吳有亮 沙 椿 李金璽

(1.中國石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司，四川 成都 610017；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072； 3.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 成都 610059)

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三維微地震監(jiān)測(cè)中射線追蹤算法的研究與應(yīng)用

吳有亮1沙 椿2李金璽3

(1.中國石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司，四川 成都 610017；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072； 3.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 成都 610059)

通過建立三維地質(zhì)體模型、設(shè)計(jì)射線追蹤算法等，對(duì)四川省某水電站圍巖施工階段進(jìn)行了三維微地震監(jiān)測(cè)，并介紹了具體的監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，三維地震監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

三維微地震監(jiān)測(cè)，射線追蹤，反演定位

1 概述

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是依據(jù)各傳感器記錄下的微地震事件波形信號(hào)，通過分析來監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù),其基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)。目前三維微地震監(jiān)測(cè)，存在幾個(gè)主要關(guān)鍵難點(diǎn)：首先，地質(zhì)模型的剖分既要滿足精度的要求，又須盡量減少數(shù)據(jù)量；其次，面對(duì)超大數(shù)據(jù)量時(shí)算法低效問題。三維微地震監(jiān)測(cè)隨地質(zhì)體的增大及地質(zhì)模型精細(xì)度的提高，數(shù)據(jù)量以冪級(jí)數(shù)增長，應(yīng)該設(shè)計(jì)高效的射線追蹤算法解決傳統(tǒng)算法在處理海量數(shù)據(jù)效率不高的問題。解決好上述問題，直接決定三維微地震監(jiān)測(cè)研究在工程方面的實(shí)用性、可行性。

微地震事件定位流程圖見圖1。

2 建立地質(zhì)體速度模型

地質(zhì)體速度模型的描述通常采用網(wǎng)格劃分(三維為正方體、平行六面體等)和層狀結(jié)構(gòu)描述。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)體監(jiān)測(cè)建立速度模型，要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)體單元，對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體進(jìn)行剖分,通過井間地震等方法獲得目標(biāo)地質(zhì)體的精細(xì)速度，并將其賦給每個(gè)相應(yīng)的地質(zhì)體單元。

采用立方體單元構(gòu)建地質(zhì)體速度模型，常見有以下幾種形式：

分別采用如圖2a)，圖2b)及圖2c)所示幾種節(jié)點(diǎn)分布不同的立方體單元，分別以這三個(gè)單元模型對(duì)500×500×500單位長度的地質(zhì)體進(jìn)行剖分，其數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1。從表中可以看出，隨著地質(zhì)體單元刻畫的復(fù)雜化，數(shù)據(jù)量呈冪級(jí)數(shù)增加，同時(shí)使得正演走時(shí)計(jì)算效率迅速降低。但是如此可以明顯改善由于節(jié)點(diǎn)稀疏造成的射線路徑呈“之”形情況，使得射線路徑更加切合實(shí)際，計(jì)算精度有大幅度提高，這直接關(guān)系到定位結(jié)果的精確、有效性。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)表

采用的剖分單元a單元模型b單元模型c單元模型數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)10303011327150161751501

對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行鉆孔波速測(cè)試層析成像，為劃分的各個(gè)單元進(jìn)行速度賦值，完成速度模型的構(gòu)建。

3 最小走時(shí)射線追蹤算法

最小走時(shí)計(jì)算的目的是地質(zhì)體中每個(gè)離散節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的路徑、走時(shí)。計(jì)算精度和效率是射線追蹤方法好壞的主要依據(jù)。在三維微地震監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)量、計(jì)算量驚人，須提高射線追蹤算法效率。

提高算法效率，主要有三個(gè)方面：1)改進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序；3)縮小搜索下一個(gè)最小權(quán)值的范圍。

首先，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用動(dòng)態(tài)分配三維數(shù)組、雙向鏈表，同時(shí)將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)與內(nèi)存地址建立一一映射，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問節(jié)點(diǎn)和事件復(fù)雜度為0(1)的刪除、插入節(jié)點(diǎn)操作，擁有了順序結(jié)構(gòu)和鏈表的雙重優(yōu)點(diǎn)。

其次，對(duì)數(shù)據(jù)排序，其排序范圍僅為進(jìn)棧點(diǎn)的所有鄰接點(diǎn)。

最后，重新組合，按廣度遍歷方式、以圓環(huán)向外擴(kuò)展，搜索路徑是以一個(gè)半徑逐漸擴(kuò)大的圓環(huán)向外擴(kuò)散搜索。

具體算法流程見圖3。

以100 m×100 m×100 m單位長度的地質(zhì)模型為例，采用圖2c)剖分單元(邊長為5個(gè)單位長度)，其數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)為518 301，使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行射線追蹤計(jì)算，采用常規(guī)最小走時(shí)算法耗時(shí)通常要數(shù)小時(shí)，而經(jīng)改進(jìn)后只需要約3 min。

4 微地震事件反演定位

微地震事件的反演定位采用傳統(tǒng)的改進(jìn)經(jīng)典Geiger算法。對(duì)定位算法的各種方法的討論，都基于一個(gè)準(zhǔn)則：時(shí)間殘值的處理。對(duì)于給定的速度模型，時(shí)間殘值被限定為地震波到時(shí)的觀測(cè)值與計(jì)算值之間的差。定位流程如圖4所示。

5 實(shí)際工程中的應(yīng)用

5.1 工程概況

四川省一國家一級(jí)水電站大壩設(shè)計(jì)高度305 m，水電站壩區(qū)山高坡陡，兩岸山體地應(yīng)力高，左岸存在深部裂縫、低波速松弛巖體、煌斑巖脈及斷層等復(fù)雜地質(zhì)條件。在地下洞室開挖施工過程中，其圍巖將發(fā)生卸荷松弛，為了保證施工的順利進(jìn)行，并為未來電站的正常運(yùn)行提供相關(guān)參數(shù)，在水電站施工階段對(duì)圍巖進(jìn)行三維微地震監(jiān)測(cè)。

5.2 三維微地震監(jiān)測(cè)

對(duì)工區(qū)500 m，800 m，500 m范圍采用邊長為10 m立方體單元進(jìn)行剖分,采用有13個(gè)傳感器用于地震信號(hào)采集。13個(gè)多分量傳感器坐標(biāo)見表2。

在接收到有效信號(hào)后，經(jīng)過對(duì)所建立的速度反演，定位出微地震產(chǎn)生位置。

5.3 監(jiān)測(cè)成果

圖5中觀測(cè)走時(shí)為讀取各個(gè)傳感器的走時(shí)，計(jì)算走時(shí)是微震點(diǎn)在已建立模型中到各個(gè)傳感器的理論走時(shí)。

表2 傳感器坐標(biāo)

1)微地震事件1。各個(gè)傳感器的讀數(shù)如表3所示，監(jiān)測(cè)反演得到的微震點(diǎn)坐標(biāo)為(174，430，0)，圖5為相似擬合曲線。

表3 事件1走時(shí)表

臺(tái)站123456789觀測(cè)走時(shí)135.8122141.5140.5129.3140.5136.5126.5127.5計(jì)算走時(shí)130.410126.918143.684139.871143.744141.768143.429128.174139.044

2)微地震事件2。各個(gè)傳感器的讀數(shù)如表4所示，監(jiān)測(cè)反演得到的微震點(diǎn)坐標(biāo)為(10，250，292)，圖6為相似擬合曲線。

表4 事件2走時(shí)表

3)微地震事件3。各個(gè)傳感器的讀數(shù)如表5所示，監(jiān)測(cè)反演得到的微震點(diǎn)坐標(biāo)為(296，608，30)，圖7為相似擬合曲線。

表5 事件3走時(shí)表

兩條相似擬合曲線的相似程度反映了實(shí)際微震點(diǎn)與模擬計(jì)算出來微震點(diǎn)接近程度，也反映了定位結(jié)果的可靠性。從上述定位結(jié)果以及實(shí)際情況分析來看，此三維微地震監(jiān)測(cè)方法可行、有效。

6 結(jié)語

1)理論與實(shí)際證明,所設(shè)計(jì)的射線追蹤算法及所采用的剖分方法對(duì)構(gòu)造較為復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行三維微地震監(jiān)測(cè)具有可行性。2)微地震監(jiān)測(cè)不僅可以定位出微震發(fā)生的空間坐標(biāo)，還可以通過確定相對(duì)時(shí)差Δt，進(jìn)而確定出微震發(fā)生時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)時(shí)空的四維定位。3)兩條相似擬合曲線的相似程度反映了實(shí)際微震點(diǎn)與模擬計(jì)算出來微震點(diǎn)接近程度，但由于實(shí)際地質(zhì)體的復(fù)雜性，定位結(jié)果可能存在奇異性，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合實(shí)際剔除奇異結(jié)果。

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The research of the ray tracing algorithm in 3D micro seismic monitoring and its application

Wu Youliang1Sha Chun2Li Jinxi3

(1.SouthwestBranch,ChinaPetroleumEngineeringDesignLimitedCompany,Chengdu610017,China; 2.ChengduSurveyDesignInstitute,China’sHydroPowerConsultingGroup,Chengdu610072,China; 3.InformationEngineeringInstitute,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Through the establishment of 3D geological model, ray tracing algorithm etc., this paper made 3D seismic monitoring to a hydro power station in surrounding rock construction stage in Sichuan, and introduced the specific monitoring methods, the monitoring results showed that the 3D seismic monitoring method achieved good effect in practical engineering application.

3D micro seismic monitoring, ray tracing, inversion positioning

1009-6825(2016)10-0044-03

2016-01-26

吳有亮(1981- )，男，碩士，工程師

TU352

A