煤田三维地震勘探观测系统优化设计

苏海伦，叶亚坤，李阳阳

(西北大学地质学系，陕西西安710069)

煤田三维地震勘探观测系统优化设计

苏海伦*，叶亚坤，李阳阳

(西北大学地质学系，陕西西安710069)

通过对三维地震勘探观测系统的优化设计，不仅可以发挥系统工程学的最大特点，得到更合理的地震数据，而且可以为施工方实现成本节约和技术革新，从而为集约型社会贡献出应尽的责任和力量。在矿方给定的质量指标下，可以结合观测系统涉及到的主要参数建立合适的数学模型，以设计出多个符合相关地球物理参数的三维地震勘探观测系统方案，结合当地实际情况，对比分析得出10线8炮中点激发观测系统，可以实现施工成本的最小化和保证质量的最优化。主要以山西和顺李阳矿区为例，扼要介绍煤田三维地震勘探观测系统优化设计的流程与方法。

观测系统；地震勘探；优化；集约型

1 概述

由于三维地震勘探获得信息量丰富，地震剖面分辨率高，所以近年来三维地震勘探技术在寻找矿产资源中发挥着越来越大的作用，尤其在对深部资源和中浅部煤田地震勘探的勘察中大放异彩。

地震资料的野外采集是地震勘探工作的一个重要的环节，它的基本任务就是要高速度、高质量地采集各种地震资料的原始数据，为下一步的资料处理和解释做准备。因此，这些数据的准确与否直接影响着地震勘探的精度和效果，而贯穿整个地震采集过程的指挥棒就是一份恰如其分的观测系统设计，通过优选三维观测系统，可以在控制勘探成本与提高采集资料质量方面取得平衡，为特定目标的地下构造复杂区的地震资料采集提供了一种行之有效的解决方案。

2 观测系统采集参数及优化设计

观测系统的优化设计综合考虑了地质任务、地形及诸多地下因素，其充分利用高密度采集的面积接收技术和炮、检点网格的灵活组合，获得分布均匀的地下数据点网格及所要求的覆盖次数，以保证较高的信噪比和分辨率。而决定其观测系统优劣而应考虑到的主要参数大致有以下几种：

（1）施工面积。为了满足偏移要求，地面的勘探边界应向下倾方向延伸一定距离L，由施奈尔定律可知：L=h·tanα（L为偏移距离，h为最大目的层深度，α表示目的层倾角）。对于满覆盖次数边界，应以偏移后的面积为准。

（2）采样间隔。依据采样定理，需保证时间域、空间域的采样间隔不出现假频。包括：①时间采样间隔：若采用多道数字地震仪器，毫秒级采样,全频道接收,能够高保真地接收较宽频带的有效波,满足纵向分辨率的要求；②：空间采样间隔：为使检波点距的选择不产生空间假频，在CDP网格设计上按：Dx≤， Dy≤来计算（Dy、Dx为纵、横采样间隔；Vrms为均方根速度；fmax为有效波最高频率；θy、θx为沿纵、横方向上地震射线入射到地面的角度）。

（3）叠加次数。当信噪比良好时，纵测线方向上的叠加次数通常取大于二维叠加次数的1/2～2/3倍。而且，在地质情况复杂、信噪比低的地区应有较高的叠加次数，信噪比高的地区可适当降低叠加次数，但一般应高于12次覆盖。

（4）炮排间距。炮排间距，可用公式表示为：

式中：n——地震仪总接收道数；

b——线束内接收线数。

（5）极限炮检距。最大炮检距Xmax的选择既要考虑到求取速度的精度及压制多次波的效果，也要考虑到动校正拉伸畸变对高频信号的影响。一般简单取为最浅目的层深度Hmin的1.2倍或最深目的层深度Hmax。

3 最优性价比的观测系统设计方法研究模型

3.1 质量最优模型

将观测系统质量最优问题，转化成观测系统参数与地球物理目标论证参数之间差值最小问题，将目标参数结合起来，给定不同的权值，利用数学上的最优化算法，求出质量最优的观测系统，其数学模型可以表示成如下的形式：Emin{H(Fx，Fy，NL，RLS，SLS)}，其中：H(Fx，Fy，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

考虑在每平方公里成本函数最小化的要求下，而得出一个观测系统优化设计的数学模型：Cost(Fx，Fy，NL，RLS，SLS)=Cr+Cc+Cp。

上述表达式中的符号的含义可以参见表1的说明。

表1 与观测系统以及地震采集成本有关的参数符号表

4 应用实例分析

以下以山西晋中和顺某矿区的煤田三维地震观测系统优化设计过程为例简要说明三维地震观测系统优化设计的基本流程。

4.1 研究区地球物理特征

（1）表、浅层地震地质条件。表层地震地质条件北部较差，南部稍好，由于第四系薄，部分地段基岩出露，覆盖层、松散层浅，浅层地震地质条件较好。

（2）中深层地震地质条件。本区本次勘探的主要目的层为8#煤层、15#煤层，煤层的顶底板岩性多为砂岩，煤层与围岩波阻抗差异明显，煤层顶、底板与煤层的物性差异较大，有利于得到较好的反射波，因此本勘探区的中深部地震地质条件较好。

4.2 观测系统设计方案及优化选择

设计的方案中两个方案为8线8炮观测系统，2个方案为10线8炮观测系统，分别为单边激发和中点激发。其具体参数见表2。

表2 方案参数对比表

结合部分权重较大的参数模拟1km2的满覆盖区域的费用概算作对比分析，由上面实验模拟得出的工区参数可以得出如表3所示的成本概算表。

由表3不难看出，方案四即10线8炮中点激发观测系统的成本显然低于其他方案的成本，结合实际若单位内检波器数量较充裕，采用10线8炮中点激发观测系统是相对优化的一个方案。

5 结论

（1）对于三维地震勘探观测系统设计，只要能满足地质任务即可，不要过分强调高炮密度、大炮检距、小面元。

（2）在观测系统设计过程中，充分考虑工程投入与预计效益比。

（3）要将排列长度、炮密度、道距等施工参数与施工日效结合起来。

（4）不要片面强调某一项参数，三维地震勘探工程成本是由多个参数结合在一起来决定的。

（5）三维地震勘探观测系统设计应由设计人员与工程管理人员共同来完成。

表3 单位满覆盖面积成本概算表

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1004-5716(2015)02-0134-03

2014-03-20

2014-03-20

苏海伦（1988-），男（汉族），河南南阳人，西北大学地质学系在读硕士研究生，研究方向：物探技术、区域构造学。