Project

full-waveform seismic inversion; nuclear waste disposal; modelling of seismic wave propagation; wave propagation; boundary conditions; high performance computing; finite-difference methods ; multicomponent seismic data ; near-surface zone; physical modelling; dedicated computational platforms

Lead
La modellazione della propagazione delle onde sismiche svolge un ruolo chiave in quasi ogni aspetto della sismologia ambientale, e di esplorazione. Viene utilizzata per comprendere il modo in cui le onde si propagano in un sottosouolo eterogeneo e complesso. La modellazione è utilizzata anche per la progettazione di un sondaggio, l'imaging, l’inversione e l'elaborazione dei dati sismici. Infine, la creazione di dati sintetici adeguati per la ricerca si è dimostrata estremamente preziosa per lo sviluppo e la sperimentazione di nuovi algoritmi per l’elaborazione di dati. La nostra ricerca punta a dare una svolta alla capacità di ridurre il costo computazionale della modellazione, da uno a diversi ordini di grandezza, basandosi sull'utilizzo delle cosiddette condizioni al contorno esatte. Oltre alle applicazioni menzionate in precedenza, la metodologia è essenziale anche per un nuovo tipo di laboratorio per la sperimentazione della propagazione delle onde che stiamo costruendo all'ETH.
Lay summary
Proponiamo dei metodi completamente nuovi per modellare gli esperimenti sismici, per invertire i dati sismici rispetto alle proprietà della terra, e per mappare le strutture nel sottosuolo. La nuova metodologia permette di ridurre in modo sostanziale i costi computazionali in scenari in cui è necessario ricalcolare ripetutamente la risposta sismica dopo aver alterato il modello (i costi delle ricalcolazioni sono molto bassi rispetto ai calcoli iniziali completi). La metodologia di modellazione cambia la natura dei calcoli richiesti e sarà particolarmente adatta per l'esecuzione su architetture di calcolo dedicate (per una specifica applicazione). Per questo motivo, vogliamo sfruttare il nuovo “motore” di modellazione per applicazioni di inversione e prevediamo significative riduzioni di un fattore 10-100 del costo computazionale a seconda dell'applicazione. Tale significativo sviluppo faciliterà il nostro obiettivo di effettuare inversione di dati sismici superficiali tenendo completamente in considerazione la fisica della propagazione delle onde in mezzi elastici - cosa che al giorno d’oggi è proibitiva da un punto di vista computazionale. La nuova metodologia sarà direttamente applicabile per risolvere problemi di lunga data relativi all’esplorazione di idrocarburi e minerali, alla caratterizzazione di riserve di acque sotterranee e idrotermali, allo stoccaggio di CO2, e alla sismologia dei terremoti.

Direct link to Lay Summary

Last update: 28.09.2015

Title	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

A fundamental goal of the research in the ETH Exploration and Environmental Geophysics (EEG) group is to better understand the Earth’s shallow near-surface properties and structure (upper 10’s to 100’s of meters) and the effects that this “near surface corrupting lens” has on seismic reflections from deeper structures. The near-surface zone is characterized by strong variations in elastic properties, such as at the free surface, transitions from dry to fluid to gas saturated media, and the sharp discontinuities between different sediments, soils and rock types, all of which lead to very complex seismic records contaminated by coherent noise. The research approach conducted in the EEG group to tackle these problems is based on three research programmes: theory and methodology development, field data experimentation and laboratory experimentation. The project described in this proposal is well integrated within these pillars with a long-term vision of developing new wave-equation based elastic modelling and inversion methods that fully explain the recorded data.We propose new, efficient and potent (in terms of the physics of wave propagation) methods for modelling seismic wave propagation and undertaking full waveform inversion (FWI) of seismic data. The novel methodology is based on the application of new boundary conditions and the projection of real or modelled data from the surface to the target of interest. In particular, the methodology promises to substantially reduce computational cost for resynthesizing the seismic response after model alterations (cost of recomputations are very small compared to the full upfront computations). Moreover, the modelling methodology changes the nature of the required computations (small scale finite-difference computations in combination with pure cross-correlation operations) and will be particularly suited to run on dedicated (application-specific) computer architectures. We therefore want to exploit the new modelling engine for FWI applications and foresee significant reductions in computational cost by one or several orders of magnitude, depending on the application. Such a significant advance will facilitate our goal of carrying out 3D elastic FWI of surface seismic data on a full scale - something that is prohibitively computationally expensive today. The new elastic FWI methodology will aid the resolution of long-standing problems in hydrocarbon and mineral exploration (including the near-surface problem), groundwater and hydrothermal reservoir characterization, CO2 sequestration and earthquake seismology. Finally, many aspects of wave propagation in real Earth media and the physics of scattered waves are still poorly understood. We are in the process of building a new wave propagation laboratory in our group for such studies. The methodology for modelling and inversion outlined in this proposal is central to the concept of the wave propagation laboratory where a physical modelling experiment is fully immersed within a projected virtual environment.