[Burschil] Seismic crosshole tomography as contribution to understand sedimentation processes in glacially-overdeepened valleys

German Title: Seismische Crosshole Tomographie zum Verständnis von Sedimentationsprozessen in glazial übertieften Tälern

Abbreviation: 413

Current Status: approved


Main Applicant:Dr. Thomas Burschil


Resources Recipient

Dr. Anton Hermann Buness
Dr. Daniel Köhn


Other Persons


Conveyor Begin: 1 March, 2021
Conveyor End:
Conveyor Duration: 36
Year: 2021


Description

Glacially-overdeepened valleys and basins constitute major sediment traps. Their structure and their sedimentary succession allow conclusions to be made about the Pleistocene evolution of the Alps. The granted ICDP-project „Drilling Overdeepened Alpine Valleys – DOVE“ aims at these goals by drilling seven locations, distributed throughout the Alpine region, to investigate the spatio-temporal evolution of the glaciations. Applied questions refer to hydrology, geohazards, construction, and tunneling. One piece of the puzzle of overdeepened valleys is to reveal the sedimentation processes during the refill of the troughs. Within these environments, sedimentation processes may generate an anisotropic sedimentological setting. We intend to reveal seismic anisotropy of the sediments and derive the sedimentation processes, as part of the Pleistocene evolution. We hypothesize different mechanisms that lead to seismic anisotropy of the sediments: (1) fine-layering, (2) clast lineation of fluvial sediments, (3) glacio-tectonic overprint, and (4) overconsolidation by glacial loading.
To convert the scarce, punctual borehole information into spatially-distributed information, geophysical methods are desirable. Since seismic near-surface methods lack resolution of seismic anisotropy so far, we will investigate the sediments using a seismic crosshole experiment. The targeted study area of this proposed project is the geophysical test site of DOVE in the overdeepened Tannwald Basin (Baden-Württemberg, Germany). It provides a unique opportunity and the ideal setting of three boreholes (ca. 140 m deep) at optimized distances (ca. 30-50 m apart) for a seismic crosshole experiment.
For the experiment, we will employ different source systems that are able to generate P-waves as well as differently polarized S-waves. Polarization analysis give evidence of birefringence and direct access to anisotropy and let us identify the arrivals of different wavetypes. The first arrivals of each wavetype are input for isotropic traveltime tomography. Isotropic full waveform inversion will further increase the resolution and accuracy of seismic velocities. In a first step, P-wave and horizontally polarized S-waves will generate velocity models followed by a subsequent full P-SV waveform inversion.
Using borehole data, core analysis, and sedimentological interpretation contributed by other DOVE research groups, we will integrate sedimentological and seismic anisotropy to derive sedimentation processes. The findings will be included in a methodical assessment of anisotropic VSP and surface data analysis that can be used at other DOVE locations, where only one borehole is present.

 

Übertiefte Alpine Täler bilden bedeutende Sedimentfallen, deren Struktur und Sedimentabfolge Rückschlüsse auf die pleistozäne Entwicklung der Alpen gibt. Sie sind Ziel des bewilligten ICDP Projekts „Drilling Overdeepened Alpine Valleys – DOVE“, in dessen Rahmen an sieben Lokationen im Alpenraum gebohrt wird, um die räumliche und zeitliche Variation der eiszeitlichen Entwicklung überregional abzubilden. Angewandte Fragestellungen betreffen Grundwasserversorgung, Tief- und Tunnelbau sowie Naturgefahren. Das hier vorgestellte Projekt zielt auf eine detaillierte Charakterisierung der geologischen Prozesse. Aus seismischer Anisotropie wollen wir Ablagerungsprozesse herleiten. Wir erwarten anisotrope Sedimente durch (1) Feinschichtung der lakustrinen Sedimente, (2) Einregelung der fluvialen Sedimente, (3) tektonische Beanspruchung von glazialen Ablagerungen und (4) Überkonsolidierung durch Eisauflast.
Dafür soll zwischen drei Bohrungen seismische Crosshole-Tomographie durchgeführt werden. Das Untersuchungsgebiet ist das geophysikalische Testfeld des ICDP-Projekts DOVE im Tannwaldbecken (Baden-Württemberg, Deutschland) im Alpenvorland. Es ist für seismische Crosshole Messungen ausgelegt (drei Bohrlöcher, 140 m tief, ca 30-50 m entfernt) und bietet die einmalige Gelegenheit, die erwähnten Fragestellungen zu untersuchen.
Als Anregung werden verschiedene Quellsysteme genutzt, die P-Wellen als auch unterschiedlich polarisierte S-Wellen erzeugen können. Hierdurch können sowohl P- und S-Wellengeschwindigkeiten bestimmt werden als auch die Anisotropie für beide Wellentypen bestimmt werden. Zusammen mit der im Vergleich zur Oberflächenseismik höheren Auflösung können die Ablagerungen sehr detailliert beschrieben werden. Ein methodischer Schwerpunkt liegt auf der Einbindung der Full Waveform Inversion, um die sehr heterogenen glazialen Ablagerungen adäquat charakterisieren zu können. Wir vergleichen die seismische Anisotropie mit den Ergebnissen der anderen DOVE Arbeitsgruppen, der logging- und Kernanalyse und der sedimentologischen Interpretation, um die geologischen Prozesse der Sedimentation (Herkunftrichtung, Energie) sowie Informationen über die Eisauflast herzuleiten.
Die Erkenntnisse über Anisotropie glazialer Ablagerungen werden auf die Auswertung von VSP Messungen sowie einer Verbesserung der Bearbeitung seismischer Oberflächenmessungen übertragen. Damit hat das Vorhaben direkten Einfluss auf die Charakterisierung weiterer DOVE Lokationen und leistet einen Betrag zu den Zielen des ICDP-Projekts.