Application of advanced seismic methods in near-surface prospection of the amphibian zone

This dissertation focuses on the application of advanced seismic methods in the so-called amphibian zone, the transition zone between land and water, where the application of non-seismic methods such as electrical resistivity tomography or ground-penetrating radar is limited by the natural conditions in their depth penetration and resolution.

In the marine domain, the application of seismic methods in shallow water poses challenges to both technology and data analysis. In particular, data recorded in shallow water are often contaminated by multiple reflections, so that primary onsets can only be insufficiently interpreted. In order to eliminate the water-layer multiples, the first part of this dissertation evaluates two data-driven approaches based on finite difference modelling of the acoustic wave equation and compares them with industry standard multiple elimination methods for both synthetic and real data examples in water depths between 5.0 and 0.25 m.

On land, seismic methods based on shear waves offer the advantage that their propagation is independent of the water content. They provide an additional set of independent subsurface parameters, namely seismic velocity and density. In particular, seismic waveform inversion (FWI) of shear wave data offers the possibility to image the near subsurface with high resolution in the decimetre range by means of detailed velocity and density models. The advantages of seismic FWI over established methods are demonstrated using examples of an archaeological structure in a lagoon environment and a medieval dike. In both cases, the high structural resolution of FWI is demonstrated by ground truthing in the form of cores and archaeological excavations. Thereby, the importance of seismic methods and especially of FWI in near-surface geophysical prospection is highlighted, showing that these methods offer a non-negligible additional benefit in terms of resolution and interpretation reliability.

Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung fortschrittlicher seismischer Methoden in der amphibischen Zone, der Übergangszone zwischen Land und Wasser, wo die Anwendung nicht-seismischer Methoden, z.B. elektrische Widerstandstomographie oder Bodenradar, durch die natürlichen Gegebenheiten in ihrer Tiefeneindringung und Auflösung begrenzt ist.

Im marinen Bereich stellt die Anwendung seismischer Methoden in flachen Gewässern eine Herausforderung sowohl für die Technik als auch für die Datenanalyse dar. Insbesondere sind die in flachen Gewässern aufgezeichneten Daten oft durch Multiplen überlagert, so dass die Ersteinsätze nur unzureichend interpretiert werden können. Um die in der Wasserschicht entstehenden Multiplen zu eliminieren, werden zwei datenbasierte Ansätze, die auf der Finite-Differenzen-Modellierung der akustischen Wellengleichung beruhen, bewertet und mit Standardverfahren für synthetische und reale Datenbeispiele in Wassertiefen zwischen 5,0 und 0,25 m verglichen.

An Land bieten auf Scherwellen basierte seismische Verfahren den Vorteil, dass ihre Ausbreitung unabhängig vom Wassergehalt ist und mit seismischer Geschwindigkeit und Dichte ein zusätzlicher Satz unabhängiger Untergrundparameter geliefert wird. Die seismische Wellenforminversion (FWI) ermöglicht ein Abbildung des nahen Untergrunds mit hoher Auflösung im Dezimeterbereich. Die Vorteile der FWI gegenüber etablierten Methoden werden an zwei Beispielen demonstriert und die hohe Strukturauflösung durch den Vergleich mit Bohrkernen und archäologischen Ausgrabungen nachgewiesen. Dies hebt die Bedeutung seismischer Methoden, insbesondere der FWI, in der oberflächennahen geophysikalischen Prospektion hervor und zeigt, dass diese einen nicht zu vernachlässigenden Zusatznutzen in Bezug auf Auflösung und Interpretationssicherheit bieten.

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