基于云平臺(tái)的微地震數(shù)值模擬系統(tǒng)研究

梅麗斯， 吳 琳， 劉 歡， 王 亮， 白 明， 李文煜

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100037； 2. 國(guó)土資源部 地質(zhì)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037； 3. 成都理工大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

0 引言

云平臺(tái)構(gòu)建了一套貫穿資料收集、野外采集、室內(nèi)整理、資料匯交、數(shù)據(jù)服務(wù)、產(chǎn)品服務(wù)、資源管理等全流程的地質(zhì)云環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)調(diào)查”的深度融合[1]，能解決地質(zhì)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題[2]，進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)字找礦與定量化礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)[3]。地質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)云平臺(tái)，利用聚類(lèi)、降噪、識(shí)別等多種地質(zhì)數(shù)據(jù)處理方法實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了巖性識(shí)別、構(gòu)造特征分析、礦產(chǎn)資源預(yù)測(cè)等方面的工作[4]。因此，采用云平臺(tái)已成為現(xiàn)在地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的首選技術(shù)方案之一[5-7]，本次研究采用也是云平臺(tái)，目的是以巖石數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以并行化技術(shù)為手段，開(kāi)發(fā)微地震數(shù)值模擬，通過(guò)云平臺(tái)和三維可視化技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)模型展示，為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)分析服務(wù)。

1 云平臺(tái)的搭建

以巖石數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、微地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以并行化技術(shù)為手段，開(kāi)發(fā)微地震數(shù)值模擬，并通過(guò)云平臺(tái)和三維可視化技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)模型展示?？傮w技術(shù)架構(gòu)將采用BS三層體系的結(jié)構(gòu)，采用WEB方式提供服務(wù)，提供各種應(yīng)用和基本服務(wù)。通過(guò)建立統(tǒng)一的業(yè)務(wù)模型，利用系統(tǒng)服務(wù)、系統(tǒng)組件和業(yè)務(wù)組件搭建平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的集成，技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

技術(shù)架構(gòu)主要是考慮到基于并行化的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺(tái)和三維可視化展示建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)應(yīng)該具備跨平臺(tái)、支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境的能力，采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)方式，易于擴(kuò)展和維護(hù)。

2 微地震數(shù)值模擬方法

微地震技術(shù)是地球物理研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控研究區(qū)地下微小的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行精確的定量研究，為采礦、防災(zāi)等工作提供了大量有益信息，受到日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8]。微地震數(shù)值模擬是研究微地震技術(shù)的重要內(nèi)容，其核心算法包括射線追蹤正演算法和波動(dòng)方程正演算法[9]。

圖1 基于云平臺(tái)的微地震數(shù)值模擬和基于云平臺(tái)的 三維可視化展示技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Technical architecture diagram of cloud-based micro-seismic numerical simulation and three-dimensional visualization

2.1 射線追蹤正演算法

射線追蹤正演算法是一種快速的正演模擬算法，包括單震源單傳感器、單震源多傳感器、多震源多傳感器等類(lèi)型。以單震源單傳感器為例，設(shè)介質(zhì)為層狀結(jié)構(gòu)，震源位置為Ps(xs,ys,zs)，傳感器位置為Pg(xg,yg,zg)，射線終點(diǎn)為Pe(xe,ye,ze)。當(dāng)震源和傳感器在同一層，則射線走時(shí)為式(1)。

(1)

其中：v為波速。震源和傳感器在不同的層，設(shè)vi為第i層的波速，Pi(xi,yi)為第i層的射線初始點(diǎn)，則

(2)

(3)

(4)

其中：hi為第i層的層高[10]。

2.2 波動(dòng)方程正演算法

波動(dòng)方程法是因其波場(chǎng)齊全，信息豐富而成為研究地震波場(chǎng)特點(diǎn)的最根本方法[9]。在實(shí)際的地震波場(chǎng)數(shù)值模擬工作中，需根據(jù)儲(chǔ)層模型來(lái)選擇模擬方程。根據(jù)模擬方程的不同，波動(dòng)方程數(shù)值模擬主要包括：聲波模擬；粘滯聲波模擬；彈性波模擬；粘彈性波模擬以及裂隙和孔隙彈性模擬等。本文以基于相移加差值波動(dòng)方程正演模型設(shè)計(jì)正演算法，具體算流程如圖2所示。

圖2 正演算法的基本流程圖Fig.2 The basic flowchart of the forward algorithm

初始地質(zhì)模型為：

p(x,zi,ω)=u(x,zi,0)

(5)

地震波場(chǎng)為：

(6)

利用快速付氏變換將地震波場(chǎng)p(x,zi+1,ω)變到頻率波數(shù)域

p(kx,zi+1,ω)=F(p(x,zi+1,ω))

(7)

kx為x方向波速，延拓波場(chǎng)需結(jié)合利用深度上的最大值V1與最小值V2的相移因子e[i(]kx-ω/V1)Δz〗、

e[i(]kx-ω/v2)Δz〗得到波場(chǎng)

p1(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V1)Δz〗

(8)

p2(kx,zi+1,ω)=p(kx,zi+1,ω)e[i(]kx-ω/V2)Δz〗

(9)

利用付氏反變換將波場(chǎng)p1(kx,zi+1,ω)、p2(kx,zi+1,ω)變到空間域p1(x,zi+1,ω)、p2(x,zi+1,ω)。利用波場(chǎng)插值得到插值波場(chǎng)p(x,zi+1,ω)。重復(fù)計(jì)算地震波場(chǎng)到插值波場(chǎng)過(guò)程直到達(dá)到最大深度。當(dāng)插值得到的插值波場(chǎng)與原始地震剖面數(shù)據(jù)基本一致時(shí)，計(jì)算結(jié)束，輸出地質(zhì)模型。

3 云平臺(tái)的微地震數(shù)值模擬系統(tǒng)

在云平臺(tái)上需預(yù)先配置Linux系統(tǒng)和GPU并安裝CUDA、QT4、Coin3D和SoQt。系統(tǒng)主要功能包括觀測(cè)系統(tǒng)編輯，作業(yè)流管理，速度建模，射線追蹤，震源定位，波動(dòng)方程正演等一系列完整微地震處理流程，以及豐富的三維顯示功能。

目前該系統(tǒng)擁有射線追蹤正演算和波動(dòng)方程正演兩套正演機(jī)制，其算法可以用于偏移成像，微地震監(jiān)控等工作(圖3)。

圖3 微地震正演及其應(yīng)用Fig.3 Seismic forward and applicattions(a)射線追蹤正演;(b)微地震定位;(c)波動(dòng)方程正演;(d)偏移成像

4 結(jié)論

針對(duì)微地震正演計(jì)算量大的特點(diǎn)，筆者架設(shè)云平臺(tái)建設(shè)架構(gòu)，在云平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于射線追蹤算法和波動(dòng)方程的并行化微地震正演系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了云平臺(tái)上的微地震資料處理與三維展示，可為儲(chǔ)層預(yù)測(cè)分析服務(wù)。