Neue Tomographietechniken in der Geophysik: Bildgebungsverfahren und Werkzeuge für die Zukunft

• Antragsteller: Professor Dr. Dominik Göddeke
• Fachliche Zuordnung: Datenmanagement, datenintensive Systeme, Informatik-Methoden in der Wirtschaftsinformatik ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391901487

Tomographieverfahren basierend auf elastischen Wellen, zur Darstellung und Charakterisierung nicht direkt beobachtbarer Eigenschaften geologischer Medien, sind ein hochaktuelles Forschungsgebiet mit zahlreichen wichtigen gesellschaftlichen und ökonomischen Anwendungen. Im beantragten Projekt zielen wir auf eine drastische Verbesserung der erreichbaren Auflösung seismischer Tomographie ab, insbesondere auf der regionalen Skala. Wir gehen dazu weiter als klassische passive Bildgebungsverfahren, indem die volle Rekonstruktion der seismischen Wellen (full waveform inversion, FWI) für besonders hohe Frequenzen und sehr dichte regionale Sensornetzwerke angestrebt wird. Die entwickelten Methoden sind sowohl nahe der Erdoberfläche als auch weiter im Inneren anwendbar, und erlauben beispielsweise die Untersuchung kontinentaler Orogene, oder der erweiterten Umgebung von Epizentren großer Erdbeben. Eine Kernidee des vorgeschlagenen Projekts besteht darin, auf gängige Approximationen in Modellen der seismischen Wellenausbreitung weitestgehend zu verzichten, und stattdessen die Beiträge beispielsweise von Scherwellen voll zu berücksichtigen. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass so eine bis zu zehnfach höhere lokale Auflösung möglich ist. Im beantragten Vorhaben erweitern wir diese ersten Resultate: Wir entwickeln verbesserte hybride Invertierungsmethoden sowie datengetriebene Simulationskonzepte. Ihre Kombination ist in dieser Form neu, und öffnet neue Forschungsrichtungen in zahlreichen konkreten Anwendungsproblemen. Der hybride Zugang ist dabei komplementär zu adjungierten Invertierungstechniken zu sehen, und besitzt einen wichtigen Vorteil: Durch die Beschränkung der Invertierung auf ein regionales Tomographiegebiet (typischerweise einen Quader) entfällt die Notwendigkeit, Tier-0 Maschinen für die Simulation zu verwenden. Zusammen mit den zu entwickelnden Datenflusstechniken, Werkzeugen und halbautomatischen Qualitätskontrollmechanismen wird eine Open Source Software entstehen, die für auf einfacher verfügbaren lokalen und regionalen Tier-2 Installationen bessere Resultate liefert, als dies derzeit auf Top-Maschinen möglich ist. Neben den hybriden Invertierungstechniken sind dazu spezielle datengetriebene Methoden des Hochleistungsrechnens zwingend erforderlich, so dass das Projekt eine Brücke zwischen reiner Datenanalyse (data analytics) und dem klassischen Hochleistungsrechnen schlägt. Das Projekt besitzt potentiell sehr hohen wissenschaftlichen Einfluss, weil es faktisch einen Paradigmenwechsel in der Bildgebung darstellt: Wir werden physikalische Auflösungen erreichen, die bisher unmöglich erschienen. Die neuen Methoden können beispielsweise bei der Exploration in der Ölindustrie und der CO2-Speicherung eingesetzt werden. Für unsere Gesellschaft ist zudem die Anwendung beim Monitoring dicht besiedelter erdbebengefährdeter Regionen sowie die Analyse von Epizentren von Bedeutung, um einige Beispiele zu nennen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Sébastien Chevrot; Dr. Dimitri Komatitsch