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SPICE Research and Training Workshop III, July 22-28, Kinsale, Ireland
Seismic wave Propagation and Imaging inComplex media: a European network
Yilong Qin
Early Stage Researcher
Host Institution: IPG, Paris
Place of Origin:  Beijing, China
Appointment Time:  Jan. 2005
Project:  A SPICE synthetic dataset to benchmark globaltomographic methods
Task Groups:  Planetary Scales
Cooperation: Universitetet I Oslo,   Norway
                     University of Utrecht, Netherlands
Yilong Qin
Early Stage Researcher
Host Institution: IPG, Paris
Place of Origin:  Beijing, China
Appointment Time:  Jan. 2005
Project:  A SPICE synthetic dataset to benchmark globaltomographic methods
Task Groups:  Planetary Scales
Cooperation: Universitetet I Oslo,   Norway
                     University of Utrecht, Netherlands
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Content
Project Scope
Benchmark of benchmark
Final benchmark
Conclusions
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Project Scope
swmaps
swmaps
There is general agreement about the location of long-wavelengthstructure. But the small-scale features still vary considerably fromauthor to author
From The  Reference Earth Model  Website (http://mahi.ucsd.edu/Gabi/rem.html)
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The benchmark of benchmark
Model build
Acquisition geometry
Computation
Synthetic data
Inversion results
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Model build
1D model (red) and PREMmodel (black)
3D model (Vs). Depth-independent
Large-, medium- and samll-scaleanomaly.
Model parameters: isotropic Vp, Vsand density, gravity, attenuation
1D reference model and 3D model
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Acquisition geometry
27 events
256 receivers
Distribution of events and station
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Computation
3D Coupling Spectral Elements and Modal Solution(CSEM)  (Capdeville et al., )
Z, N-S and E-W velocity component
Not consider the effect of ellipticity, crust,topography, ocean and rotation of real Earth.
10500s records
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Upper: comparison between CSEM and Normal-mode
Lower: Source wavelet (left) and its spectrum (right) (minimum period 50s)
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Synthetic data
Comparison seismograms between 1D and 3D model
FFC
COYC
XMAS
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InversionAutomated multimode inversion based on time-frequency partition of waveform (Lebedev et al., 2005)
Courtesy of S. Lebedev
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Inversion results (Sergei Lebedev)
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The final benchmark
Acquisition geometry
 Model build
Computation
Synthetic data
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Distribution of stations and events.Near the location of red beach ball,three events are calculated.
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Model build
Model parametersP-wave isotropic average velocity, S-wave isotropic average velocity, Density, quality factor(Qmu),anisotropic parameter for vertically transverse anisotropic (xi, phi andeta)  and the orientation of the crystal
1D model
3D variation
Crustal model
Topography and bathmetry
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1D Valerie model
Anisotropic model (D” layer, upper mantle and transition zone)
Six layer (D’’, lower lower mantle, upper lower mantle, transition zone,upper mantle and crust)
 boundary is 3480.0km, 3780.0km, 4700.0km, 5701.0km, 5971.0km,6345.0km, 6371.0km.
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Comparison of Eigenfrequency for 1D Valerie model and PREM
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P, S and density variation(release after blind test)
Random part: defined as spherical harmoniccomponent. we have added mixture ofadjacent layers over a depth interval of250km.
The deterministic part:  medium- and small-scale variation
S-wave and density variation are coupledwith P-wave variation
Crystal with variable orientation of symmetry
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Crustal model for Vs
Crustal model for density
The crust has a significant impact on the observed seismic data but, at thesame time, is too thin to be resolved by them.
Crustal model (smoothed CRUST2.0)
Constant depth=26km
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Topography and bathmetry (ETOPO5)
The ocean are incorporated in the CSEM by introducing an equivalentload a the ocean floor( Dimitri Komatitsch and Jeroen Tromp, 2002)
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Computation
Algorithm
coupling spectral element method (including the effect of anisotropy,gravity, attenuation, rotation, ocean, ellipticity, topography)
Computation time
Total hours is about 70000 CPU hours
Time step 0.35s, a compromise between numerical dispersionand computation cost.
Implementation
IPGP (Institut de physique du globe de Paris)
IDRIS (Institut du Développement et des Ressources enInformatique Scientifique)
CINES (Centre Informatique National de l'EnseignementSupérieur)
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Courtesy of Capdeville
topo_sem
hocean
saw12dmesh
Coupling Spectral-elementmethod (CSEM)
Mesh
topography
Ocean
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Source wavelet
An heavis wavelet with frequency up to 0.031Hz (minimumperiod 32s )
wavelet
spectrum
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Derivative of source wavelet andthe corresponding spectrum
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Comparison between normal-mode (black) and CSEM (redfor 0.2s of time step , green for  0.4s time step) for minimumperiod of 32s.
Numerical dispersion for maximum period 32s
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Synthetic data
Three component (Z, N-S, E-W) velocity wavefield
Record length 10500s
Sampling rate is 1s
Format AH
No instrutment response
Add real noise from GEOSCOPE TAM
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Station PAYG for event 09 (coupling between T,  L and Z)  for Valerie1D model
spectrum
synthetic
T
L
Z
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Z component  for station PAYG of event 09
Blue (3D model) and red (1D model)
Filtered ( >200s)
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L component  for station PAYG of event 09
Blue (3D model) and red (1D model)
Filtered (>200s)
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T component  for station PAYG of event 09
Blue (3D model) and red (1D model)
Filtered >200s
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Seismic noise for GEOSCOPE station TAM
E and N component of noise is much stronger than Z component
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download
http://www.ipgp.jussieu.fr/~qyl/benchmark_no_noise (about 1G)
http://www.ipgp.jussieu.fr/~qyl/benchmark_with_noise (about 1G)
README, 1D reference model, Source wavelet and dataset
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Conclusions
Perform benchmark of benchmark
A complex 3D global anisotropicelastic model has been created
A high quality anisotropic elasticdataset has been created
Data and model (after blind test) arefreely available
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uses
phase velocity inversion
Waveform inversion
CMT inversion
Limitations
Minimum period 32s
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acknowledgement
SPICE
Service de Calcul Parallèle, inInstitut de Physique du Globe deParis
Sergei Lebedev (University ofUtrecht)