Al Qahtani, Mohammed (2026) Investigation of the Lateral Heterogeneity of P-Wave Velocity in Sand Dunes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mohammed_Alqahtani_200164590_Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 19 October 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

لطالما تم التعامل مع الكثبان الرملية على أنها وسط متجانس في نماذج التحليل الزلزالي، رغم تزايد الأدلة التي تتحدى هذا الافتراض. فقد أظهرت الدراسات المبكرة أن الكثبان الرملية تتميز بعدم تجانس رأسي، حيث تتغير سرعة الموجة الأولية (P-Wave) بشكل منتظم مع العمق. كما كشفت دراسات لاحقة عن اعتماد سرعة الموجات الزلزالية على الاتجاه، مما يشير إلى أن مواد الكثبان الرملية تتصف بخواص لا متساوية الخواص (Anisotropic) وليست متساوية الخواص (Isotropic). بالإضافة إلى ذلك، أكدت الملاحظات الجيولوجية أن حجم الحبيبات والبنية الداخلية يتغيران مكانيًا داخل الكثبان، مما يشير إلى وجود عدم تجانس جانبي محتمل. بناءً على هذه المعطيات، تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف وجود عدم التجانس الجانبي في سرعة الموجة الأولية داخل الكثبان الرملية. تم تنفيذ تجربة زلزالية محكومة باستخدام عدة خطوط تسجيل متوازية وبنفس الهندسة والاتجاه لعزل التأثيرات الجانبية. وقد تم اختيار أزمنة الوصول الأولى بعناية وتحليلها لتقدير سرعات الطبقات القريبة من السطح عند أعماق متكافئة عبر الخطوط المختلفة. وأظهرت النتائج وجود اختلافات واضحة ومنتظمة في السرعة بين الخطوط المتجاورة، حتى في ظل ظروف تسجيل متشابهة. لا يمكن تفسير هذه الاختلافات على أنها مجرد أخطاء أو عدم دقة في القياسات، بل تشير إلى أن الكثبان الرملية تتميز بعدم تجانس جانبي حقيقي. ويُعزى هذا التباين في السرعة إلى اختلافات في توزيع حجم الحبيبات، ودرجة التماسك، والبنية الطبقية داخل جسم الكثيب الرملي. وتُعد هذه النتيجة تحديًا لافتراض التجانس الشائع، كما تؤكد على أهمية أخذ عدم التجانس الجانبي في الاعتبار عند نمذجة الطبقات القريبة من السطح وتصحيحات السكون (Statics). توفر نتائج هذه الدراسة دليلاً ثالثًا — بعد عدم التجانس الرأسي وعدم تماثل الخواص الاتجاهية — على أن الكثبان الرملية تمثل وسطًا معقدًا بطبيعته. إن إدراك هذا التعقيد له تأثيرات مهمة في تحسين دقة التصوير الزلزالي وتقليل عدم اليقين في تصحيحات الطبقات القريبة من السطح

English Abstract

Sand dunes have long been treated as homogeneous subsurface models in seismic analysis, despite growing evidence that challenges this assumption. Early work demonstrated that sand dunes exhibit vertical heterogeneity, showing systematic variation of P-wave velocity with depth. Later studies revealed azimuthal dependence of seismic velocity, indicating that dunes are anisotropic rather than isotropic. In addition, geological observations have confirmed that grain size and internal structure vary spatially within dunes, suggesting that lateral variations should also be expected. Building on these findings, this study investigates the presence of lateral heterogeneity in P-wave velocity within sand dunes. A controlled seismic experiment was conducted using multiple parallel acquisition lines with identical geometry and orientation to isolate lateral effects. First-arrival travel times were carefully picked and analyzed to estimate near-surface velocities at equivalent depths across different lines. The results show clear and consistent velocity variations between the top and bottom lines, even under similar acquisition conditions. At the Rec1 position, the velocity difference between the two lines ranges from approximately 24% at deeper levels to 109% at shallow depth. At the Rec12 position, the difference ranges from about 16% to 109%, while at the Rec24 position it ranges from approximately 20% to 60%. These differences occur over estimated depths ranging from about 0.17 m to 3.74 m, indicating that the observed lateral variation is present across both shallow and deeper parts of the investigated dune. These variations cannot be explained by experimental uncertainty alone and instead indicate that sand dunes are laterally heterogeneous. The observed differences in velocity are attributed to changes in grain size distribution, compaction, and internal layering within the dune body. This finding challenges the common assumption of homogeneity and highlights the need to incorporate lateral variability in near-surface seismic modeling and static corrections. The results of this study provide a third line of evidence—following vertical heterogeneity and azimuthal anisotropy—that sand dunes are inherently complex media. Recognizing this complexity has important implications for improving seismic imaging accuracy and reducing uncertainties in near-surface corrections.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Abdullatif Al-Shuhail,
Thesis Committee Members:	Ayman Al-Lehyani, Sherif Mahmoud,
Depositing User:	MOHAMMED AL QAHTANI
Date Deposited:	21 Oct 2026 11:52
Last Modified:	21 Oct 2026 11:52
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144691