Seismic imaging of sandbox models

Abstract

Analog sandbox simulations have been applied to achieve qualitative and quantitative insight into geological processes occurring in compressional and extensional settings. A direct comparison of model and nature is possible, because suitable analog materials, such as sand or glass beads, exhibit a similar Mohr-Coulomb behavior as sediments and rocks of the upper crust. Thus, analog models are scaled geometrically to nature by the density and frictional properties of the material used in the experiments. For example, to study the evolution of accretionary wedges in subduction zones, a typical experimental apparatus consists of a fixed horizontal plate (few meters x few decimeters) on which a conveyor belt, representing the subducting oceanic plate, is dragged underneath a rigid back wall, acting as the rigid part of the continental margin. The sand, representing deposited sediments, is sieved in layers onto the conveyer belt, and upon convergence, accumulates in regular imbricates in front of the back wall. Internal structures of sandbox models and their temporal evolution can only be directly observed in 2-D profiles along the glass walls confining the experiment or indirectly by surface observations by means of particle imaging velocimetry (PIV). When investigating regimes with along-strike variations, 3-D information of the sand models is needed, but can only be obtained by either very expensive and very elaborate X-ray tomography on small models (few centimeters), or, after the deformation is finished, by solidifying the model with transparent resin and cutting slices. This method provides high resolution 2-D slices to analyze 3-D structures. However, after solidification, further deformation of the model is impossible. To extend the simulations to three dimensions, I perform non-invasive seismic physical modeling on these analog sandbox models. The long-term objective of this approach is to image seismic and seismological events of static and actively deforming 3-D analog models. To achieve this objective, a new small-scale seismic apparatus, composed of a water tank, a PC control unit including piezo-electric transducers (PETs), and a positioning system, was built for laboratory use. To build the models, I use granular materials such as quartz sand, garnet sand and glass beads, so that brittle deformation can take place. Unlike typical analog sandbox models, the granular models now are required to be completely water saturated so that the sources and receivers are directly and well coupled to the propagating medium. Ultrasonic source frequencies (~500 kHz) corresponding to wavelengths ~5 times the grain diameter are necessary to be able to resolve small scale structures. When thus doing seismic physical modeling of granular models, two aspects besides the model scaling require particular attention to assess the feasibility of this setup and method: The transducer properties with respect to their use in seismic reflection surveys on mm-scale, and the acoustic material properties. The properties of specially designed PETs with reduced directionality were tested to assess their feasibility for seismic profiling on millimeter-scale with respect to their frequency sensitivity, their directionality, and the change of waveform as a function of offset. The experiments show that the PETs produce the best quality data at frequencies around 350-550 kHz, which is sufficient to resolve structures of ~2-1.5 mm dimension within saturated granular material. However, to inhibit ringing, a better control over the emitted source signal should be achieved. For these frequencies, the amplitudes decay to ringing noise level at incidence angles of <35°; for a 10 cm deep reflector that results in a 14 cm source-receiver offset. Below this offset, the first and second phase of the recorded signals still coincide so that a normal-movout correction during seismic data processing improves the signal. This shows that the special design of the PETs amounts to a reduced directionality compared to traditional transducers while maintaining the energy output. However, the energy output is fairly low for a highly attenuative material such as sand, so that the penetration depth is only 5 cm. Nevertheless, to this date, these are the most suitable transducers available to bridge the gap between the unwanted directionality and the desired energy output. The acoustic properties of various granular materials are reviewed and tested experimentally in order to identify materials of sufficient impedance contrast. However, the sound velocity of various granular materials, such as quartz sand, garnet sand and glass beads, under atmospheric pressure is difficult to obtain. Only the velocity measurements of glass beads produce reasonable results of 1.8 km/s. The extreme variability of quartz and garnet sand prevents, that the true velocity can be deduced. The reason for this variability is that sound velocity primarily depends on the coordination number, which is a measure of the nature of the grain-to-grain contacts. Therefore, the velocity and attenuation are highly sensitive to small changes in packing, which are difficult to control when building a model. Hence, a reflection of an interface cannot be coerced by different acoustic velocities above and below the interface, but by an interface that has a contrasting coordination number compared to the model material above and below. The clearest reflections are generated in glass bead models where the interface is sprinkled with glass powder filling the intergranular space, and then graded flat. Seismic sections over layers made of glass beads contain less internal noise and attenuation than those made of sand due to the better sorting and smoother surface of glass beads compared to sand grains. Hence, the use of very well-sorted materials consisting of well-rounded grains, independent of mineralogy, reduces the inhomogeneities in packing and therefore improves the data quality. Since it is not only desired to seismically image layer interfaces, but also shear bands within a deforming model, I show seismic images of a model before and after a string has been pulled through to simulate the decompaction occurring at shear bands. The decompaction of grains due to the string produces a reflection that can be detected in seismic data. The shear band is better resolved in sand than in glass beads. Different to field surveys, laboratory surveys are able to resolve the shear zone itself. Finally, seismic reflection processing of a multiple-offset survey over a two- layer structural model containing channels and a shear band enhances the data quality and resolution significantly. This result is an improvement to previous studies, in which zero-offset surveys were conducted under the assumption that the directionality of the transducers impedes the advantages of multiple-offset data. Here, this assumption does not hold true due to the advanced PETs and to the survey geometry which is optimized to the properties of these particular PETs. However, especially for more complex models, the clarity and penetration depth need to be improved to study the evolution of geological structures in analog models with this method. As long as no source with a considerably higher energy output and spherical wave emission is available, I suggest to do ultrasonic seismic surveys across rather shallow models. Nevertheless, even with model thicknesses above the penetration depth, the 3-dimensional albeit shallow information gained by seismic imaging of the models is feasible and would be beneficial in combination with PIV imaging, which provides a 2-D image of high spatial and temporal resolution over the entire depth of the model.

Zur Erforschung der Gesetzmäßigkeiten, die die zeitliche und geometrische Entwicklung geologischer Strukturen in kompressiven und extensiven Regimes bestimmen, werden häufig analoge Modellsimulationen angewandt. Die direkte Vergleichbarkeit der Strukturen in Natur und Modell ist durch das Mohr- Coulomb-Verhalten der Gesteine der oberen Kruste sowie der Modellmaterialien gewährleistet. Für die Simulation geeignete Materialen, wie zum Beispiel Sand oder Glasperlen, bilden daher geometrisch skaliert dieselben Deformationsstrukturen wie die Kruste, sofern auch ihre Dichte und ihre Reibungskoeffizienten entsprechend skaliert sind. Ein typischer Experimentaufbau zur Analyse der Entwicklung von Akkretionskeilen, die an Subduktionszonen entstehen, besteht zum Beispiel aus einer feststehenden horizontalen Grundplatte (wenige Meter x wenige Zentimeter), auf der ein Förderband, das die ozeanische Platte repräsentiert, unter einer festen Rückwand, welche die kontinentale Platte darstellt, hindurch gezogen wird. Auf das Förderband wird in Schichten ein granulares Medium als Sediment gesiebt, das sich während der Subduktion des Förderbandes in Schuppen vor der Rückwand auftürmt. Die so entstandenen internen Strukturen und ihre zeitliche Entwicklung können direkt in 2-D Profilen durch die Glasscheiben, die das Experiment seitlich begrenzen, beobachtet werden, oder aber indirekt durch hoch aufgelöste Oberflächenbeobachtung mittels Particle Imaging Velocimetry (PIV). 3-D Modelle, die Variationen in Streichrichtung aufweisen, können bisher nur mittels teurer und aufwendiger Röntgen-Tomographie während der Deformation aufgelöst werden. Alternativ ist es möglich, ein deformiertes Modell mit Kunstharz auszuhärten und anschließend in Scheiben zu schneiden, anhand derer ein 3-D Bild der Strukturen rekonstruiert werden kann. Eine weiterführende Deformation ist jedoch ausgeschlossen. In der vorliegenden Arbeit wird das Ergebnis der Anwendung des seismischen Reflexionserkundungsverfahrens auf diese Analogmodelle gezeigt, um das Abbilden der Strukturen zerstörungsfrei auf 3-D zu erweitern. Die langfristigen Ziele sind hierbei das seismische und seismologische Abbilden von statischen und transienten Strukturen in 3-D Analogmodellen. Zu diesem Zweck wurde ein Experimentaufbau entwickelt, der aus einem Wassertank, einer Computersteuerung, piezoelektrischen Sensoren und einem Positionierungssystem besteht. Um eine Mohr-Coulomb Deformation zu ermöglichen, bestehen die Modelle auch hierfür aus granularen Medien wie Quartzsand, Granatsand und Glasperlen. Für diese Anwendung müssen die Modelle jedoch vollständig wassergesättigt sein, damit die Sensoren, die als Quelle und Empfänger dienen, direkt und gut an das Modell gekoppelt sind. Die Quellfrequenz liegt um 500 kHz, damit die resultierende Wellenlänge kleinskalige Strukturen einer Größe von ungefähr fünf Korndurchmessern auflösen kann. Um die Anwendbarkeit dieser Methode auf Analogmodelle zu beurteilen, müssen erstens die Eigenschaften der Sensoren in Bezug auf ihre Anwendung in Reflexionsexperimenten auf Millimeter-Skala untersucht werden. Zweitens müssen die granularen Medien nach ihren akustischen Eigenschaften in diesem Frequenzbereich ausgesucht werden. Die Anwendbarkeit dieser speziell für diesen Zweck entwickelten piezoelektrischen Sensoren in seismischen Reflexionsexperimenten auf Millimeter-Skala hängt von ihrer Frequenzsensitivität, ihrem Abstrahlverhalten und der Änderung der aufgezeichneten Wellenform mit dem Quell-Empfänger-Abstand ab. Die Messung dieser Eigenschaften ergibt, daß die Sensoren im Frequenzbereich von 350-550 kHz das beste Signalverhalten aufweisen. Damit sind die Sensoren geeignet, um innerhalb von gesättigtem Sand, Strukturen von ungefähr 2 mm Mächtigkeit aufzulösen. Trotzdem ist eine verbesserte Kontrolle über das emittierte Signal wünschenswert, die die Resonanzvibrationen stärker unterdrückt. Innerhalb dieses Frequenzbereichs nehmen die Amplituden ab Einfallswinkeln von <35° auf das Niveau des Rauschens ab. Das bedeutet bei einer Reflektortiefe von 10 cm, daß das reflektierte Signal bis zu einem Quell-Empfänger-Abstand von 14 cm noch erkannt werden kann. Innerhalb dieses Abstandes interferieren die erste und zweite Phase des eingegangen Signals, so daß eine Normal-Moveout (NMO) Korrektur zu einer Verbesserung des Signal/Rauschen-Verhältnisses führt. Dieses Ergebnis zeigt, daß der spezielle Aufbau dieser Sensoren in der Tat zu einem weniger gerichteten Abstrahlverhalten führt, ohne den Energieausstoß nennenswert zu verringern. Damit sind diese Sensoren für den Zweck des seismischen Erkundens von Sandkastenmodellen optimiert. Dennoch ist die abgestrahlte Energie relativ gering, um stark dämpfende Medien wie Sand zu durchdringen. Die Eindringtiefe in den Experimenten mit Glasperlen und Sand liegt bei nur 5 cm. Um granulare Materialien unterschiedlicher Impedanzen für den Modellbau zu bestimmen, wurden die akustischen Eigenschaften granularer Medien anhand von existierenden Publikationen zu dem Thema rezensiert, und eigene Durchschallungsmessungen an Quartzsand, Granatsand und Glasperlen durchgeführt. Die Messungen an Glasperlen verschiedener Korngrößen ergeben eine Kompressionswellengeschwindigkeit von 1,8 km/s, während die Ergebnisse an Quarz- und Granatsand so große Schwankungen aufweisen, daß die Geschwindigkeit nicht zuverlässig bestimmt werden kann. Der Grund für diese Schwankungen liegt darin, daß die Kompressionswellengeschwindigkeit in granularen Medien unter atmosphärischem Druck hauptsächlich von der Art der Korn-zu-Korn Kontakte abhängt, und nicht von der Mineralogie. Deswegen ist sie sehr abhängig von kleinen Variationen in der Kornpackung, die beim Sieben der Proben und Modelle nur schwierig zu kontrollieren sind. Dieses Prinzip nutzend, kann man auf Impedanzkontraste der Schichten verzichten und lokal nur die Fläche zwischen zwei Schichten andersartig präparieren als die Schichten selbst, um eine Reflexion hervorzurufen. Auf diese Weise werden die stärksten Reflexionen in Glasperlen-Modellen aufgezeichnet, wenn die Schichtgrenze mit Glasperlenpulver, das die Kornzwischenräume ausfüllt, bestreut und anschließend geglättet wird. Die seismischen Sektionen von Glasperlenmodellen zeichnen sich gegenüber den Sandmodellen durch geringeres Rauschen und höhere Eindringtiefen aus, da die Glasperlen besser sortiert sind und somit eine homogenere Packung aufweisen als Sand. Die raue Oberfläche von Sandkörnern verhindert eine vollständige Sättigung, was sich in einer zusätzlichen Dämpfung des Signals auswirkt. Für die Analyse der Strukturen innerhalb von Sandkastenmodellen ist es nicht nur sinnvoll die Schichtgrenzen abzubilden, sondern auch die Scherzonen, die sich durch die Deformation herausbilden. Zu diesem Zweck wurde ein Faden quer durch ein Sandmodell gezogen, um eine der Scherzone ähnliche Dekompaktion der Körner hervorzurufen. Seismische Abbilder dieses Models vor und nach der Dekompaktion beweisen, daß die diese "Scherzone" im Labor seismisch abgebildet werden kann, wobei die Scherzone in Sandmodellen deutlicher sichtbar ist als in Glasmodellen. Schließlich wird gezeigt, daß die Datenbearbeitung von seismischen Reflexionsdaten mit mehrfachen Quell-Empfänger-Abständen die Bildqualität und -auflösung deutlich verbessert. Dieses Ergebnis ist ein Fortschritt zu bisherigen Studien, in denen seismische Experimente in Millimeter-Skala hauptsächlich mit einem Sensor, der gleichzeitig Quelle und Empfänger ist, durchgeführt wurden, da die üblichen Sensoren mit ihrer starken Abstrahlbündelung die Vorteile weiter Abstände zwischen Quelle und Empfänger zunichte machen. Diese Annahme trifft auf die hier verwendeten Sensoren wegen ihres speziellen Aufbaus und einer für sie optimierten Quell-Empfänger-Geometrie nicht zu. Gleichwohl sollte das Signal und die Eindringtiefe der Sensoren verbessert werden, um komplexere Modelle als die hier gezeigten, zufrieden stellend seismisch abbilden zu können. Bis eine solche Quelle zur Verfügung steht, sollten die seismischen Experimente eher an gering mächtigen Sandkastenmodellen angewandt werden. Gleich\\-wohl liefern die seismischen Experimente, besonders im Zusammenspiel mit 2-D PIV-Analysen, wertvolle, wenn auch oberflächennahe, Strukturinformationen in 3-D.