Diffraction tomography (DT) is a quantitative technique for high resolution subsurface imaging. In general DT algorithm is used for crosswell imaging. In this study high resolution GPR DT algorithm which is able to reconstruct high resolution image of subsurface structures in multi-monostatic geometry is developed. Developed algorithm is applied to finite difference data and its criteria of application and its limit are studied. Inversion parameters (number of imaging frequency, regularization factor, frequency range) are deduced from isolated weak scattering model. And the usuability of the algorithm is proved by applying to models which break the weak scattering approximation.
The borehole radar methods used to tunnel detection are mainly classified into borehole radar reflection, directional antenna, crosshole scanning, and radar tomography methods. In this study, we have investigated the feasibility and limitation of each method to tunnel detection through case studies. In the borehole radar reflection data, there were much more clear diffraction signals of the upper wings than lower wings of the hyperbolas reflected from the tunnel, and their upper and lower wings were spreaded out to more than 10m higher and lower traces from the peaks of the hyperbolas. As the ratio of borehole diameter to antenna length increases, the ringing gets stronger on the data due to the increase in the impedance mismatching between antennas and water in the boreholes. It is also found that the reflection signals from the tunnel could be enhanced using the optimal offset distance between transmitter and receiver antennas. Nevertheless, the borehole radar reflection data could not provide directional information of the reflectors in the subsurface. Direction finding antenna system had a advantage to take a three dimensional location of a tunnel with only one borehole survey even though the cost is still very high and it required very high expertise. The data from crosshole scanning could be a good indicator for tunnel detection and it could give more reliable result when the borehole radar reflection survey is carried out together. The images of the subsurface also can be reconstructed using travel time tomography which could provide the physical property of the medium and would be effective for imaging the underground structure such as tunnels. Based on the results described above, we suggest a cost-effective field procedure for detection of a tunnel using borehole radar techniques; borehole radar reflection survey using dipole antenna can firstly be applied to pick up anomalous regions within the borehole, and crosshole scanning or reflection survey using directional antenna can then be applied only to the anomalous regions to detect the tunnel.
We introduce OBS and sonobuoy systems which are the typical wide-angle reflection/refraction seismic recorders made by KORDI for the investigation of crustal structure and the sediment/basement structure in the coastal area. These recording devices are examined for their usage through the test survey. The normal operation of these devices were proved and good recordings were obatined. The head waves are recognized in the sonobuoy records, which shows the possibility of velocity structure survey by the refraction and/or tomography method.
In the geophysical monitoring to understand the change of subsurface material properties with time, the time-invariant static subsurface model is commonly adopted to reconstruct a time-lapse image. This assumption of static model, however, can be invalid particularly when fluid migrates very quickly in highly permeable medium in the brine injection experiment. In such case, the resultant subsurface images may be severely distorted. In order to alleviate this problem, we develop a new least-squares inversion algorithm under the assumption that the subsurface model will change continuously in time. Instead of sampling a time-space model into numerous space models with a regular time interval, a few reference models in space domain at different times pre-selected are used to describe the subsurface structure continuously changing in time; the material property at a certain space coordinate are assumed to change linearly in time. Consequently, finding a space-time model can be simplified into obtaining several reference space models. In order to stabilize iterative inversion and to calculate meaningful subsurface images varying with time, the regularization along time axis is introduced assuming that the subsurface model will not change significantly during the data acquisition. The performance of the proposed algorithm is demonstrated by the numerical experiments using the synthetic data of crosshole dc resistivity tomography.
In order to study unconsolidated sediments upstream of the Soyang Dam, seismic refraction data were recorded along five profiles of 94 m length. Receiver interval and record length were 2 m and 204 ms, respectively. Recorded data were analyzed using the traveltime tomography and delay-time methods in order to reveal sediment distribution in the investigation site. The acoustic basements are buried at approximately 14 m deep and their thickness shallows to southeast approaching to a hill. On the basement, pre-existing sediments deposited before construction of the Soyang dam lies. This sedimentary layer is composed of paleo-soil and sandy sediments. Above this layer, recent sediments comprise the top layer which is believed to have been deposited since the formation of the dam. Average thickness of this uppermost layer is approximately 1.6 m, which is much thicker than in the downstream.
To reveal subsurface structures of the Ulsan fault, seismic data were recorded along a 750-m long line near Nongso-Eup in Ulsan. P and S waves were generated simultaneously by impacting a 5 kg sledgehammer on a tilted plate. The data were received by 16 10-Hz 3-component geophones at 3 m intervals. Refracted P waves were inverted using the tomography method. Dip moveout and migration were applied to reflection data processed following a general sequence. Four layers were identified based on P-wave velocities and P- and S-wave stacked image. From top to bottom, the P-wave velocity of each layer ranges in $300{\sim}1100\;m/s$, $1100{\sim}1700\;m/s$, $1700{\sim}2700\;m/s$, and greater than 2700 m/s. The corresponding thickness of the top three layers averages 3.9 m, 5.9 m, 4.4 m, respectively. The S-wave stack section is effective to define subsurface structures shallower than 10 m.
To predict ground conditions ahead of the tunnel face, seismic refraction survey has been widely used. But due to the development in seismic equipment and techniques, tomography using borehole and others are actively applied in recent years. This study has a purpose to prevent stability problems during excavation and construction of tunnels by predicting unfavorable ground conditions such as fault, fractured zone and rock quality variation zone ahead of the tunnel face using TSP survey equipment. In this study, the validity of predicting ground conditions ahead of tunnel face by TSP survey has been evaluated through the case study in the road construction site.
To clarify the distribution of joints and fracture zones in the Cheongju granitic mass, we analyzed drill-core and geophysical well-logging data obtained at two boreholes located 30 m from each other. Lithological properties were investigated from the drill-core data and the samples were classified based on the rock mass rating (RMR) and on rock quality designation (RQD). Subsurface discontinuities within soft and hard rocks were examined by geophysical well-logging and cross-hole seismic tomography. The velocity structures constructed from seismic tomography are well correlated with the profile of bedrock depth, previously mapped from a seismic refraction survey. Dynamic elastic moduli, obtained from full waveform sonic and ${\gamma}-{\gamma}$ logging, were interrelated with P-wave velocities to investigate the dynamic properties of the rock mass. Compared with the correlation graph between elastic moduli and velocities for hard rock at borehole BH-1, the correlation points for BH-2 data showed a wide scatter. These scattered points reflect the greater abundance of joints and fractures near borehole BH-2. This interpretation is supported by observations by acoustic televiewer (ATV) and optical televiewer (OTV) image loggings.
Kim, Rinhui;Chang, Sung-Joon;Mai, Martin;Zahran, Hani
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.22
no.1
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pp.21-28
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2019
We perform a 3D tomographic inversion using surface wave dispersion curves to obtain S-velocity model and radial anisotropy beneath Saudi Arabia. The Arabian Peninsula is geologically and topographically divided into a shield and a platform. We used event data with magnitudes larger than 5.5 and epicentral distances shorter than $40^{\circ}$ during 2008 ~ 2014 from the Saudi Geological Survey. We obtained dispersion curves by using the multiple filtering technique after preprocessing the event data. We constructed SH- and SV-velocity models and consequently radial anisotropy model at 10 ~ 60 km depths by inverting Love and Rayleigh group velocity dispersion curves with period ranges of 5 ~ 140 s, respectively. We observe high-velocity anomalies beneath the Arabian shield at 10 ~ 30 km depths and low-velocity anomalies beneath the Arabian platform at 10 km depth in the SV-velocity model. This discrepancy may be caused by the difference between the Arabian shield and the Arabian platform, that is, the Arabian shield was formed in Proterozoic thereby old and cold, while the Arabian platform is covered by predominant Paleozoic, Mesozoic, and Cenozoic sedimentary layers. Also we obtained radial anisotropy by estimating the differences between SH- and SV-velocity models. Positive anisotropy is observed, which may be generated by lateral tension due to the slab pull of subducting slabs along the Zagros belt.
In the seismic retrofitting of harbor breakwaters in Korea, the recovery rate is often uncertain due to site conditions and site conditions, and problems continue to arise. Therefore, in this study, we analyzed the recovery rate and compressive strength of the improved material through drilling survey by grouting confirmation method after applying low-fluidity mortar injection method, and furthermore, we checked the elastic modulus by downhole test and tomography to confirm the reinforcement effect of soft ground after ground improvement. The experimental results showed that the average shear wave velocity of the ground increased from 229 m/s to 288 m/s in BH-1 and BH-3 boreholes to a depth of 28.0 m, and the average shear wave velocity of the ground to a depth of 30.0 m tended to increase from 224 m/s to 282 m/s in the downhole test. This is believed to be a result of the increased stiffness of the ground after reinforcement. The results of the tomographic survey showed that the Vs of the soft ground of the sample at Site 1 increased from 113 m/s to 214 m/s, and the Vs of the sample at Site 2 increased from 120 m/s to 224 m/s. This shows that the stiffness of the ground after seismic reinforcement is reinforced with hard soil, as the Vs value satisfies 180 m/s to 360 m/s in the classification of rock quality according to shear wave velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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