Acoustic and elastic 2D full-waveform inversion of submarine gas hydrate deposits: a synthetic study = Akustische und elastische 2D Wellenforminversion von submarinen Gashydrat-Lagerstätten: Eine synthetische Studie

Gashydrate sind nur unter bestimmten Bedingungen, der sogenannten Gashydrat Stabilitätszone (GHSZ), stabil. Gas, das unterhalb der GHSZ produziert wird, wird in den Sedimenten unterhalb der gashydrathaltigen Sedimente im Porenraum eingeschlossen. Aufgrund der erhöhten elastischen Geschwindigkeiten in gashydrathaltigen Sedimenten und der signifikanten Reduzierung der Kompressionswellengeschwindigkeit im teilweise gasgesättigten Sediment, kann dieser Übergang in seismischen Daten als irregulärer Reflektor, dem sogenannten Bottom Simulating Reflector (BSR), beobachtet werden. ... mehrObwohl ein BSR die Basis der GHSZ definiert, können daraus keine weiteren Informationen über Gashydrate abgeleitet werden. Demzufolge müssen fortgeschrittenere Methoden entwickelt werden, um Gashydrat-Lagerstätten quantifizieren zu können. Aktuelle Studien haben versucht die Sättigung von freiem Gas und Gashydrat in marinen Sedimenten zu quantifizieren, indem sie ein Vorhersagemodell berechnet haben, welches die Sättigung von Gashydrat und freiem Gas im Porenraum mit seismischen Geschwindigkeiten in Verbindung bringt. Deshalb ist es notwendig ein hochaufgelöstes eschwindigkeitsmodell zu erhalten um sie realistisch interpretieren zu können. Seismische Wellenforminversion ist prädestiniert für diese Aufgabe, da sie auch stark heterogene Untergründe hoch auflösend abbilden kann. In dieser Arbeit erstellen wir ein 2D Untergrundmodell, das gashydrat- und gasgesättigte Sedimente enthält. Wir nutzen dieses Modell und die Akquisitionsgeometrie einer seismischen Erkundung im Schwarzen Meer, um synthetische, observierte Daten mit einer Finite-Differenzen Methode im Zeitbereich zu berechnen. Anschließend führen wir 2D akustische und elastische Wellenforminversion Rekonstruktionstests durch, um das Potential der Wellenforminversion bezüglich der Auflösung von Gashydrat-Lagerstätten beurteilen zu können. Die P- und S-Wellengeschwindigkeits Eigenschaften von gashydrat- und gashaltigen Sedimenten konnte erfolgreich rekonstruiert werden. Im Vergleich zur akustischen Wellenforminversion leidet die elastische Wellenforminversion weniger unter Inversionsartefakten und erhöht die Auflösung der Sedimente im ganzen Untergrund. Das Residuum wurde um bis zu vier Größenordnungen reduziert und das finale Modell erklärt die observierten Daten nahezu perfekt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass seismische Wellenforminversion es ermöglicht die Auflösung im Untergrund im Vergleich zu den üblichen seismischen Abbildungsmethoden deutlich zu verbessern und die Eigenschaften von gashydrat- sowie gasgesättigen Sedimenten korrekt zu rekonstruieren.

Gas hydrates are only stable under strict conditions known as the gas hydrate stability zone (GHSZ). Any gas that is produced below the GHSZ will be trapped as a layer of free gas in the pore space below the gas hydrate bearing sediments. Due to the elevated elastic velocities in gas hydrate bearing sediments and the significant reduction of compressional wave velocity in the partially gas saturated sediment, this interface can be mapped in seismic sections as an anomalous seismic reflector, called bottom simulating reflector (BSR). Although the BSR defines the base of the GHSZ, we cannot infer any other information about gas hydrates from it. ... mehrTherefore, more advanced techniques have to be developed to quantify gas hydrate deposits. Recent studies tried to quantify free gas and gas hydrate saturations in marine sediments using a predictive model that relates free gas and gas hydrate saturations in the pore space of sediments to seismic velocities. Therefore it is necessary to obtain highly resolved velocity models for a realistic interpretation. Seismic full-waveform inversion (FWI) is predestined for this task because of its high resolution and its capability to resolve highly heterogenous subsurfaces. In this study, we create a 2D subsurface model containing gas hydrate and free gas bearing sediments. Utilizing this model and the acquisition geometry from a marine seismic survey in the Black Sea, we calculate synthetic observed data with a time-domain finitedifference method. Subsequently, we perform 2D acoustic and elastic FWI reconstruction tests to evaluate the imaging potential of FWI for the purpose of studying marine gas hydrate deposits. P- and S-wave velocity characteristics of the gas hydrate and free gas bearing sediment were successfully reconstructed. Compared to acoustic FWI, elastic FWI suffers less from inversion artifacts and increases the resolution throughout the subsurface. The residual elastic energy was reduced by up to four orders of magnitude and the final model explains the observed data almost perfectly in case of acoustic FWI as well as elastic FWI. In conclusion, seismic FWI is able to increase the overall resolution of the subsurface model compared to typical seismic imaging methods such as travel time tomography and reconstruct the properties of gas hydrate and free gas bearing sediments in marine environments. Therefore, FWI can be used to specify the extent of marine gas hydrate deposits and quantify gas hydrate and free gas saturation in marine sediments more precisely.