煤田三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇海倫，葉亞坤，李陽(yáng)陽(yáng)

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069)

煤田三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇海倫*，葉亞坤，李陽(yáng)陽(yáng)

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069)

通過(guò)對(duì)三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以發(fā)揮系統(tǒng)工程學(xué)的最大特點(diǎn)，得到更合理的地震數(shù)據(jù)，而且可以為施工方實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和技術(shù)革新，從而為集約型社會(huì)貢獻(xiàn)出應(yīng)盡的責(zé)任和力量。在礦方給定的質(zhì)量指標(biāo)下，可以結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)涉及到的主要參數(shù)建立合適的數(shù)學(xué)模型，以設(shè)計(jì)出多個(gè)符合相關(guān)地球物理參數(shù)的三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)方案，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，對(duì)比分析得出10線8炮中點(diǎn)激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)施工成本的最小化和保證質(zhì)量的最優(yōu)化。主要以山西和順李陽(yáng)礦區(qū)為例，扼要介紹煤田三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程與方法。

觀測(cè)系統(tǒng)；地震勘探；優(yōu)化；集約型

1 概述

由于三維地震勘探獲得信息量豐富，地震剖面分辨率高，所以近年來(lái)三維地震勘探技術(shù)在尋找礦產(chǎn)資源中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，尤其在對(duì)深部資源和中淺部煤田地震勘探的勘察中大放異彩。

地震資料的野外采集是地震勘探工作的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它的基本任務(wù)就是要高速度、高質(zhì)量地采集各種地震資料的原始數(shù)據(jù)，為下一步的資料處理和解釋做準(zhǔn)備。因此，這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接影響著地震勘探的精度和效果，而貫穿整個(gè)地震采集過(guò)程的指揮棒就是一份恰如其分的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)選三維觀測(cè)系統(tǒng)，可以在控制勘探成本與提高采集資料質(zhì)量方面取得平衡，為特定目標(biāo)的地下構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的地震資料采集提供了一種行之有效的解決方案。

2 觀測(cè)系統(tǒng)采集參數(shù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合考慮了地質(zhì)任務(wù)、地形及諸多地下因素，其充分利用高密度采集的面積接收技術(shù)和炮、檢點(diǎn)網(wǎng)格的靈活組合，獲得分布均勻的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格及所要求的覆蓋次數(shù)，以保證較高的信噪比和分辨率。而決定其觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)劣而應(yīng)考慮到的主要參數(shù)大致有以下幾種：

（1）施工面積。為了滿足偏移要求，地面的勘探邊界應(yīng)向下傾方向延伸一定距離L，由施奈爾定律可知：L=h·tanα（L為偏移距離，h為最大目的層深度，α表示目的層傾角）。對(duì)于滿覆蓋次數(shù)邊界，應(yīng)以偏移后的面積為準(zhǔn)。

（2）采樣間隔。依據(jù)采樣定理，需保證時(shí)間域、空間域的采樣間隔不出現(xiàn)假頻。包括：①時(shí)間采樣間隔：若采用多道數(shù)字地震儀器，毫秒級(jí)采樣,全頻道接收,能夠高保真地接收較寬頻帶的有效波,滿足縱向分辨率的要求；②：空間采樣間隔：為使檢波點(diǎn)距的選擇不產(chǎn)生空間假頻，在CDP網(wǎng)格設(shè)計(jì)上按：Dx≤， Dy≤來(lái)計(jì)算（Dy、Dx為縱、橫采樣間隔；Vrms為均方根速度；fmax為有效波最高頻率；θy、θx為沿縱、橫方向上地震射線入射到地面的角度）。

（3）疊加次數(shù)。當(dāng)信噪比良好時(shí)，縱測(cè)線方向上的疊加次數(shù)通常取大于二維疊加次數(shù)的1/2～2/3倍。而且，在地質(zhì)情況復(fù)雜、信噪比低的地區(qū)應(yīng)有較高的疊加次數(shù)，信噪比高的地區(qū)可適當(dāng)降低疊加次數(shù)，但一般應(yīng)高于12次覆蓋。

（4）炮排間距。炮排間距，可用公式表示為：

式中：n——地震儀總接收道數(shù)；

b——線束內(nèi)接收線數(shù)。

（5）極限炮檢距。最大炮檢距Xmax的選擇既要考慮到求取速度的精度及壓制多次波的效果，也要考慮到動(dòng)校正拉伸畸變對(duì)高頻信號(hào)的影響。一般簡(jiǎn)單取為最淺目的層深度Hmin的1.2倍或最深目的層深度Hmax。

3 最優(yōu)性價(jià)比的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究模型

3.1 質(zhì)量最優(yōu)模型

將觀測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量最優(yōu)問(wèn)題，轉(zhuǎn)化成觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)與地球物理目標(biāo)論證參數(shù)之間差值最小問(wèn)題，將目標(biāo)參數(shù)結(jié)合起來(lái)，給定不同的權(quán)值，利用數(shù)學(xué)上的最優(yōu)化算法，求出質(zhì)量最優(yōu)的觀測(cè)系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可以表示成如下的形式：Emin{H(Fx，F(xiàn)y，NL，RLS，SLS)}，其中：H(Fx，F(xiàn)y，NL，RLS，SLS)=a1(1-F3d/N)2+a2(1-Xmax/ xmax)2+a3(1-ξ*M/mt)。

3.2 成本最小化模型

考慮在每平方公里成本函數(shù)最小化的要求下，而得出一個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型：Cost(Fx，F(xiàn)y，NL，RLS，SLS)=Cr+Cc+Cp。

上述表達(dá)式中的符號(hào)的含義可以參見(jiàn)表1的說(shuō)明。

表1 與觀測(cè)系統(tǒng)以及地震采集成本有關(guān)的參數(shù)符號(hào)表

4 應(yīng)用實(shí)例分析

以下以山西晉中和順某礦區(qū)的煤田三維地震觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程為例簡(jiǎn)要說(shuō)明三維地震觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本流程。

4.1 研究區(qū)地球物理特征

（1）表、淺層地震地質(zhì)條件。表層地震地質(zhì)條件北部較差，南部稍好，由于第四系薄，部分地段基巖出露，覆蓋層、松散層淺，淺層地震地質(zhì)條件較好。

（2）中深層地震地質(zhì)條件。本區(qū)本次勘探的主要目的層為8#煤層、15#煤層，煤層的頂?shù)装鍘r性多為砂巖，煤層與圍巖波阻抗差異明顯，煤層頂、底板與煤層的物性差異較大，有利于得到較好的反射波，因此本勘探區(qū)的中深部地震地質(zhì)條件較好。

4.2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化選擇

設(shè)計(jì)的方案中兩個(gè)方案為8線8炮觀測(cè)系統(tǒng)，2個(gè)方案為10線8炮觀測(cè)系統(tǒng)，分別為單邊激發(fā)和中點(diǎn)激發(fā)。其具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 方案參數(shù)對(duì)比表

結(jié)合部分權(quán)重較大的參數(shù)模擬1km2的滿覆蓋區(qū)域的費(fèi)用概算作對(duì)比分析，由上面實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出的工區(qū)參數(shù)可以得出如表3所示的成本概算表。

由表3不難看出，方案四即10線8炮中點(diǎn)激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)的成本顯然低于其他方案的成本，結(jié)合實(shí)際若單位內(nèi)檢波器數(shù)量較充裕，采用10線8炮中點(diǎn)激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)是相對(duì)優(yōu)化的一個(gè)方案。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只要能滿足地質(zhì)任務(wù)即可，不要過(guò)分強(qiáng)調(diào)高炮密度、大炮檢距、小面元。

（2）在觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮工程投入與預(yù)計(jì)效益比。

（3）要將排列長(zhǎng)度、炮密度、道距等施工參數(shù)與施工日效結(jié)合起來(lái)。

（4）不要片面強(qiáng)調(diào)某一項(xiàng)參數(shù)，三維地震勘探工程成本是由多個(gè)參數(shù)結(jié)合在一起來(lái)決定的。

（5）三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)由設(shè)計(jì)人員與工程管理人員共同來(lái)完成。

表3 單位滿覆蓋面積成本概算表

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1004-5716(2015)02-0134-03

2014-03-20

2014-03-20

蘇海倫（1988-），男（漢族），河南南陽(yáng)人，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系在讀碩士研究生，研究方向：物探技術(shù)、區(qū)域構(gòu)造學(xué)。