Für eine deutsche Übersetzung scrolle man fleißig

Due to technical issues we were not able to upload this blog entry until just now. Nontheless, we want to post the last two interviews looking at the electro megnetic measurement as well and they will follow within the next few days.

For the last step in our introduction on seismic data acquisition and analysis. So, we met Michel and had a chat with him on seismic data processing and the related basics, workflows, and challenges. But before we start, let us introduce our guest:

My name is Michel Kühn. I am a geophysicist and currently working as a PhD student at GEOMAR – Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel. In my PhD thesis I am working on the generation of tsunami waves by volcanic flank collapses. My task here on board is the so-called seismic “processing” – the processing of our measured seismic data from the raw state to an interpretable data set.

Let’s start at zero: what exactly needs to be processed? What kind of information do you get and what do you conjure up from it?
During active seismic measurements we generate an acoustic signal that penetrates the subsurface and is reflected where the sediments and rocks change. With our receivers, we then “listen” to the reflected signal coming back to the surface from the subsurface for several seconds and record it. In this way we obtain a seismogram, i.e. a recording of the seismic signals at each receiver over a certain time. We then process these signals using various filters, corrections and stacking algorithms. In the end, this results in either a 2D profile or, in the case of 3D seismic experiment, a three-dimensional section through the subsurface. These profiles or 3D cubes can then be used as a basis for geological interpretations.

Above should be seen a Seismogram. Direct wave: The signal that passes directly through the water column from the source to the receiver without being reflected. This is followed first by the reflection of the sea floor, then by that of the layers below. These signals are then reflected down again at the sea surface, and from there up again to the receivers – this repetition of the same signal is called “multiple”.
Due to momentary technical issues, we could not upload the image. We are working on it though!

What information do you need when you want to process seismic data?
During the measurements we record the exact position of our seismic source and receivers in addition to the actual seismic data. In order to determine these as accurate as possible, we use up to four GPS antennas, which provide us with the positions of our instruments every second, within an accuracy of a few meters. The seismic data would be useless without this exact position information because we could not say exactly where the data come from and which part of the seabed or subsurface they are  representing – and that would be bad. In addition, the watchmen* meticulously keep a log during the measurements and take notes on all important information, such as GPS failures or other data errors. This is of great help for us in case of problems during processing!

What are the most important steps in the processing?
The most important thing here on board is the geometry information mentioned above. If this is not correct, it is unlikely that a reliable result can be generated with the further processing steps. That’s why this step has the highest priority for us. While we are on board, we can measure the positions of our GPS antennas and the distances of our devices to them and, in case of problems, measure them again. Later, in the office, we have to be sure that everything is correct. The next step is to apply common corrections and filters to the recorded signals themselves, from simple bandpass filters to complicated deconvolutions. The cleaned seismic traces are then stacked and migrated. This means that we sum up data from the same location, amplifying the real signal and reducing so-called noise. This noise can be caused by rough seas, for example. During the migration we image the structures in the subsurface by calculating where the seismic energies were reflected..

How long does it take to process the seismic data compared to acquiring them?

We usually complete our seismic measurements within a few weeks. In processing we distinguish between the part of the data processing that can and must be done on board and the part that we can only do satisfactorily back at the office at GEOMAR. The “on-board processing”, i.e. those steps that can be performed with the limited computing power on board, is done quasi in real time as soon as the data arrives at our lab on the ship. This is important in order to see results quickly for further planning, and above all, it is crucial for  quality control. This allows us to check live whether we need to adjust our measurement setup to achieve better results. In comparison, the so-called “post-cruise processing” takes much longer. The preparation and cleaning of the data can take several months. In terms of time, the measurement is therefore a first small step, but the data may still have a long way to go.

How much has the processing changed since the beginning of seismic measurements? How did it start and where will it go?
Today we are lucky to be able to store large amounts of data quickly, efficiently and safely on hard drives. A few decades ago, things looked very different: seismograms were coming into the laboratory on hundreds of meters of paper. Later, magnetic tapes were used. At that time, it was also the task of the watchmen* to change the magnetic tapes when they were full. Today, we just write everything on hard disks and in a few years, we will probably upload all data in real time to a cloud and send it to GEOMAR for processing.

The Figge Maar Crater in the German North Sea. Taken from “Multiple-attenuation in shallow marine 2D multichannel seismic data from the North Sea”, Thesis, Michel Kühn.

What was your most inspiring experience dealing with seismic data?
Oh, that’s not a hard one to answer. In 2018, we had a cruise on the research vessel ALKOR in the North Sea with the aim to map the inner structure of a crater. Unfortunately, we were confronted with two massive problems during on-board processing: Firstly, our receivers, which we pulled behind the ship in the “streamer”, were moving so much by strong currents that we could not determine their position correctly, and thus also not which point of the seabed they were really measuring. As a consequence, the seafloor in our seismic profiles looked like an old, broken saw blade. In addition, our real signals were overlain by several multiples, i.e. echoes of the real signals that travel up and down in the water column and are recorded again and again. These problems almost drove us crazy on board. In retrospect, however, we were able to fix these problems and after a few months we got a very nice, clean data set, which you can see in the figure above.

We thank Michel kindly, for taking the time a having the patience to talk us through this so well!
More about Michel’s work can be found via https://www.geomar.de/mkuehn

Für den letzten Schritt in unserer Einführung zur Erfassung und Analyse seismischer Daten trafen wir Michel und unterhielten uns mit ihm über die Verarbeitung seismischer Daten und die damit verbundenen Grundlagen, Arbeitsabläufe und Herausforderungen. Doch bevor wir beginnen, möchten wir unseren Gast vorstellen:

Mein Name ist Michel Kühn. Ich bin Geophysiker und arbeite derzeit als Doktorand am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Meeresforschung Kiel. In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit der Erzeugung von Tsunami-Wellen durch vulkanische Flankeneinbrüche. Meine Aufgabe hier an Bord ist das so genannte seismische “Processing” – die Verarbeitung unserer gemessenen seismischen Daten aus dem Rohzustand zu einem interpretierbaren Datensatz.

Fangen wir bei Null an: Was genau muss verarbeitet werden? Was für Informationen erhalten Sie und was zaubern Sie daraus?
Bei aktiven seismischen Messungen erzeugen wir ein akustisches Signal, das in den Untergrund eindringt und dort reflektiert wird, wo sich die Sedimente und Gesteine verändern. Mit unseren Empfängern “hören” wir dann das reflektierte Signal, das aus dem Untergrund zurück an die Oberfläche kommt, mehrere Sekunden lang und zeichnen es auf. Auf diese Weise erhalten wir ein Seismogramm, d.h. eine Aufzeichnung der seismischen Signale an jedem Empfänger über eine bestimmte Zeit. Diese Signale verarbeiten wir dann mit verschiedenen Filtern, Korrekturen und Stacking-Algorithmen. Daraus ergibt sich schließlich entweder ein 2D-Profil oder, im Falle des seismischen 3D-Experiments, ein dreidimensionaler Schnitt durch den Untergrund. Diese Profile oder 3D-Würfel können dann als Grundlage für geologische Interpretationen verwendet werden.

Welche Informationen benötigen wir, wenn wir seismische Daten verarbeiten wollen?
Während der Messungen zeichnen wir neben den eigentlichen seismischen Daten auch die genaue Position unserer seismischen Quelle und Empfänger auf. Um diese so genau wie möglich zu bestimmen, verwenden wir bis zu vier GPS-Antennen, die uns die Positionen unserer Instrumente im Sekundentakt mit einer Genauigkeit von wenigen Metern liefern. Ohne diese genauen Positionsangaben wären die seismischen Daten nutzlos, weil wir nicht genau sagen könnten, woher die Daten stammen und welchen Teil des Meeresbodens oder des Untergrunds sie repräsentieren – und das wäre schlecht. Darüber hinaus führt die (Nacht-)Wache während der Messungen ein akribisches Logbuch und notieren alle wichtigen Informationen, wie GPS-Ausfälle oder andere Datenfehler. Das ist für uns eine große Hilfe bei Problemen während der Verarbeitung!

Was sind die wichtigsten Schritte bei der Verarbeitung?
Das Wichtigste hier an Bord sind die oben erwähnten Geometrieinformationen. Wenn diese nicht korrekt sind, ist es unwahrscheinlich, dass mit den weiteren Verarbeitungsschritten ein zuverlässiges Ergebnis erzielt werden kann. Deshalb hat dieser Schritt für uns die höchste Priorität. Während wir an Bord sind, können wir die Positionen unserer GPS-Antennen und die Abstände unserer Geräte zu ihnen vermessen und im Falle von Problemen erneut nachmessen. Später, im Büro, müssen wir sicher sein, dass alles korrekt ist. Der nächste Schritt ist die Anwendung üblicher Korrekturen und Filter auf die aufgezeichneten Signale selbst, von einfachen Bandpassfiltern bis hin zu komplizierten Dekonvolutionen. Die gereinigten seismischen Spuren werden dann gestapelt und migriert. Das bedeutet, dass wir Daten vom gleichen Ort zusammenfassen, dass wir reale Signal verstärken und dass wir so genanntes Rauschen reduzieren. Dieses Rauschen kann z.B. durch raue See verursacht werden. Während der Migration bilden wir die Strukturen im Untergrund ab, indem wir berechnen, wo die seismischen Energien reflektiert wurden.
Unsere seismischen Messungen schließen wir in der Regel innerhalb weniger Wochen ab. Bei der Verarbeitung unterscheiden wir zwischen dem Teil der Datenverarbeitung, der an Bord durchgeführt werden kann und muss, und dem Teil, den wir erst im Büro von GEOMAR zufriedenstellend erledigen können. Die “On-Board-Verarbeitung”, d.h. jene Schritte, die mit der begrenzten Rechenleistung an Bord durchgeführt werden können, erfolgt quasi in Echtzeit, sobald die Daten in unserem Labor auf dem Schiff eintreffen. Dies ist wichtig, um schnell Ergebnisse für die weitere Planung zu sehen, und vor allem ist es entscheidend für die  Qualitätskontrolle. So können wir live überprüfen, ob wir unseren Messaufbau anpassen müssen, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Im Vergleich dazu dauert die so genannte “Post-Cruise Processing” viel länger. Die Aufbereitung und Bereinigung der Daten kann mehrere Monate dauern. Von der Zeit her ist die Messung also ein erster kleiner Schritt, aber die Daten können noch einen langen Weg vor sich haben.

Wie sehr hat sich die Verarbeitung seit Beginn der seismischen Messungen verändert? Wie hat sie begonnen und wohin wird sie gehen?
Heute sind wir in der glücklichen Lage, große Datenmengen schnell, effizient und sicher auf Festplatten zu speichern. Vor einigen Jahrzehnten sah das noch ganz anders aus: Seismogramme kamen auf Hunderten von Metern Papier ins Labor. Später kamen Magnetbänder zum Einsatz. Damals war es auch die Aufgabe der (Nacht-)Wache, die Magnetbänder zu wechseln, wenn sie voll waren. Heute schreiben wir einfach alles auf Festplatten, und in ein paar Jahren werden wir wahrscheinlich alle Daten in Echtzeit in eine Cloud hochladen und direkt an Kollegen im GEOMAR zur Verarbeitung schicken.

Was war Ihre inspirierendste Erfahrung im Umgang mit seismischen Daten?
Oh, das ist nicht schwer zu beantworten. Im Jahr 2018 hatten wir eine Ausfahrt auf dem Forschungsschiff ALKOR in der Nordsee mit dem Ziel, die innere Struktur eines Kraters zu kartieren. Leider sahen wir uns bei der Verarbeitung an Bord mit zwei massiven Problemen konfrontiert: Zum einen bewegten sich unsere Empfänger, die wir im “Streamer” hinter das Schiff zogen, durch Strömungen so stark, dass wir ihre Position nicht richtig bestimmen konnten, und damit auch nicht, welchen Punkt des Meeresbodens sie wirklich messen. Infolgedessen sah der Meeresboden in unseren seismischen Profilen wie ein altes, gebrochenes Sägeblatt aus. Darüber hinaus waren unsere realen Signale durch mehrere Multiplen überlagert, d.h. Echos der realen Signale, die in der Wassersäule auf und ab wandern und immer wieder aufgezeichnet werden. Diese Probleme haben uns an Bord fast verrückt gemacht. Im Nachhinein konnten wir diese Probleme jedoch beheben, und nach einigen Monaten erhielten wir einen sehr schönen, sauberen Datensatz, den Sie in der obigen Abbildung sehen können.
*Leider haben wir zur Zeit noch mit technischen Problemen zu kämpfen und können die erwähnte Abbildung nicht hochladen. Dies wird so bald wie möglich nachgeholt.

Wir danken Michel herzlich dafür, dass er sich die Zeit genommen und die Geduld aufgebracht hat, uns die Prozesse so ausführlich zu erklären!
Mehr über Michel’s Arbeit finden Sie unter https://www.geomar.de/mkuehn