Department of Geophysical Imaging

Aktywne eksperymenty sejsmiczne z wykorzystaniem czujników OBS (ang. Ocean Bottom Seismometer) niezmiennie pozostają preferowanymi metodami w badaniach budowy litosfery na morzu. Dzięki nim mamy szansę na zrozumienie procesów geodynamicznych zachodzących w rejonach grzbietów oceanicznych lub strefach subdukcji, wpływających m.in. na występowanie niszczących trzęsień ziemi. Jednak dokładne obrazowanie głębokich ośrodków geologicznych wymaga aktywnego rozwoju technologicznego przełamującego typowe ograniczenia związane z pomiarami i przetwarzaniem skorupowych danych sejsmicznych.

Aktualnym celem rozwoju tego typu eksperymentów jest przejście do nowej generacji trójwymiarowych pomiarów wykorzystujących zarówno gęste rozstawy OBS jak i konfiguracje długich, wielokanałowych streamer’ów typu MCS (ang. Multi-Channel Streamer) zapewniających pokrycie o zróżnicowanym azymucie. Pomimo rosnących pul instrumentów oraz stopniowego wzrostu dostępu do nowoczesnych systemów akwizycji, eksperymenty tego typu wciąż stanowią wyzwanie pod względem logistycznym. Z drugiej strony wspomniana ewolucja w dziedzinie pomiarów sejsmicznych musi iść w parze z intensywnym rozwojem metodologicznym w kwestii przetwarzania danych, np. rozwojem metod inwersyjnych takich jak inwersja pełnego pola falowego (ang. Full Waveform Inversion – FWI), umożliwiająca budowę skorupowych modeli prędkości o wysokiej rozdzielczości.

Z założenia, FWI jest technologią dedykowaną budowie modeli litosfery w oparciu o iteracyjne dopasowywanie syntetycznych danych sejsmicznych symulowanych w modelu do rzeczywistych sejsmogramów pomierzonych w czasie akwizycji. Od czasu opublikowania pionierskiej pracy Alberta Tarantoli w 1984 roku, FWI była aktywnie rozwija zarówno w środowisku akademickim, jak i w przemyśle naftowym i gazowym. Metoda ta jest szczególnie atrakcyjna, ponieważ pozwala na obrazowanie sejsmiczne o znacznie lepszej rozdzielczości, w porównaniu np. z modelami uzyskanymi w wyniku tomografii czasu pierwszych wstąpień (ang. First Arrival Tomography, FAT; połowa długości fali w porównaniu do szerokości pierwszej strefy Fresnela) i może być zastosowana w rekonstrukcji wieloparametrowej, np. gęstości lub tłumienia.

Pomimo imponującego rozwoju FWI w ciągu ostatniej dekady, jak do tej pory przeprowadzono tylko kilka udanych prób aplikacji FWI do danych typu OBS w skali skorupowej. Toteż cel naukowy projektu jest dwojaki i obejmuje zarówno zadania eksperymentalne, jak i metodologiczne. Naszym nadrzędnym celem jest wykorzystanie syntetycznych i rzeczywistych danych typu OBS w połączeniu z nowatorskim przetwarzaniem – FWI – w celu zrozumienia geodynamicznej ewolucji oraz zrekonstruowania w wysokiej rozdzielczości struktury geologicznej strefy subdukcji Nankai w Japonii. Rejon ten jest jedną z najbardziej złożonych i fascynujących strefy subdukcji na Ziemi, będącej przedmiotem szerokich badań. W szczególności, ze względu na bliskość strefy kolizji między łukiem Izu-Bonin a centralną Japonią, segment Tokai (wschodnia część trefy subdukcji Nankai) charakteryzuje się wysoką złożonością geodynamiczną oraz skomplikowaną deformacją otaczających struktur. Między innymi w tym rejonie dochodzi do formowania się wulkanicznych grzbietów oceanicznych, które subdukując mogą kontrolować powstawanie i propagację dużych trzęsień ziemi.

Z metodologicznego punktu widzenia, poprzez ten projekt chcielibyśmy postawić i zweryfikować tezę, że trójwymiarowa FWI skorupowych danych sejsmicznych pomierzonych wzdłuż dwuwymiarowych profili w geologicznie złożonych obszarach (np. strefach subdukcji) daje lepsze wyniki w zakresie rekonstrukcji modelu i dopasowywanie danych w porównaniu z jej dwuwymiarową wersją. Istotnie, jeśli rozważymy dwuwymiarową akwizycję danych sejsmicznych w skomplikowanym ośrodku geologicznym, musimy mieć świadomość propagacji frontu falowego także poza osią profilu akwizycji. Stąd sejsmogram zarejestrowany na pozycji odbiornika, reprezentuje informację zebraną wzdłuż przebiegu wykraczającego poza dwuwymiarową płaszczyznę, zatem będącego w rzeczywistości przebiegiem trójwymiarowym. Znaczenie tego efektu wydaje się szczególnie ważne w przypadku skorupowych profili sejsmicznych, gdzie odległości między źródłem a odbiornikiem są wyjątkowo duże, a zatem front falowy jest bardziej podatny na propagację poza dwuwymiarową płaszczyzną profilu. Dlatego też podejście uwzględniające rekonstrukcję modelu jedynie w dwóch wymiarach jest obarczone nieścisłością w stosunku do rzeczywistego trójwymiarowego rozchodzenia się fal sejsmicznych.

W pierwszej kolejności zweryfikujemy naszą hipotezę na syntetycznym zbiorze danych OBS wygenerowanym w realistycznym modelu strefy subdukcji. W tym celu skonstruujemy trójwymiarowy, lepko-elastyczny, skorupowy model o wysokiej rozdzielczości, odpowiedni do testowania różnych podejść tomograficznych i dostępny dla społeczności geofizycznej na całym świecie. Następnie przeprowadzimy syntetyczne testy FWI w wariancie dwu- i trójwymiarowym w celu sprawdzenia, w jaki sposób uwzględnienie trójwymiarowego rozchodzenia się fali poprawia ostateczne wyniki inwersji. Ostatecznym celem będzie przeniesienie zebranych obserwacji z testów numerycznych na analogiczną aplikację FWI do zbioru rzeczywistych danych OBS. W tym celu wykorzystamy dane zarejestrowane na długości 210 km w rejonie Tokai. Na tej podstawie zrekonstruujemy model prędkości o rozdzielczości pozwalającej na dokładną interpretację geologiczną rejonu.

Zasadniczym celem projektu z zakresu geofizyki teoretycznej jest konstrukcja uniwersalnego modelu w postaci stochastycznego automatu komórkowego integrującego fundamentalne empiryczne prawa opisujące statystyczne własności trzęsień ziemi i umożliwiającego badanie zależności pomiędzy tymi prawami.

Analizując dane pomiarowe zebrane dla bardzo różnorodnych obszarów na Ziemi dotyczące czasów pomiędzy kolejnymi występującymi tam trzęsieniami ziemi, Alvaro Corral odkrył w 2004 roku, iż prawdopodobieństwo czasu oczekiwania na następne trzęsienie może być opisane jednym uniwersalnym rozkładem, o ile czas jest wrażony w jednostkach odpowiadających średniej sejsmiczności danego regionu. Istnienie takiej jednej uniwersalnej formuły, niezależnej ani od lokalnych warunków geologiczno-tektonicznych, ani od tego jak bardzo aktywny sejsmicznie jest dany obszar, silnie wskazuje na uniwersalny charakter mechanizmu generowania rozkładu czasów oczekiwania dla trzęsień ziemi.

Przedmiotem badań projektu jest właśnie ten uniwersalny mechanizm generowania trzęsień ziemi, a dokładniej konstrukcja możliwie prostego modelu takiego mechanizmu w postaci stochastycznego automatu komórkowego. Model ten będzie rozwinięciem badanego od niemal dziesięciu lat tzw. Random Domino Automaton, opisującego powolne gromadzenie się energii j jej gwałtowne uwalnianie, określone odpowiednimi regułami losowymi.

Konstrukcja i analiza planowanych do badania modeli typu Random Domino Automaton wymaga stosowania zaawansowanych metod matematycznych (w tym procesy stochastyczne, teoria grafów, kombinatoryka analityczna, równania różnicowe, procesy Markowa), fizycznych (w tym układy złożone i – ogólnie rzecz ujmując – fizyka statystyczna) a także znajomości sejsmologii oraz umiejętności przeprowadzania symulacji numerycznych.

Nowatorskim elementem projektu są metody opisu analitycznego zastosowane do stochastycznych automatów komórkowych (standardowo badanych numerycznie) rozwijanych przez kierownika projektu od niemal 10 lat. Podejście to przyniosło już istotne rezultaty, także w zakresie poszukiwania nowych mechanizmów użytecznych przy wyjaśnianiu generowania trzęsień. W szczególności odkryte przez niego występowanie podwójnego stanu stacjonarnego (dla pewnej klasy parametrów Random Domino Automaton) zostało zinterpretowane jako własność rzucająca nowe światło na tzw. supercykle trzęsień, czyli następujące kolejno po sobie duże trzęsienia, jak to zostało przedstawione w edytorskim omówieniu Mark H. Kim „New dynamical systems modeling helps explain mega-earthquakes” (AIP Scilight) tegorocznego artykułu Z. Czechowski, A. Budek, and M. Białecki ”Bi-SOC-states in one-dimensional random cellular automaton” opublikowanego w prestiżowym czasopiśmie CHAOS.

Stanowiący centralny obiekt projektu model – jak każdy poprawny model trzęsień ziemi – musi odtwarzać obserwowane zależności jak np. prawo Gutenberga-Richtera, prawo Omori i inne. Celem naukowym projektu jest interpretacja tych obserwowanych praw poprzez reguły uwalniania energii oraz badanie na tej podstawie zależności między tymi prawami. W szczególności, realizacja badań pozwoli określić, czy np. rozkład Gutenberga-Richtera jest niezbędny dla osiągnięcia obserwowanego kształtu krzywej czasów oczekiwania, czy też inny (hipotetyczny) rozkład byłby równie dobry, i w konsekwencji, czy i jak lokalne odstępstwa od rozkładu Gutenberga-Richtera przejawiają się w zmianie kształtu krzywej dla czasów oczekiwania.

Zagadnienia badane w tym projekcie z zakresu geofizyki teoretycznej mają podstawowe znaczenie dla lepszego zrozumienia najbardziej fundamentalnych mechanizmów generowania i statystycznych własności trzęsień ziemi.

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.