캐나다쉴드 지하구조물 연구에 영상인식 및 지진단층촬영 기술 적용

R.Mereu B.Roy S.Winardhi

(웨스턴 온타리오 대학교 지구 과학부, 런던, 온타리오, 캐나다, N6A 5B7)

Abstract 지난 몇 년 동안 캐나다 동부의 Canadian Shield에서 장거리 지진 굴절/광각 반사 및 거의 수직 동시 반사 방법에 대한 일련의 실험 연구가 수행되었습니다[2]. 지진에 가까운 수직 반사 방법은 지각 내의 상세한 구조를 더 잘 이해할 수 있게 해주는 유망한 방법입니다. 위 실험의 단점은 여전히 ​​신호 대 잡음비가 좋지 않다는 문제입니다. 이는 일반적으로 지각 내의 국부적인 측면 불균일성으로 인한 산란 및 광선 경로 연장 효과로 인해 발생합니다. 본 연구에서는 기존의 CDP 매핑 방식 대신 보다 효과적인 이미지 인식 방식을 사용하였다. 이 방법은 예상치 못한 효과를 가져왔고 주요 지하 반사층의 해상도를 크게 향상시켰습니다. 지진 굴절/광각 반사 기술은 결합된 폭발을 활용하고 수백 개의 수신기에 의해 포착됩니다. 이 방법을 구현하면 지각을 다른 관점에서 관찰하고 연구할 수 있습니다. 지하 구조물의 영상을 최적화하기 위해 데이터 분석 시 측면 불균일 모델의 매개변수화에 적합한 새로운 방법, 즉 삼각형 요소 방법과 지연 최소 자승 역산 기술을 결합한 새로운 방법이 개발되었습니다. 비정상적인 속도 구조를 밝히기 위해 기존 속도 솔루션에서 지역 수직 속도 구배를 빼면 지하 구조의 이미지가 크게 향상됩니다.

키워드 영상 인식, 단층 촬영, 지각 모호 반사굴절 지진 영상

1 소개

지난 10년 동안 캐나다 쉴드 전역에 걸쳐 연구가 진행되었습니다. 캐나다 동부에서는 장거리 지진 굴절/광각 반사 및 거의 수직 동시 반사 방법에 대한 일련의 실험적 연구 작업이 수행되었습니다. 주요 연구분야는 중앙퇴적변성대, 그렌빌프론트 구조벨트, 서드베리 분지, 중대륙 단층계 등이다. 1986년에 수행된 Glimpce 실험에서 공기총 소스 기술은 소스 거리가 60m인 오대호 전역의 지진 선에 사용되었습니다. 1992년 Lithoprobe Abitibi-Grenville에서 실시된 가장 최근의 지상파 지진 굴절 실험에서는 평균 발사 간격이 30km인 44개의 발사 폭발이 사용되었습니다. 각 폭발은 415개의 장비 세트로 녹음되었으며, 녹음 지점 간 거리는 1.0~1.5km였습니다. 구간 길이는 180~640Km이다. 위 실험은 조밀한 광선 적용 영역을 구성하므로 지진 단층 촬영 기술을 적용하여 관심 구조 영역의 지진파 속도 변화를 보다 자세히 연구할 수 있습니다. 대부분의 굴절선은 수직에 가까운 반사선으로 보완됩니다. 이러한 수직 반사선은 육지의 연속 진동원과 호수의 공기총 소스 기술을 사용했습니다. 위의 실험과 분석 방법에 대한 자세한 내용은 Green et al.[1], Epili와 Mereu[2], Hamilton과 Mereu[3], Winardhi와 Mereu[4]의 논문을 참조하세요.

2가지 분석 도구

위의 실험에서 얻은 대용량 데이터, 특히 지진 굴절/반사 데이터를 효과적으로 분석하고 처리하기 위해 시리즈를 설계하고 개발했습니다. 도구의. 그것들은: ① 잉크젯 프린터에 큰 지진 단면을 그릴 수 있는 프린터 플로터 프로그램 ② 3성분 데이터용 편광 필터와 CDP 데이터용 이미지 인식 필터를 포함한 디지털 필터 세트 ③ 자동을 사용하는 컴퓨터 대화형 프로그램 화면에 첫 번째 도착파와 후속 파동을 표시하고 식별하는 수동 방법. ④ 측면 비균질 모델에서 모든 유형의 광선(P 선, S 선 또는 변환 광선)을 여러 번 방출하는 파동 광선에 대한 대화형 광선 추적 프로그램입니다.

3 이미지 인식 기술을 사용하여 신호 대 잡음비 개선

지각에서 거의 수직에 가까운 지진 반사 실험이 수행된 대부분의 지역에서 과거의 일종의 구조적 변형으로 인해 지층이 더 이상 균일한 층위의 조건, 즉 측면 및 수직 방향을 따라 불균일한 조건을 만족합니다. ① 지진에너지는 이러한 매질에서 긴 광선 경로를 통해 전파된 후 약간씩 다른 시간에 각 수신 지점에 도착하므로 이동 시간 곡선이 매끄럽지 않습니다. 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 특정 중첩 기술을 사용하는 기존 처리 방법은 실제로 많은 경우 비위상 중첩으로 인해 신호를 파괴하여 만족스럽지 못한 지하 인터페이스 이미징을 초래합니다. 이 현상은 일부 샷 수집 및 CDP 수집에 명백한 반사경이 있는 경우에도 발생합니다. ② 본 연구에서는 영상인식 기법을 기반으로 한 신호강화 기술을 pre-stack 처리 과정에 적용하여 신호 대 잡음비를 향상시키는 기술에 중점을 두고 있다. Roy와 Mereu[5]는 신호의 측면 연속성, 진폭, 파형, 신호 주파수 및 기타 특성을 기반으로 신호와 잡음을 식별합니다. 그들은 이 기술을 사용하여 CDP 수집에서 잡음을 제거하여 잡음 간섭 수준을 크게 줄입니다. 누적 프로필. 신호 중첩 방법도 이전과 약간 다릅니다. 즉, 작은 이동 시간 창에서 동일한 극성의 신호 에너지를 계산하므로 위상이 일치하지 않는 신호도 고려됩니다. 그림 1a와 1b는 반사 프로파일의 예를 보여줍니다.

그림 1a는 전통적인 처리 방법을 사용하여 얻은 이미지이고, 그림 1b는 이미지 인식 방법을 사용하여 얻은 향상된 이미지입니다. 이 이미지는 Canadian Shield 남동부의 퇴적 변성대 중앙의 지진 프로파일에 있는 경사 전단대의 일부를 반영합니다.

4 단층촬영 분석

단층촬영 기술을 이용하여 다량의 지진굴절/광각반사 데이터를 분석하여 지각의 속도구조 영상을 얻었다. 구체적인 단계는 다음과 같습니다. ① 합리적인 초기 모델을 설정합니다. ② 전달 문제 방법을 사용하여 모델을 기반으로 일련의 이론적 이동 시간 곡선을 구성합니다. ③ 최적화 방법을 사용하여 관찰된 이동 시간까지 모델을 미세 조정합니다. 곡선은 이론적인 이동 시간 곡선과 같습니다. 초기 모델은 첫 번째 도착 Pg 파의 전체 세트에 대한 최소 제곱 분석을 수행하여 확립되었으며, 그 결과 평균 "표준" 지각 모델이 생성되었습니다. 이 예에서 표면파 속도는 6.13km/s입니다. 파동 속도는 깊이에 따라 선형적으로 증가하며 지하 40km에서는 7.10km/s에 도달합니다. 연구 결과에 따르면 이동 시간 곡선에 나타나는 많은 국지적 산란점은 측면 및 수직 방향을 따라 표면 근처 암석학의 변화로 인해 발생하는 것으로 나타났습니다. 우리는 시간 경과 방법을 사용하여 이동 시간 데이터를 표면 근처 속도 구조로 변환한 다음 부드러운 이동 시간 곡선을 사용하여 더 깊은 구조의 단층 촬영 이미징을 수행합니다.

그림 1 Canadian Shield의 중앙 퇴적 변성대 단면의 예

a—전통적인 처리 방법을 사용한 CDP 적층 단면 b—지진 신호를 강화하는 이미지 인식 기술< /p >

Cerveny 및 Psencik[6], Zelt 및 Smith[7]와 같은 모델 매개변수화 방법에는 여러 가지가 있습니다. 각 방법마다 장단점이 있습니다. 본 연구에서 우리는 모델을 일정한 속도 구배를 갖는 일련의 삼각형 요소로 나누는 "삼각형 요소 방법"(Mereu, [8])의 최신 버전을 선택했습니다. 삼각형은 모델 구조의 측면 변화와 경사 단층에 매우 효과적이기 때문에 모델의 기본 단위로 선택되었습니다. 측면 및 수직 방향의 속도 변화는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

V(x,z)=ax+bz+c

GradV=ai+bj

여기서: V(x,z)는 모델의 임의 지점에서의 지진파 속도이고 GradV는 각 삼각형 단위 내의 일정한 속도 기울기입니다. 상수 a, b, c는 각 삼각형의 각 노드에서의 속도 값에 의해 결정됩니다. 각 삼각형마다 이 세 가지 상수의 속도 기울기 값이 다릅니다. 속도장의 그래디언트 값은 일정하므로 각 삼각형 단위 내에서 추적되는 모든 광선 경로가 호가 되어 전체 모델에 대해 광선을 빠르게 추적할 수 있습니다. 광선 추적은 삼각형 경계를 이루는 선형 방정식으로 광선-호 방정식을 풀고 각 교차점에 스넬의 법칙을 적용하여 수행됩니다. 삼각측량 단위 분해 기술의 장점은 처리하는 데이터의 양이 상대적으로 줄어든다는 점입니다. 지하 구조물이 상대적으로 단순할 경우 삼각형 유닛을 더 큰 크기로 분할할 수 있고, 지하 구조물이 더 복잡할 경우 삼각형 유닛을 더 작은 크기로 분할할 필요가 있습니다. 따라서 모델을 분할하는 고유한 방법은 없습니다. 여러 테스트 결과에 따르면 일반적으로 이동 시간 데이터는 모델 분할의 비고유성에 그다지 민감하지 않은 것으로 나타났습니다. 다른 테스트에서는 그림 2와 같이 총 간격에 따라 삼각형 요소의 개수가 결정되면 최적의 요소 개수를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 합성 지진파는 전파 경로에서 광선의 시간 지연, 자유 표면 효과, 기하학적 팽창 효과, 복소 투과 및 복소 반사 계수를 기반으로 전달 함수를 계산하여 구성할 수 있습니다. 컴퓨터는 모델의 모든 주요 이동 시간 곡선을 자동으로 검색하고 이를 숫자로 인코딩하고 끝점을 결정한 다음 적절한 각도에서 모델의 광선 추적을 수행하여 파동 도달 시간과 진폭을 계산합니다. 지각 이동 시간 데이터의 역전은 비선형 역전 문제입니다. 모든 자동 반전 방법과 마찬가지로 모델을 구축할 때 불안정한 솔루션이나 불규칙한 경로가 발생하기 쉽습니다. 이 문제를 극복하기 위해 원본 프로그램을 대화형 프로그램으로 수정했습니다.

그림 2: 삼각형 요소 방법을 사용하여 속도 모델을 매개변수화하는 예

모델에는 그림 3a와 같이 단층 영역이 포함되어 있습니다.

새로운 프로그램 사용자가 컴퓨터 키보드의 몇 개의 키를 누르는 것만으로 모델의 삼각형 요소와 속도 값을 수정할 수 있는 것이 특징입니다. 반전 모니터링은 광선 경로와 이론 및 관측 이동 시간 곡선을 실시간으로 표시하여 수행됩니다. 반전 과정에서는 층상 박리법이나 확장 단위법[9](White)을 사용하여 데이터를 시뮬레이션합니다. 반전은 표층에서 시작하여 먼저 얕은 지각 구조의 이미지를 구축한 다음 점차적으로 내부로 침투합니다. 깊은 빵 껍질까지.

Moho 표면 깊이에서의 모델 구성에는 PmP 파를 관찰할 수 없거나 PmP 이동 시간 곡선의 가지가 있는 지역에서 관측된 PmP 및 Pn 파 이동 시간 데이터가 주로 사용됩니다. 매우 짧은 Moho 표면은 두꺼운 전이 영역으로 나타납니다. 지하 구조의 이미지를 개선하기 위해 속도 프로파일에서 평균 표준 지각 속도 구배를 빼서 변칙 속도 프로파일을 얻습니다. 또한, 광선 커버리지의 상대 밀도를 기반으로 모델 불확실성을 반영하고 이를 시뮬레이션 어닐링 분석과 결합하는 기술을 개발합니다.

그림 3a는 속도가 측면으로 변하는 모델의 예를 보여줍니다. 큰 결함은 모델에서 고속 영역과 저속 영역을 분리합니다. 그림 2는 삼각형 요소 방법을 사용하여 이러한 모델을 매개변수화하는 방법을 보여줍니다. 이 예에서는 10개 샷 포인트의 데이터가 사용됩니다.

그림 3b는 속도 이상 이미지를 보여 주며, 이는 지하 구조물 이미지를 크게 향상시키고 단층의 존재를 강조합니다. 그림 3c는 그림 3a 모델의 속도 불확실성 프로파일입니다. 그림에서 알 수 있듯이 광선 범위가 가장 조밀한 곳에서 가장 정확한 속도 값이 얻어지는 반면, 깊은 지각과 모델 양쪽에 광선이 희박한 곳에서는 추정 파동 속도 값이 다음과 같습니다. 덜 정확합니다.

그림 3 단층 촬영 이미지

a - 속도 모델: 결함이 모델을 고속 영역과 저속 영역으로 나눕니다. b - 속도 이상 맵: (a ) 표준 지각을 빼면 표면의 지각 속도는 6.13km/s이고 Moho 근처의 속도는 7.10km/s입니다. c - 속도 불확실성 프로파일, 불확실성 값은 광선 범위의 밀도에 따라 달라집니다.

최근 우리는 1992년 Canadian Shield를 횡단한 Lithoprobe Abitibi-Grenville의 4가지 지진 굴절 프로파일 분석에 단층 촬영을 적용하여 좋은 결과를 얻었습니다(Winardhi and Mereu, 1997). 연구의 가장 흥미로운 결과는 Grenville Front 구조 구역(Superior와 Grenville 사이의 지질 단위 경계)의 구조 지도입니다. 지도에는 남동쪽으로 내려가 지각을 관통하여 모호에 도달하는 변칙적인 속도 구배 구역이 나와 있습니다.

5 결론

현대 지진 탐사는 거의 수직에 가까운 반사 방법과 광각 반사/굴절 방법을 사용합니다. 이 기사에서는 이미지 인식과 속도 이상 단층 촬영이라는 두 가지 매우 효과적인 기술을 소개합니다. 이러한 기술을 적용하면 지각의 속도 구조 이미지가 향상됩니다.

감사의 글 컴퓨터 하드웨어와 지진 데이터 처리 소프트웨어 제공에 대한 기술 지원을 해준 LSPF의 K. Vasudevan과 R. Maier, University of Western Ontario의 B. Dunn과 J. Brunet에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. . 가방. 이 연구는 Lithoprobe와 NSERC(승인 번호 A1793)가 공동으로 자금을 지원했습니다.

(Jiang Tao 번역, Xu Yun 편집)

참고자료

[1] A.G.Green,B.Milkereit,A.Davidson,C.Spencer ,D.R.Hutchinson, D.R.Cannon,W.F.Lee,M.W.Agena,J.C.Behrendt,W.J.Hinze.Grenville Front 및 인접 지형의 지각 구조.Geology,1988,16:688~792.

[2] D .Epili 및 R.F. Mereu.Grenville 전면 구조대: 1986년 오대호 육상 지진 광각 반사 실험의 결과. 지구물리학 연구 저널, 1991,96:16335~16348.

[3] D .Hamilton 및 R.F. Mereu. 북미 중부 대륙 열곡 시스템에 걸친 2-D 단층 영상.Geophysical Joural International,1993,112:344~358.

[4] S.Winardhi 및 R.F.Mereu. 남동부 캐나다 순상 지역의 슈피리어 및 그렌빌 지역의 지각 속도 구조. 캐나다 지구 과학 저널, In press, 1997.

[5] B.Roy 및 R.F.Mereu. 패턴 인식 기술을 사용한 신호 향상 수직에 가까운 지각 지진 반사 실험에 적용. 지구물리학 연구 편지, 1996,23,1849~1852.

[6] V.Cerveny 및 I.Psencik. 2차원 측면으로 변화하는 층 구조의 Gaussian 빔.Royal Astronomical Society,Geophysical Journal,1984,78:65~91.

[7] C.A.Zelt 및 R.B.Smith.2D 지각 속도 구조에 대한 지진 이동 시간 역전.Geophysical Joural International,1992,108 ,16~34 .

[8] R.F. Mereu.SJ-6 프로파일에 따라 기록된 지진 굴절 데이터의 해석:Morro Bay-Sierra Nevada,California.In:SJ-6 지진의 해석 반사/굴절 프로파일, 캘리포니아 중남부, USA.In: 측면 이종 지형의 지진파 전파 해석에 관한 1985년 CCSS 워크숍 진행, USGS 공개 파일 보고서 87-73, A.W.Walter 및 W.D.Mooney(Eds.), 1987 ,20~37.

[9] D. White. 2차원 지진 굴절 단층촬영. 지구물리학 저널 국제, 1989, 97, 223~245．