In Korean geology that crystalline rock is dominant, the properties of subsurface including the anisotropy are distributed complexly and changed abruptly. Because of such geological environments, cross-hole seismic traveltime tomography is widely used to obtain the high resolution image of the subsurface for the engineering purposes in the geotechnical sites. However, because the cross-hole tomography has a wide propagation angle coverage relatively, its data tend to include the seismic velocity anisotropy comparing with the surface seismic methods. It can cause the misinterpretation that the cross-hole seismic data including the anisotropic effects are analyzed and treated with the general processing techniques assuming the isotropy. Therefore, we need to consider the seismic anisotropy in cross-hole seismic traveltime tomography. The seismic anisotropic tomography algorithm, which is developed for evaluation of the velocity anisotropy, includes several inversion schemes in order to make the inversion process stable and robust. First of all, the set of the inversion parameters is limited to one slowness, two ratios of slowness and one direction of the anisotropy symmetric axis. The ranges of the inversion parameters are localized by the pseudo-beta transform to obtain the reasonable inversion results and the inversion constraints are controlled efficiently by ACB(Active Constraint Balancing) method. Especially, the inversion using the Fresnel volume is applied to the anisotropic tomography and it can make the anisotropic tomography more stable than ray tomography as it widens the propagation angle coverage.
3D seismic tomography technique was assessed for applicability of developed 3D tomography algorithm based on Fresnel volume in the dam-planned area. Reconstructed 3D tomogram based on Fresnel volume and Fast Marching Method(FMM) reveals similar velocity structure to the other geotechnical survey results. With the correlation analysis between RMR data and seismic velocity information, it could provide reliable information of rock mass rate. The applicability of 3D seismic tomography was verified in this study. It would be expected to apply 3D tomography with new developed first arrival calculation and inversion algorithm to the engineering field economically.
Principles, data acquisition, data processing of four frequently used borehole seismic methods, i.e., downhole seismic, vertical seismic profiling(VSP), crosshole seismic, and seismic tomography, are reviewed briefly. Field data examples are presented and their application to civil engineering area was also discussed.
In tunnel design, geotechnical survey of over 200m tunnel depth is required because of its characteristical topography. For this reason, there are difficulties in collecting information of basic data in tunnel design because of large-scale costs in borehole tests, of limits to a geotechnical analysis by the existing refraction seismic survey and of analytical errors in steep mountainous area. Seismic tomography has many advantages as follows; 1) seismic velocity as absolute value is more reliable than electrical resistivity, 2) geotechnical analysis in deep tunnel depth is available by seismic velocity, 3) analytical errors is reduced in steep mountainous area. In this paper, it was found out a correlation of seismic velocity and Q in tunnel design in the neighborhood of the National Capital region and the reduction effect of tunnel construction cost using reliable rock quality by seismic tomography compared with by borehole data and electricity resistivity data.
In this study, a software for crosswell seismic tomography is developed. The software consists of first arrival picking and adjusting module, crosswell traveltime tomography module, and imaging module. This software allows saying the picked first arrival times into the header of seismic data, and using this data directly to the input of crosswell seismic tomography. With an imaging module, velocity structures and ray path can be imaged directly from the output of the tomography module. Because it is developed on the basis of the SU under the Linux and the GUI environment for user, this software can be carried out directly the first arrival picking, inversion and tomogram for crosswell tomography data in the field. Therefore, this software can be improved the applicability of site investigation by tomography method.
We interpreted the seismic signal characteristics from crosswell seismic tomography in the underground cavity like abandoned mines. The first arrival time delay and amplitude attenuation showed clearly at the low velocity zone of cavity and fracture. Also ray density decreased by detour of raypath. As a result of the amplitude spectrum analysis of fresh rock and low velocity zone, there were no noticeable differences of the amplitude up to about 1000Hz frequency, but indicated that the one passed around cavity decreased about 7dB at 2000Hz, and 20dB at 3000Hz. It was possible to compare the signal characteristics between two media by extracting the signal data from the fresh rock zone and the underground cavity through the seismic crosswell tomography.
International Union of Geodesy and Geophysics Korean Journal of Geophysical Research
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v.25
no.1
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pp.23-34
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1997
Seismic tomography using the graph theoretical method of ray tracing is performed in two synthetic data sets with laterally varying velocity structures. The straight-ray tomography shows so poor results in imaging the laterally varying velocity structure that the ray-traced tomographic techniques should be used. Conventional ray tracing methods have serious drawbacks, i.e. problems of convergence and local minima, when they are applied to seismic tomography. The graph theretical method finds good approximated raypaths in rapidly varying media even in shadow zones, where shooting methods meet with convergence problems. The graph theoretical method ensures the globally minimal traveltime raypath while bending methods often cause local minima problems. Especially, the graph theoretical method is efficient in case that many sources and receivers exist, since it can find the traveltimes and corresponding raypaths to all receivers from a specific source at one time. Moreover, the algorithm of graph theoretical method is easily applicable to the ray tracing in anisotropic media, and even to the three dimensional case. Among the row-active inversion techniques, the conjugate gradient (CG) method is used because of fast convergence and high efficiency. The iterative sequence of the ray tracing by the graph theoretical method and the inversion by the CG method is an efficient and robust algorithm for seismic tomography in laterally varying velocity structures.
3D seismic travel-time tomography algorithm baled on Fresnel volume was developed and its feasibility was investigated by the numerical experiments. To testify the field applicability of the developed algorithm, frequency characteristics and way coverage of the crossholel seismic raw data were investigated and 3D velocity tomogram cube with about 8m spatial resolution was obtained. When compared this 3D velocity cube with the conventional 2D ray tomogram, two results were matched well. We concluded that 3D seismic tomography algorithm developed in this study has enough potential to the field application.
In this study, theoretical approach of 3D seismic traveltime tomography was investigated. To guarantee the successful field application of 3D tomography, appropriate control of problem associated with blind zone is pre-requisite. To overcome the velocity distortion of the reconstructed tomogram due to insufficient source-receiver array coverage, the algorithm of 3D seismic traveltime tomography based on the Fresnel volume was developed as a technique of ray-path broadening. For the successful reconstruction of velocity cube, 3D traveltime algorithm was explored and employed on the basis of 2nd order Fast Marching Method(FMM), resulting in improvement of precision and accuracy. To prove the validity and field application of this algorithm, two numerical experiments were performed for globular and layered models. The algorithm was also found to be successfully applicable to field data.
Remote seismic tomography is regarded as one of the most valuable geophysical technique for the estimation of the rock mass classification in the tunnel area where hard data information such as drill logs are absent. But the results of rock mass classification based on the remote seismic tomography tend to be overestimated in practice. In this study, we propose the effective method to implement the seismic reference velocity ratio based on semblance for the improvement of rock mass classification. Also, to verify its feasibility, proposed technique was tested by using the real field data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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