[논문 리뷰] Scholte waves generated by seafloor topography

Yingcai Zheng, Xinding Fang외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 18.

Seismic Imaging and Inversion Techniques참고 문헌 12인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 분석적, 경계 적분 및 유한 차분 방법을 사용하여 해저 지형에 의한 슈올테 파동 발생을 조사한다. 심지어 경사가 가벼운 해저 지형이라도 분산 특성을 띠는 큰 진폭의 슈올테 파동을 자극할 수 있음을 보여주며, 이는 근접한 해저 내부의 전단파 속도를 역산하는 데 활용될 수 있다. 동시에 유한 차분 모델링에서 발생하는 수치적 오류와 정확한 유체-고체 경계 조건의 중요성도 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 해양 환경에서 해저 지형에 의한 슈올테 파동 자극 메커니즘을 이해하는 것.
• 분석적, 경계 적분 및 유한 차분 방법 등 다양한 모델링 기법의 정확성과 수치적 안정성을 슈올테 파동 전파에 대해 평가하는 것.
• 해저 지형이 저주파 지진파에 미치는 영향과 전체 파동형상 역산에 대한 영향을 평가하는 것.
• 근접한 해저 내부의 전단파 속도 구조를 제약하기 위해 슈올테 파동 분산 분석을 활용할 수 있는지의 가능성을 보여주는 것.

제안 방법

• 알려진 그린 함수를 갖는 단순한 다층 매질에서 슈올테 파동 발생을 모델링하기 위해 분석적 Cagniard-de Hoop 분석을 적용하였다.
• 특히 균질한 매질에서 높은 정확도로 유체-고체 인터페이스 문제를 해결하기 위해 경계 적분법(BEM)을 적용하였다.
• 파동 전파를 시뮬레이션하기 위해 스타게드-그리드 유한 차분법(FDM)을 사용하였으며, 특히 유체-고체 인터페이스 근처의 수치적 오류에 초점을 맞추었다.
• 파동장 시뮬레이션의 물리적 일관성을 확보하기 위해 적절한 유체-고체 경계 조건을 구현하였다.
• 실제 해저 프로파일을 SEAM 프로젝트(SEG Advanced Modeling)에서 확보하여 결과를 검증하였다.
• 시뮬레이션된 슈올테 파동에 대해 분산 분석을 수행하여 인터페이스 파동 거동에서 전단파 속도 정보를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해저 지형은 어떻게 슈올테 파동을 자극하며, 그 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 분석적, 경계 적분 및 유한 차분 방법이 슈올테 파동 전파 모델링에 있어 상대적인 강점과 한계는 무엇인가?
• RQ3 특히 유체-고체 인터페이스 근처에서 발생하는 수치적 오류—특히 정지한 인위적 파동—은 유한 차분 시뮬레이션에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 경미한 해저 지형적 특징이 역산에 적합한 검출 가능한 슈올테 파동을 생성할 수 있는가?
• RQ5 해저 지형은 저주파 지진파장에 어떻게 영향을 미치며, 전체 파동형상 역산에 있어 그 활용 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• 심지어 경미한 해저 지형적 특징이라도 큰 진폭과 분산 특성을 띠는 중요한 슈올테 파동을 생성할 수 있다.
• 경계 적분법은 그린 함수가 해석적으로 구할 수 있는 단순하고 균질한 매질에서 매우 정확한 결과를 도출한다.
• 유한 차분법은 정밀한 격자 간격을 사용함에도 불구하고, 유체-고체 인터페이스 근처에서 강한 수치적 오류—특히 정지한 인위적 파동—를 보이다.
• 이러한 인위적 파동은 해저에서 떨어질수록 감쇠되므로, 수신기를 인터페이스에서 떨어진 곳에 놓는 것으로 오염을 완화시킬 수 있다.
• 슈올테 파동 분산 분석은 근접한 해저 내부의 전단파 속도 구조를 제약하기 위한 실용적인 방법을 제공한다.
• 정확한 슈올테 파동 자극 모델링을 위해서는 유체-고체 경계 조건의 적절한 구현이 필수적이다.