Fast 3D frequency-domain full waveform inversion with a parallel Block Low-Rank multifrontal direct solver: application to OBC data from the North Sea
- Others:
- Algorithmes Parallèles et Optimisation (IRIT-APO) ; Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT) ; Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI) ; Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI) ; Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
- Institut des Sciences de la Terre (ISTerre) ; Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR219-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
- Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Laboratoire de l'Informatique du Parallélisme (LIP) ; École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Optimisation des ressources : modèles, algorithmes et ordonnancement (ROMA) ; Inria Grenoble - Rhône-Alpes ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de l'Informatique du Parallélisme (LIP) ; École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) ; Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT) ; Université Toulouse 1 Capitole (UT1) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI) ; Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
- Equations aux Dérivées Partielles (EDP ) ; Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK ) ; Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
- Géoazur (GEOAZUR 7329) ; Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de la Côte d'Azur ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])
Description
Wide-azimuth long-offset OBC/OBN surveys provide a suitable framework to perform computationally-efficient frequency-domain full waveform inversion (FWI) with a few discrete frequencies. Frequency-domain seismic modeling is performed efficiently with moderate computational resources for a large number of sources with a sparse multifrontal direct solver (Gauss-elimination techniques for sparse matrices). Approximate solutions of the time-harmonic wave equation are computed using a Block Low-Rank (BLR) approximation, leading to a significant reduction in the operation count and in the volume of communication during the LU factorization as well as offering a great potential for reduction in the memory demand. Moreover, the sparsity of the seismic source vectors is exploited to speed up the forward elimination step during the computation of the monochromatic wavefields. The relevance and the computational efficiency of the frequency-domain FWI performed in the visco-acoustic VTI approximation is shown with a real 3D OBC case study from the North Sea. The FWI subsurface models show a dramatic resolution improvement relative to the initial model built by reflection traveltime tomography. The amplitude errors introduced in the modeled wavefields by the BLR approximation for different low-rank thresholds have a negligible footprint in the FWI results. With respect to a standard multifrontal sparse direct factorization, and without compromise on the accuracy of the imaging, the BLR approximation can bring a reduction of the LU factor size by a factor up to three. This reduction is not yet exploited to reduce the effective memory usage (ongoing work). The flop reduction can be larger than a factor of 10 and can bring a factor of time reduction of around three. Moreover, this reduction factor tends to increase with frequency, namely with the matrix size. Frequency-domain visco-acoustic VTI FWI can be viewed as an efficient tool to build an initial model for elastic FWI of 4-C OBC data.
Abstract
International audience
Additional details
- URL
- https://hal.inria.fr/hal-01349119
- URN
- urn:oai:HAL:hal-01349119v1
- Origin repository
- UNICA