3D Tunnel Seismic Imaging

Abstract

The project OnSITE (On-line Seismic Imaging System for Tunnel Excavation in Hard Rock) aims at developing an integrated approach for seismic imaging around the tunnel and prediction ahead of the tunnel face during construction work. We present the results of our subproject which is concerned with the determination of the spatial locations of faults, fractures and heterogeneities by advanced seismic imaging techniques. We have extended existing 2D imaging techniques to 3D. We have implemented 3D versions of "Kirchhoff prestack depth migration" (KPSDM), "Fresnel Volume Migration" (FVM) and "Reflection-Image-Spectroscopy" (RIS). The 3D P- and S-velocity models required for the calculation of the Green's functions have been generated by using the 2D first-break tomography velocity models and rotating them around the tunnel axis. The 3D images were obtained by stacking the migrated data taking into account either the true phase or the absolute value. The application of the mentioned imaging techniques to data from the Gotthard Base Tunnel (Piora adit) show significant improvements compared to standard (KPSDM) processing. The 3D RIS approach suppresses scattering effects in the low frequency band and increases resolution in the high frequency band so that some of the geological structures are much better visible. The 3D FVM technique uses slowness and polarization based estimates of the emergence angles at the receivers and restricts the imaging to the region around the actual reflection or diffraction point. We observe less spatial ambiguity and a higher resolution of most structures. The integration of both approaches (RIS and FVM) exploits their advantages and delivers an even more pronounced and clear image of the tunnel environment.

Das Vorhaben OnSITE (Ein seismisches Abbildungssystem zur geologischen Vorauserkundung beim Tunnelvortrieb in Festgestein) zielt darauf ab, ein ganzheitliches Konzept zur seismischen Bildgebung um einen Tunnel und eine Prognose im Voraus der Tunnelortsbrust während der Bauarbeiten zu entwickeln. Wir präsentieren die Ergebnisse unseres Teilprojekts, das sich mit der Bestimmung der räumlichen Lage von Störzonen, Brüchen und Heterogenitäten mittels fortgeschrittener seismischer Abbildungsverfahren befaßt. Wir haben existierende 2D Abbildungsverfahren auf 3D erweitert. 3D Versionen der "Kirchhoff Pre-Stack Tiefen-Migration" (KPSDM), "Fresnel Volumen Migration" (FVM) und "Reflexionsseismischen Spektroskopie" (RIS) wurden implementiert. Die 3D P- und S-Wellenmodelle, die zur Berechnung der Greens-Funktionen benötigt wurden, sind anhand eines um die Tunnelachse rotierten 2D Erst- Einsatz-Tomographie Geschwindigkeitsmodells erzeugt worden. Die 3D Bilder wurden über eine Stapelung der migrierten Daten unter Berücksichtigung entweder der Phase oder des Absolutbetrags erhalten. Die Anwendung der erwähnten Abbildungsverfahren auf Daten aus dem Gotthard Basis Tunnel (Piora Sondierstollen) weisen bedeutende Verbesserungen gegenüber der Standardprozessierung auf. Die 3D RIS Methode unterdrückt Streueffekte in dem tieffrequenten Band und erhöht die Auflösung in dem hochfrequenten Band, so daß ein paar von den geologischen Strukturen besser sichtbar werden. Die 3D FVM Technik gebraucht Richtungseinschätzungen der Einfallswinkel, die aus der Slowness bzw. Polarisation abgeleitet wurden, und bildet nur die Region um den wirklichen Reflexions- bzw. Diffraktionspunkt ab. Wir beobachten eine geringere räumliche Mehrdeutigkeit und eine erhöhte Auflösung der meisten Strukturen. Die Kombination beider Herangehensweisen (RIS und FVM) nutzt ihre Vorteile aus und liefert ein markanteres und klareres Bild der Tunnelumgebung.