Department of Geophysical Imaging

Research project objectives/research hypothesis

We propose to join the complementary expertise of the Polish and Chinese research teams to work on the development and application of the methodology of active/passive source structural imaging supplemented by the work related to seismic signal denoising (an essential part of the successful imaging) and monitoring using ambient noise and seismic interferometry. The use of seismic signals from passive sources (either earthquakes, microseismicity or ambient noise) in imaging is especially appealing, as it reduces significantly cost of seismic acquisition. It provides also a cost-effective solution for time-lapse monitoring. The key research questions that we are addressing, are related to the 4 main components of the project: (i) can we improve resolution of the crustal-scale velocity models obtained from wide-angle reflection/refraction (WARR) profiles through the use of full-waveform inversion (FWI) method and can it be applied effectively to the large datasets like the SinoProbe data collected in continental China, (ii) can we effectively remove the source influence on the imaging with the passive seismic data, (iii) can we develop more realistic noise representation to be able to subtract it from the data used in imaging/source mechanism inversion, (iv) what are the limitations of applying coda wave interferometry to track velocity variations caused by the stress changes in the rock-mass? We are addressing imaging at multiple scales: large scale (hundreds of kilometers) for WARR waveform inversion, medium scale (tens of kilometers) for passive structure imaging and small scale (hundreds of meters to several kilometers) for exploration.

Research project methodology

Project is breakdown in 4 main work packages, related to the above research questions, which are led by the respective PL-CN teams: (1) Full waveform inversion for wide-angle seismic reflection/refraction profiles (CN), (2) Source-independent structure imaging using passive seismic waveforms (CN), (3) Identification of noise sources and noise modeling (PL), (4) 4D rock-mass deformation monitoring using body-wave tomography and coda wave interferometry (PL). Project is balanced between method developments and their applications to real data. We will use existing datasets to which project partners have access including SinoProbe WARR data, borehole/surface microseismic data, coal-mine passive monitoring data. Polish partner also plans laboratory experiments on the coda waves recorded from core samples under the load to support observations from the field. 

Expected impact of the research project on the development of science

We anticipate significant interest in the application of the FWI to deep crustal data as it may improve our understanding of the deep Earth processes. Demonstrating of the applicability of the FWI technology to deep seismic data will impact immediately on the work of seismologists studying the Earth’s interior. We would demonstrate how to obtain as much as possible from the experimental data and how to improve the resolution of our crustal models. The latter is important e.g. for geologists working on tectonic evolution of the whole crust. The success of the methodology for source-independent imaging of passive seismic data can revolutionize and reduce the costs of future seismic experiments – both for purely scientific (seismogenic structures) and applied purposes (reservoir monitoring). Development of the method for stress monitoring using coda-waves can be useful in many areas, like mining (rock burst prevention) or volcano/landslide monitoring. 

Added value of bilateral cooperation

The two teams are complementary in research strengths and areas. For example, Polish team has gained a lot of research experiences on FWI and its application to various active-source data. Polish PI has a lot of experience of working with various WARR datasets from Central Europe. Chinese team has been working on crustal-scale tomography studies in China as well as other continents based on seismic arrival times and has access to many WARR profiles. The two teams can collaboratively work on combining FWI methodology and its application on WARR profiles. On microseismic data analysis, the two teams can combine research experiences on denoising and interferometry from the Polish side and microseismic location and tomography from the Chinese side. For the Polish researchers, it offers a unique opportunity to extend their experience to the geodynamic setting of the continental China and work on the SinoProbe data. For the Chinese scientist, it’s an opportunity to maximize the value of their data (including also the microseismic ones) and make new interpretations. Project will increase the expertise of both teams in the above research areas and will support their position and recognition as valuable partners in the international projects.

Research project objectives/Research hypothesis

In March 2016, the “BalTec” cruise took place with the German R/V Maria S. Merian in the Baltic Sea. About 3500 km of multi-channel seismic data (MCS), 6000 km parametric sediment profiler (Parasound) and 7000 km gravity data have been recorded (for details see cruise report in Hübscher et al. 2016). Operations in the Polish waters were planned in close co-operation with the Institute of Geological Sciences (IGS PAS) and the Institute of Geophysics PAS (IG PAS). Preliminary processed data provide already a gapless image from seafloor to base of the Permian salt (in the North German-Polish Basin) or Palaeozoic strata (Tornquist Fan) with high-resolution. The focus of proposed research is on the structure of Phanerozoic sedimentary cover in the transition from the Precambrian to Palaeozoic platform in the Polish sector of the Baltic Sea to be revealed by the new seismic and hydroacoustic data with the support of potential field modelling. We target also the deeper crustal structure of the Teisseyre-Tornquist Zone (TTZ) offshore Poland using the wide-angle reflection/refraction (WARR) data measured along the new OBS profile. In terms of the methodology, our aim is to develop robust processing and imaging techniques applicable to shallow-water MCS data, including e.g. strategies to remove multiple reflections. We will also test the methodology how to integrate potential field modelling into the seismic interpretation workflow and how to improve potential field modelling results by incorporating constraints from seismic data. An important aspect to be explored here is the use of satellite-derived gravity field vs ship-track free-air gravity measurements. The following research topics are to be explored here: deep structure of the TTZ offshore Poland; The nature of the Caledonian Deformation Front offshore Poland; Cambro – Ordovician evolution of the N (offshore) part of the Baltic Basin; Silurian evolution of the N (offshore) part of the Baltic Basin; Permo-Mesozoic evolution of the N (offshore) part of the Polish Basin; Understanding of ice-load induced tectonism and searching for fluid pathways.

Research project methodology

In order to achieve project goals, various geophysical dataset need to be integrated, but the core of the proposal is related to the processing, imaging and interpretation of the “BalTec” MCS data. The aim is to derive post-stack and pre-stack time migrated seismic sections. Attempts should be made to perform pre-stack depth migration at selected, key profiles with the use of full-waveform inversion for velocity model building. We also plan to reprocess selected profiles acquired in the Baltic Sea by PGI in 1997. Subsequently, “BalTec” MCS data would be integrated with other data – primarily potential field data (gravity and magnetics), hydroacoustics (multibeam, parasound) as well as the WARR profile across the TTZ. Seismic data processing/imaging and interpretation will be combined with the potential field 2D/3D modelling, either in the form of the constrained inversion or by reducing the ambiguity in the interpretation of MCS data. Cross-section balancing will be used to understand the sequence of tectonic movements, evolution of stress field in time and the role of tectonics in shaping depositional systems (formation of syn-kinematic strata etc.).

Expected impact of the research project on the development of science, civilization and society

We anticipate that our project will result both in advances in Earth Sciences in general (primarily in the fields of regional geology, tectonics and geodynamics), as well as in methodological advances in solid Earth geophysics. A comprehensive analysis of various geophysical datasets from offshore Poland should significantly improve our understanding of the evolution of the EEC margin, Caledonian deformations and Permo-Mesozoic history of the NGPB. We expect, for the first time in the Polish sector of the Baltic Sea, to provide evidence linking the previously detected geochemical anomalies at the sea-bottom (hydrocarbon contamination) with their surface (pockmarks) and deep expression (faults). The tight integration of diverse geophysical datasets (seismic, potential field, seismology) should also result in significant methodological improvements of such integrated geophysical studies, including also potential links between interpretation and modelling software etc. Positive results of the current project can trigger further activity to acquire new, deep reflection seismic data in the greater Baltic area with partners from several countries. This project is focused on basic research problems and recognition of fundamental geological features. However, there are some aspects of this work that could be also utilized for more practical purposes. The results obtained might be used in the future e.g. for better understanding of the Palaeozoic petroleum system, assessing the possibility of geo-pollution at the sea-bottom by migrating hydrocarbons, or planning offshore and onshore infrastructure.

Popularnonaukowe streszczenie projektu „Relacja wieloletniej zmarzliny z rzeźbą, budową geologiczną i komponentami kriosfery w oparciu o badania geofizyczne przedpola lodowca Hansa i okolicy. Hornsund, Spitsbergen.”

Badania kriosfery należą najbardziej priorytetowych zadań naukowych na świecie. Jej składniki takie jak lodowce i wieloletnia zmarzlina tworzą ważny, ponieważ bardzo wrażliwy na zmiany klimatyczne element środowiska geograficznego. Pomimo energicznych prac prowadzonych w ostatnich latach w niektórych miejscach zasięg tych zmiennych elementów kriosfery jest jeszcze niemal w ogóle niepoznany. Okolica Hornsundu na Spitsbergenie to miejsce newralgiczne dla badan zmarzlinowych Spitsbergenu, ponieważ na tym południowym fragmencie archipelagu związane z klimatem dynamicznie zachodzące zmiany mogą być największe.

Celem projektu jest określenie powierzchni i głębokości występowania wieloletniej zmarzliny w przestrzeni pomiędzy stokiem górskim i brzegiem morskim fiordu Hornsund. Jej występowanie zależne jest tylko od oddziaływania temperatury powietrza na powierzchnię ziemi i jej czasowej zmienności, lecz także od wpływu słonej wody morskiej oraz ewolucji wybrzeża widocznej w postaci różnowiekowych teras morskich znajdujących się na różnych wysokościach w okolicy Hornsundu.

Zmienność zasięgu zlodowacenia w badanej okolicy, szczególnie w okresie od końca tak zwanej Małej Epoki Lodowej wpływała także na wieloletnia zmarzlinę modyfikując jej temperaturę jak i zawartość lodu gruntowego na przedpolu lodowca. Widać więc, że środowisko glacjalne i środowisko peryglacjalne przenikają się zarówno w ujęciu materialnym: poprzez obecność lodu różnej genezy w jednym i drugim; a także w ujęciu geofizycznym poprzez zmienność w przebiegu granicy permafrostu jaka jest temperatura 0oC.

W tym obszarze badań wykonano szereg badań geofizycznych z wykorzystaniem metody elektrooporowej, pozwalających wstępnie ocenić zakres występowania permafrostu i jego relację z lodowcem oraz rzeźbą i budową geologiczną tego terenu. Jednak zastosowanie jednej metody geofizycznej nie wystarcza dla naukowej pewności. Zwieńczeniem rozpoczętych z sukcesem badań elektrooporowych będzie zastosowanie szeroko zakrojonych badań sejsmicznych. Wraz z informacjami klimatycznymi i innymi obserwacjami bezpośrednimi stanowić one będą kompletny zestaw danych.

Zaproponowane w projekcie syntetyczne i interdyscyplinarne podejście do poznania i zrozumienia współzależności objętego permafrostem środowiska peryglacjalnego i glacjalnego to nowość w skali światowej wprowadzona do naukowego obiegu przez polskich naukowców. Pierwsze zastosowanie takiego podejścia badawczego przeprowadzono w badaniach lodowca Storglaciaren w okolicy Kebnekaise, w Szwecji. Uzyskane wyniki spotkały się z dużym zainteresowaniem naukowców Szwedzkich. Rozwinięcie tego podejścia w warunkach subpolarnych Spitsbergenu pozwoli nie tylko na rozpoznanie zmienności w zasięgu występowania permafrostu, lecz także na przybliżenie jego ewolucji w okresie od końca ostatniego zlodowacenia. Byłoby to rozwinięcie oryginalnego, polskiego podejścia badawczego pozwalającego w przyszłości na osiągnięcie roli lidera w skali światowej w tego rodzaju badaniach.

Cel projektu

Celem projektu jest dokładne rozpoznanie budowy ziemi do głębokości ok 60 km w obszarze Polski i jej otoczenia. Jest to obszar dużej zmienności takich parametrów jak gęstość, rodzaj materiału, skład chemiczny. W najpłytszych obszarach do głębokości kilku kilometrów występują skały osadowe, głębiej skały krystaliczne, a poniżej ok. 45 km mamy wyraźną zmianę wszystkich parametrów odpowiadających przejściu ze skorupy ziemskiej do płaszcza ziemskiego. Parametry te są trudne do zbadania, szczególnie na dużych głębokościach, ale jeden z nich czyli prędkość propagacji fal sejsmicznych daje się relatywnie łatwo mierzyć. Wykorzystujemy do tego sztucznie wygenerowane, małe wstrząsy sejsmiczne (np. z użyciem materiałów wybuchowych) i obserwujemy je w różnych odległościach na stacjach sejsmicznych. Dzięki tym obserwacjom możemy obliczyć prędkości fal sejsmicznych na różnych głębokościach oraz co jest naszym głównym celem w geometrii trójwymiarowej.

Opis badań

Badania opisane powyżej prowadzone są od wielu lat z wykorzystaniem pewnych przybliżeń w rozchodzeniu się fal sejsmicznych (tzw. metoda promieniowa) oraz najczęściej w geometrii dwuwymiarowej, co jest również przybliżeniem prawdziwej struktury. W proponowanym projekcie chcemy rozszerzyć metody do pełnej trójwymiarowej analizy danych z wykorzystaniem wszystkich dostępnych materiałów, które jeszcze nigdy nie były interpretowane wspólnie. Do ich interpretacji chcemy wykorzystać najnowsze metody obliczeniowe, wykorzystujące współczesne komputery dużej mocy. W przygotowaniu danych wykorzystamy również dobrze znane metody wzmacniania sygnałów sejsmicznych szeroko używane w przemyśle związanym z poszukiwaniem i eksploatacją naturalnych surowców energetycznych. Metody te mogą zostać przystosowane do danych w skali regionalnej i po zastosowaniu znacznie poprawić siłę wartościowych danych w stosunku do szumów obserwacyjnych.

Powody podjęcia tematyki

Rozpoznanie struktury ziemi jest niezwykle ważne w wielu dziedzinach badań. W pracach czysto naukowych dane te jako model referencyjny pozwalają poznać głębsze struktury ze znacznie większą dokładnością. Dzięki temu możemy poznawać budowę płaszcza ziemskiego na głębokościach setek kilometrów. Dokładna wiedza o strukturze ziemi pozwala precyzyjnie lokalizować wstrząsy sejsmiczne zarówno naturalne jak i indukowane działalnością człowieka. Jest to bardzo istotne w zapewnieniu bezpieczeństwa sejsmicznego ludzi i obiektów przemysłowych, np. elektrowni atomowych. Dlatego nasz model referencyjny musi być maksymalnie dokładny i bazować na najnowszych osiągnięciach w metodach interpretacji danych sejsmicznych.

  1. Research project objectives/Research hypothesis

    The focus of the proposed research is on the deep crustal structure to be revealed by the planned reprocessing of PolandSPAN data and supported by the potential field data modelling and integration with other data including wide-angle reflection/refraction (WARR) profiles and seismological observations. The study area is located in northern Poland, east of the Teisseyre-Tornquist Zone (TTZ) and embraces the marginal part of the Precambrian Platform (or East European Craton = EEC). Previous geophysical studies (e.g., POLONAISE’97 WARR project) focused on the TTZ structure itself and considered EEC crust as being relatively homogenous. However, as found e.g., by the LITHOPROBE project in Canada, signs of Paleoproterozoic collisional tectonics (sutures zones, thrusts) are commonly found in the stable cratonic crust and the reflectivity patterns observed in PolandSPAN data suggest their existence within the EEC crust as well. Tracing those deep tectonic features is one of the main research objective of this project. It is anticipated, that a tectonic model for the evolution of the marginal part of the EEC will be created from the integration of the geophysical and geological data available. In terms of the methodology, our aim is to apply a full-waveform inversion technique to the PolandSPAN profiles in order to obtain improved high-resolution velocity models of the crust. Additionally, we are going to develop a methodology for processing deep reflection seismic data focused on noise suppression and removal using novel signal processing techniques (e.g., curvelet transform). Finally, we would like to test the methodology how to integrate crustal-scale potential field modelling into the seismic interpretation workflow and how to improve potential field modelling results by incorporating constraints from seismic data.

  2. Research project methodology

    PolandSPAN seismic profiles, provided free-of-charge to both Institutes involved by ION Geophysical company, form a framework for the project. These data will be reprocessed so that the whole crust and upper mantle imaging will be possible. Project will integrate the following set of geophysical analysis techniques: seismic data processing and modelling (including full-waveform inversion), seismic data interpretation, processing, modelling (including 3D inversion) and interpretation of potential fields. Interpretations from reflection data will be compared with the previous interpretations based on the WARR data and seismological observations (e.g., receiver functions) and supplemented by the potential fields modelling results, as well as with the latest results of petrological studies of the rocks forming the EEC crystalline crust in Poland in order to create a comprehensive tectonic model of the marginal part of the EEC.

  3. Expected impact of the research project on the development of science, civilization and society

    Project is related to fundamental questions on the Phanerozoic geological evolution of the study area. This is a unique region also in the wider European context. To our knowledge, there is no other part of Europe (with the exception of the Lublin Basin in SE Poland) that has such wealth of regional high-quality data with reliable imaging of the crystalline crust. Therefore, successful completion of this project should provide results that could form important reference points for other studies in Central Europe. The scope of the analysis refers to the most ambitious research projects related to crustal structure, like COCORP, LITHOPROBE, DEKORP, however with the advantage of nowadays seismic acquisition capabilities. Poland, as the current leader in the field of deep crustal research in Central Europe, can become the leader also in the field of deep reflection seismic. The project will have an impact on a variety of specialties in the field of earth sciences. The results may provide a starting point for future research and other methods. As an example, comprehensive and integrated analysis of the different sets of geological and geophysical data should greatly improve our understanding of the relationship between the structure of the cratonic crust and intraplate magmatic activity. The project focuses on basic research and understanding of fundamental geological processes. However, certain aspects can also be used for a more practical applications, e.g. for better understanding of the Paleozoic petroleum system.