Case studies of 2D cross gradient joint inversion of seismic refraction and DC resistivity data: Potential and limitations

Études de cas d’inversion jointe 2D par fonction de gradient croisé des données de sismique de réfraction et de résistivité électrique : potentiel et limites

¹ GEOLITHE, 181 rue des bécasses, 38920 Crolles, France
² SOL SOLUTION, 23 avenue George Gershwin, 63204, Riom, FRANCE

^* Corresponding author: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Abstract

Seismic refraction tomography (SRT) and electrical resistivity tomography (ERT) 2D profiles are commonly employed in near surface geophysical surveys to gather subsurface information. Structurally coupled joint inversions algorithms have been developed to process ERT and SRT data simultaneously [1]. The primary objective of these algorithms is to mitigate problems related to equivalency in solving the inverse problem and enhance the quality of the final image. Nevertheless, to date of this article, the prevalence of commercially accessible software for joint inversion remains uncommon. The objective of this work is to provide a summary of the findings from two ERT and SRT geophysical profiles obtained in different geological environment (altered volcanic materials and a landslide in coastal environment) and processed with the cross gradient structural joint inversion technique. The findings indicate that the utilization of this type of joint inversion can successfully improve the resolution and data coverage of some of the seismic and/or the electrical profiles. The algorithm facilitates the recognition of structural similarities during the inversion process, but it has also the potential to induce instability in the inversion process making the approach not practical in all cases. Specific findings for this study are:

• Carefully individually inverting the ERT profiles with specific parameters before running the cross gradient seems to slightly improve the resulting electric tomographic image from subsequent cross gradient joint inversion with the SRT data. In this situation the joint inversion is used as a refinement step and had to be parameterized with the Cross Correlation Criteria turned off and a light to medium strength pushing factor.

• Enabling the Cross Correlation Criteria in the cross gradient joint inversion improves the quality of the seismic profile. However, it can also introduce excessive model complexity in the electrical profile, although reducing RMS error.

• Supplementary data, such as boreholes, are extremely important for enhancing the quality of the final image. This is primarily due to their ability to facilitate the selection of the most suitable combination of joint inversion parameters.

Résumé

Les profils 2D de tomographie de réfraction sismique (TRS) et de tomographie de résistivité électrique (TRE) sont couramment utilisés dans les prospections géophysiques en proche surface pour obtenir des informations sur le sous-sol. Des algorithmes d’inversion jointe à couplage structurel ont été développés pour traiter simultanément les données de TRS et de TRE [1]. L’objectif principal de ces algorithmes est de réduire les problèmes d’équivalence liés à la résolution du problème inverse, et d’améliorer la qualité de l’image finale. Néanmoins, à la date de rédaction de cet article, les logiciels commerciaux proposant l’inversion jointe restent rares. Ce travail présente les résultats issus de deux profils géophysiques TRS et TRE acquis dans des environnements géologiques différents (matériaux volcaniques altérés et glissement de terrain en contexte côtier), et traités à l’aide de la technique d’inversion jointe structurale par croisement de gradients. Les résultats montrent que l’utilisation de ce type d’inversion jointe permet, dans certains cas, d’améliorer la résolution et la couverture des données sismiques et/ou électriques. L’algorithme favorise la reconnaissance des similarités structurales lors du processus d’inversion, mais peut également introduire une instabilité rendant cette approche inadaptée dans certaines situations. Les principaux enseignements de cette étude sont les suivants :

• Une inversion indépendante et soigneusement paramétrée des profils TRE avant l’application de l’inversion jointe par croisement de gradients semble légèrement améliorer l’image électrique obtenue après l’inversion jointe avec les données TRS. Dans ce cas, l’inversion jointe joue un rôle de raffinement, et nécessite une paramétrisation spécifique : critère de corrélation croisée désactivé et facteur de couplage structurel de faible à moyenne intensité.

• L’activation du critère de corrélation croisée dans l’inversion jointe améliore la qualité du profil sismique. Cependant, cela peut introduire une complexité excessive dans le modèle électrique, bien que l’erreur quadratique moyenne (RMS) soit réduite.

• Des données complémentaires, telles que des forages, sont extrêmement précieuses pour améliorer la qualité de l’image finale, en facilitant notamment le choix de la combinaison optimale des paramètres d’inversion jointe.