Lessons learned from marine refraction seismic experiments in the Ligurian Sea

Leçons tirées des expériences de sismique refraction marine en mer de Ligurie

¹ Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam, Netherlands
² GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Germany
³ Kiel University, Kiel, Germany

^* Corresponding author: l.murray-bergquist@vu.nl

Received: 15 November 2024
Accepted: 23 March 2024

Abstract

Wide-angle refraction seismic experiments are generally executed along 2D profiles. In this study, we investigate the potential and limitations of using adjacent 2D wide-angle seismic profiles for 3D tomography. From this, we provide suggestions on best practices when designing new offshore experiments so that the data can be used for both 2D and 3D tomography. We use two example experiments from the Ligurian Sea, the 2006 SARDINIA Experiment and the 2017/8 AlpArray—LOBSTER Experiment, to highlight the benefits and pitfalls of two common station-shot geometries: parallel 2D seismic profiles and crossing seismic profiles through a network of Ocean Bottom Seismometers (OBS). We interpolate the lateral resolution of these experiments, and compare this with the potential resolution that could be achieved by the strategic addition of shots or stations. The synthetic results show that when two parallel 2D seismic profiles are shot (Sardinia Experiment), the resolution can be equally improved by the addition of a line of shots between profiles as by a line of stations between profiles. For an OBS network (AlpArray—LOBSTER Experiment), the synthetic results show that additional shot lines throughout the network are necessary to resolve the network area. One major difficulty with this specific area, is the complex geological structure of the Liguro-Provençal Basin, especially the presence of a Messinian evaporite layer that interferes with and scatters the seismic signal. The resolution achieved by these different network geometries shows that while these experiments alone were not sufficient for 3D tomography, they could both have been made suitable for 3D tomography by the addition of shot profiles, which are cost-effective and easier to add than stations. This workflow for estimating the lateral resolution of a 3D seismic refraction experiment can be applied to any tectonic setting, and should be considered when planning offshore experiments to enable 2D and 3D tomography and increase the output of this valuable data.

Résumé

Les profils de sismique grand-angle sont généralement réalisés le long de profils 2D. Dans cette étude, nous explorons le potentiel et les limites de l’utilisation de profils sismiques grand-angle adjacents pour la tomographie 3D. Nous proposons ainsi des recommandtions sur les meilleures pratiques à adopter lors de la conception d‘expériences en mer afin que les données puissent être exploitées à la fois pour la tomographie 2D et 3D. Nous analysons deux expériences menées en mer Ligurienne, SARDINIA (2006) et AlpArray–LOBSTER (2017/8), pour mettre en évidence les avantages et les inconvénients de deux géométries de stations de points de tirs communes : des profils parallèles de sismiques 2D et d’autres perpendiculaires, qui ont été aquis dans ce cas avec un réseau plus large de sismomètres fond de mer (OBS). Les profils sismiques se rapportent ici aux lines d’OBS avec les tirs d’airguns en surface. Nous interpolons la résolution latérale de ces experiences et la comparons à la résolution qui pourrait être atteinte par l’ajout stratégique de points de tirs ou de stations. Les résultats synthétiques montrent que, dans le cas de l’expérience SARDINIA, où deux profils sismiques 2D parallèles ont été acquis, la résolution peut être améliorée aussi bien par l’ajout d’une ligne de tirs que par une ligne de stations entre les profils. Pour un réseau OBS, comme dans l’expérience AlpArray–LOBSTER, les résultats synthétiques indiquent que des lignes de tir supplémentaires à travers le réseau sont néces saires pour augmenter la résolution. Les principales difficultés liées à ces données resident dans la complexité géologique de la subsurface et la présence de la couche sel messinienne qui interfère avec le signal sismique. La résolution obtenue avec ces différentes géométries de réseau montre que, bien que ces expériences n’aient pas été, à elles seules, suffisantes pour une tomographie 3D, elles auraient pu être adaptées à cet objectif grâce à l’ajout de lignes de tir, une solution plus économique et plus facile à mettre en place que l’ajout de stations. Cette méthode d’estimation de la résolution peut être appliquée à tout context tectonique et doit être prise en compte lors de la planification d’expériences en mer afin d’optimiser les tomographies 2D et 3D et de maximiser la valeur des données acquises.