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Technical Report NTB 97-05

Grimsel Test Site: Further Development of Seismic Tomography

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Das Projekt «Weiterentwicklung der seismischen Tomographie» («Further Development of Seismic Tomography») setzt sich aus zwei Untersuchungsschwerpunkten zusammen: die Evaluation und der Test von seismischen Untertagequellen für grosse Messdistanzen und die Verbesserung von Auswerteverfahren (Inversionsverfahren) in Bezug auf Stabilität, Qualität und Auflösungsvermögen.

Verschiedene hochfrequente seismische Quellen wurden im Felslabor Grimsel (FLG) getestet (Bühnemann, 1996; Bühnemann & Holliger, 1998). Ziel dieser Tests war es, zukünftige grossflächige, tomographische Untersuchungen an potentiellen Endlagerstandorten zu ermöglichen. Wesentlich hierfür sind Stollen- und Bohrlochquellen, die hochfrequente seismische Signale über Distanzen von bis zu 1000 m propagieren können, Die getesteten Quellen wurden in wassergefüllten Bohrungen (Sparker, zwei piezoelektrische Quellen, Sprengstoff) und an der Stollenwand (Presslufthammer, Minivibrator, Bolzenschussgerät, Bohrlochgewehr (sog. Gun), Sprengstoff) eingesetzt. Zur Analyse der Charakteristiken der verschiedenen Quellen wurde die direkte P-Welle auf folgende Punkte hin untersucht: die Abnahme des Nutz-Störsignalverhältnisses mit zunehmenden Abstand von der Quelle, die Abnahme der dominanten Frequenz mit zunehmenden Abstand von der Quelle, sowie die maximale Distanz, bei der erkennbare Einsätze angerissen werden konnen. Kleine Sprengstoffladungen (5 – 100 g) erzeugen am meisten Energie und weisen das breiteste Frequenzspektrum auf. Im FLG wurde die Zieldistanz von ca. 1000 m nur mit Sprengladungen ab 50 g erreicht. Keine der getesteten Quellen konnte Frequenzen von 1000 Hz über Distanzen von mehr als 100 bis 200 m propagieren. 

Im FLG werden die seismischen Wellen sehr stark gedämpft, Aus den gemessenen Daten wurden Q-Werte mit der Spectral-Ratio- und der Rise-Time- Methode bestimmt und reichen von ca. 20 bis 60 bei einem Median von 35 und einer Standardabweichung von bis zu 20% (Holliger & Bühnemann, 1996). Damit kann man die beobachtete rasche Abnahme der hohen Frequenzen mit zunehmendem Abstand gut erklaren, In den Untersuchungsgebieten Zürcher Weinland (Opalinuston) und Wellenberg (Mergel) wird eine vergleichbare Dämpfung der seismischen Wellen erwartet (Schön, 1996; Tonn, 1989). Im kristallinen Grundgebirge der Nordschweiz dürfte die Dämpfung der seismischen Wellen geringer sein. 

Auch bei kleinen Sprengladungen (5 g) muss mit Schaden an der Bohrlochwand gerechnet werden. Dies wurde durch Televiewer-Messungen vor und nach Sprengungen in der Bohrung BOGS 84.041 a bestätigt.

In dem Teilprojekt, das sich mit der Verbesserung (und Weiterentwicklung) von Auswerteverfahren in Bezug auf Stabilität, Qualität und Auflösungsvermögen vom Tomogrammen befasst, wurden drei Inversionsverfahren unter Verwendung des US85-Datensatz (Gelbke, 1988) weiterentwickelt und getestet. Zwei Laufzeitinversionen – «Anisotropic Velocity Tomography AVT», (Pratt & Chapman, 1992) und «Coupled Inversion CI» (Maurer, 1996; Maurer & Green, 1997) – sowie eine Wellenforminversion (WFI, Song et al., 1995) wurden eingesetzt.  

Bei der ersten Inversion des US85-Datensatzes mit der Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) traten mehrere Probleme auf, die auf die Geschwindigkeitsanisotropie des Gesteins, auf Triggerungenauigkeiten bei den einzelnen Schüssen, sowie auf Ungenauigkeiten bei der Lagevermessung der Bohrungen zurückgeführt werden können. Bei der AVT-Inversion wird die Geschwindigkeitsanisotropie des Gesteins als freien Parameter berücksichtigt, d. h. zusätzlich zu den Tomogrammen der «isotropen» Geschwindigkeit werden Abbildungen der Anisotropie erzeugt. Durch die Berücksichtigung der Anisotropie können die Artefakte der SIRT-Inversion erklärt und die Inversion stabilisiert werden.  

Bei den heute eingesetzten Inversionsverfahren wird im Prinzip angenommen, dass die Schuss- und Aufnehmerkoordinaten in den Bohrungen und im Stollen genau bekannt sind. Bei Inversionen von synthetischen und gemessenen Laufzeitdaten konnte nachgewiesen werden, dass relativ kleine Koordinatenfehler (1-2 %) in grösseren Teufen (> 100 m) Artefakte in den Tomogrammen erzeugen, die im Hinblick auf Umfang und Amplitude mit echten Geschwindigkeitsanomalien vergleichbar sind. Dieses Problem wurde mit der gekoppelten Inversion (Maurer, 1996) gelöst, bei der zusätzlich zu den seismischen Geschwindigkeiten die Lage der Schuss- und Geophonpositionen bestimmt wird. Diese Methode wird häufig in der Seismologie eingesetzt. Mit gekoppelten Inversionen von den zwei unabhängigen Datensätzen Feld US1 und US2 (mit der gemeinsamen Bohrung BOUS85.002), und einer gekoppelten Inversion aller drei Datensätze (Feld US1, US2 und US3) konnten konsistente Koordinatenanpassungen für alle Bohrungen bestimmt werden. Auch die Artefakte der SIRT-Inversion konnten dabei erklärt und die Inversion stabilisiert werden.

Weitere Untersuchungen an synthetischen Datensätzen haben gezeigt, dass es für die US85-Daten unmöglich ist, basierend nur auf Laufzeitdaten zwischen einer schwachen Anisotropie und Bohrlochvermessungsungenauigkeiten zu unterscheiden. Angesichts der Resultate der Laufzeitinversionen sind wohl beide Effekte in den Datensätzen vorhanden. Die WFI wurde vor der Verarbeitung der Felddaten ausführlich an synthetischen Daten getestet. Zwei synthetische Datensätze wurden eingesetzt: der erste wurde mit dem gleichen Algorithmus erzeugt, wie er in der akustischen Wellenforminversion verwendet wird. Der zweite Datensatz wurde an der Universität von Leipzig (Gruppe Prof. Korn) erzeugt und beruht auf der zweidimensionale elastische Wellengleichung.  

Die synthetischen Daten wurden mit der gleichen Sequenz bearbeitet, die für die Felddaten eingesetzt wurde. Diese Sequenz besteht aus:

(i) Laufzeittomographie

(ii) Bearbeitung der Wellenzüge (Projektion der Mehrkomponentendaten, Time Windowing der Wellenzüge und Amplitudenormierung).

(iii) Wellenforminversion im Frequenzbereich  

Die Resultate an den synthetischen Daten bestätigen, dass eine deutliche Erhöhung des Auflösungsvermögens mit der Wellenforminversion erreicht werden kann. Es konnte eine optimale Bearbeitungssequenz der Wellenzüge vor der WeIlenforminversion erarbeitet werden und es konnte bestätigt werden, dass die Normierung der Amplituden, die für die Felddaten notwendig ist, keine negativen Auswirkungen auf die endgültigen Geschwindigkeitsabbildungen hat. Die Normierung führt sogar zu einer Verbesserung der Konvergenz.  

In zwei wesentlichen Punkten unterscheiden sich die Felddaten von den synthetischen Daten. Der Störenergiepegel der Felddaten, der vom Hintergrundrauschen, von Triggervariationen und eigenartigen Spur-zu-Spur-Amplitudenvariationen verursacht wird, ist wesentlich höher. Zweitens enthalten die Felddaten eine kleine, aber konsistente Anisotropie der P-Welle, wohingegen die synthetischen Daten isotrop berechnet wurden. Beide Punkte führten zu folgenden Anpassungen des Wellenforminversion-Algorithmus:

(i) Einschränkungen «smoothness constraints» wurden in den Algorithmus eingebaut, die den Kontrast der Abbildungen reduzieren.

(ii) Quellfunktionen wurden in das Inversionsverfahren integriert. Dazu wurden die Daten in verschiedene «Gruppen von seismischen Quellen» eingeteilt, die jede eine in sich einigermassen konsistente Triggerzeit aufweisen.

(iii) Die Anisotropie der untersuchten Felder wurde durch globale Streckung der Feldgeometrie berücksichtigt. Um den scheinbaren Winkel der Anisotropiehauptachse berücksichtigen zu können, wurde eine Koordinatentransformation, eine Streckung, sowie eine Koordinaten-Retransformation erfolgreich implementiert.

Alle drei Prozesse waren wesentlich für die Erzeugung von zuverlässigen und interpretierbaren Abbildungen. Die endgültigen Abbildungen zeigen die erwartete Erhöhung des Auflösungsvermögens und tragen zu einer verbesserten, detaillierten Charakterisierung des Untersuchungsgebiets bei.  

Die neuen Laufzeit- und Wellenformtomogramme wurden in drei Schritten validiert. Zuerst wurde die interne Konsistenz überprüft, in dem die Abbildungen der Geschwindigkeit für die separat invertierten Felder US1 und US2 an der Feldgrenze (Bohrung BOUS85.002) verglichen wurden. Eine gute Übereinstimmung der Geschwindigkeiten entlang der Bohrung BOUS85.002 wurde für alle Inversionsverfahren erreicht.  

Im zweiten Schritt wurde die Übereinstimmung zwischen den Tomogrammen und den seismischen Geschwindigkeiten (Sonic-Logs), die in Bohrungen gemessen wurden, untersucht. Für 9 Bohrungen im Untersuchungsgebiet standen Sonic-Logs zur Verfügung (BOUS85.001, BOUS85.002, BOUS85.003, BOBK85.004/BOBK86.001, BOBK85.008, BOBK86.003, FEX95.001 und FEX95.002). Im dritten und letzten Schritt wurden die Tomogramme mit einem geologischen Modell, das alle geologischen und hydrogeologischen Daten der US-, BK- und FEBEX-Zonen beinhaltet, verglichen. Im Vergleich mit der SIRT-Inversion liefern die zwei neuen Laufzeitinversionen (AVT und CI) eine stabilere Abbildung mit weniger Artefakten, die besser mit den gemessenen Sonic-Geschwindigkeiten und den geologischen Strukturen übereinstimmt. Der Unterschied zwischen dem AVT-und CI-Tomogramm ist gering. Die WFI weist das beste Auflösungsvermögen sowie die beste Übereinstimmung mit den Soniclogs und geologischen Befunden auf; aber ihre Abbildungen enthalten auch die meisten Artefakte. Die Zuverlässigkeit der Auswertung wird durch starke Oszillationen an den Feldgrenzen, sowie durch die Abhängigkeit der Ergebnisse von der gewählten globalen Anisotropie-Korrektur beeinträchtigt. Nur durch die Weiterentwicklung des Algorithmus für die elastische Wellengleichung und für die Anisotropie kann ein Artefaktfreieres Abbild erzeugt werden und damit mehr Sicherheit für die Interpretation erlangt werden.  

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