Multi-parametric Elastic Full Waveform Inversion Strategy for Seismic Data in the Frequency Domain

Abstract

As an alternative of the conventional hierarchical approach for the elastic full waveform inversion (FWI), I suggest new frequency-domain inversion strategy for multi-parametric elastic FWI of seismic data. The new inversion strategy consists of 4 inversion algorithms. At first, the new parameterization using Poissons ratio for a multi-parameter extraction is introduced. By analyzing the virtual source with mathematical and physical behaviors of its basis components, I verify that new parameterization using Poissons ratio compensates some limitations of the conventional parameterizations, which are caused by absence of mode-converted and S-S waves in the partial derivative wavefields for the P-wave velocity. Secondly, the spectral weighting scheme using the source-deconvolved backpropagated wavefields is developed to automatically control a spatial resolution of gradient direction depending on the thickness of subsurface layers. Thirdly, for a noise reduction, I develop a spectral filtering scheme for the gradient direction using the denoise function, which is automatically calculated from seismic data and filters out relatively noise-contaminated frequency components during the inversion. Finally, for a stable and accurate frequency-domain FWI, I suggest to apply the depth scaling scheme using the Levenberg-Marquardt method, in which the parameter-search moves from shallow to deep structures by reducing the damping factor. By applying new inversion strategy to various numerical examples, I demonstrate that the new inversion strategy improves the stability and accuracy of the multi-parametric elastic FWI for random-noise included-data.

본 연구에서는 기존의 다단계 파형역산 전략에 대한 대안으로써, 다변수 추출을 위한 다양한 주파수 대역을 갖는 탄성파 탐사 자료의 주파수 영역 파형 역산 전략을 제안한다. 먼저 가상송신원에 대한 분석을 통하여, 탄성파 완전파형역산에서 포아송비를 이용하여 지하매질을 변수화하는 것이 다변수 추출에 가장 효율적임을 확인한다. 또한 현장 자료의 스펙트럼 정보를 이용하여 각 주파수 별 최대급경사 방향에 가중치를 줌으로써 지하 지층의 두께를 대략적으로 반영하여 파형 역산의 분해능을 조절하는 가중치 기법을 제안한다. 다음으로 현장 잡음이 파형 역산에 미치는 영향을 줄이기 위하여, 송신원 별 현장 자료의 중합을 통해 현장 자료의 신호 대 잡음비를 대략적으로 추정하여 각 주파수 별 최대급경사 방향을 필터링하는 잡음 제거 함수를 제안한다. 마지막으로 기존 레벤버그-마쿼트 방법의 재해석을 통해, 주파수 영역 파형역산의 수렴성과 잡음 안정성을 증대시킬 수 있는 심도 조정 역산 전략을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 4가지 새로운 파형역산 기법을 다양한 수치예제에 적용함으로써, 광대역 탄성파 탐사 자료로부터의 다변수 추출이 보다 효율적이고 정확함을 확인한다.