隙的目标泛函。
• 通过利用弹性波传播中的互易原理，将观测与模拟结果关联起来。
• 利用远震数据恢复长波长地下结构，因其具有勘探数据所缺乏的低频成分。
• 在远震数据获得的模型初始化后，利用勘探数据进行高分辨率成像。
• 该方法在全波形反演框架中实现，称为弹性全互易间隙波形反演（FRgWI）。
• 通过针对弹性各向同性介质的试点实验验证该方法，证明其在仅需极少震源信息的条件下可有效重建地下属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于互易间隙的目标泛函能否有效结合远震与勘探DAS数据，在仅需极少震源知识的条件下实现地下成像？
• RQ2 在基于DAS的反演中，引入低频远震数据在多大程度上改善了长波长地下结构的重建？
• RQ3 与传统波形反演方法相比，所提出的目標泛函在多大程度上降低了对精确震源表征的依赖？
• RQ4 利用FRgWI的多分辨率方法能否实现从组合DAS数据中准确的弹性各向同性成像？
• RQ5 当仅具备有限震源信息时，FRgWI方法在重建地下弹性属性方面的表现如何？

主要发现

• 互易间隙目标泛函成功实现了仅基于位移与应变互相关性的波形反演，而无需精确的震源时间函数。
• 远震数据提供了关键的低频成分，使即使在震源极少的情况下也能恢复长波长地下结构。
• 该方法通过先利用远震数据构建先验模型，再利用高频勘探数据进行精细化，实现了多分辨率重建。
• 弹性FRgWI方法证明了在仅需极少震源先验信息的条件下，利用DAS数据实现各向同性弹性成像的可行性。
• 试点实验确认，该方法通过充分利用远震与勘探数据在频率内容上的互补性，实现了稳定且准确的地下结构重建。