[论文解读] 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 13

一句话总结

本文利用解析法、边界积分法和有限差分法研究了海底地形对斯科特波激发的影响。研究结果表明，即使海底地形较为平缓，也能激发具有大振幅和色散特性的斯科特波，这些波可用于反演近海底剪切波速度；同时指出了有限差分模拟中的数值伪影问题，并强调了正确设置流体-固体界面边界条件对精确模拟的重要性。

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.

研究动机与目标

• 理解海洋环境中海底地形如何激发斯科特波的机制。
• 评估不同建模方法——解析法、边界积分法和有限差分法——在斯科特波传播模拟中的精度与数值稳定性。
• 评估海底地形对低频地震波的影响及其在全波形反演中的意义。
• 证明利用斯科特波频散分析反演近海底剪切波速度结构的可行性。

提出的方法

• 采用解析的Cagniard-de Hoop方法，基于已知格林函数，对具有简单层状结构的介质中的斯科特波激发进行建模。
• 应用边界积分法（BEM）高精度求解流体-固体界面问题，尤其适用于均质介质。
• 采用交错网格有限差分法（FDM）模拟波场传播，重点关注流体-固体界面附近的数值伪影。
• 实施恰当的流体-固体界面边界条件，以确保波场模拟的物理一致性。
• 利用SEAM项目（SEG Advanced Modeling）提供的真实海底地形剖面验证模拟结果。
• 对模拟得到的斯科特波进行频散分析，从界面波行为中提取剪切波速度信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 海底地形如何激发斯科特波？其主导物理机制是什么？
• RQ2 解析法、边界积分法和有限差分法在模拟斯科特波传播方面各自的优缺点是什么？
• RQ3 数值伪影（尤其是界面附近停滞的人工波）在多大程度上影响了有限差分法的模拟结果？
• RQ4 平缓的海底地形特征是否能够激发可检测的斯科特波，从而适用于速度反演？
• RQ5 海底地形如何影响低频地震波场，以及其在全波形反演中的应用潜力如何？

主要发现

• 即使海底地形较为平缓，也能激发振幅显著、具有色散特性的斯科特波。
• 在格林函数可解析求解的简单均质介质中，边界积分法能产生高度精确的结果。
• 有限差分法表现出强烈的数值伪影，包括在流体-固体界面附近出现的停滞人工波，即使采用精细的网格划分亦无法完全消除。
• 这些人工波随距离海底界面的增加而衰减，表明将检波器布置在远离界面的位置可有效减轻污染。
• 斯科特波频散分析为反演近海底剪切波速度结构提供了一种可行方法。
• 正确实现流体-固体界面边界条件对于精确模拟斯科特波激发至关重要。