吴有亮 沙 椿 李金玺

(1.中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川 成都 610017；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072； 3.成都理工大学信息工程学院，四川 成都 610059)



三维微地震监测中射线追踪算法的研究与应用

吴有亮1沙 椿2李金玺3

(1.中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川 成都 610017；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072； 3.成都理工大学信息工程学院，四川 成都 610059)

通过建立三维地质体模型、设计射线追踪算法等，对四川省某水电站围岩施工阶段进行了三维微地震监测，并介绍了具体的监测方法，监测结果表明，三维地震监测方法在实际工程应用中取得了良好的效果。

三维微地震监测，射线追踪，反演定位

1 概述

微地震监测技术是依据各传感器记录下的微地震事件波形信号，通过分析来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术,其基础是声发射学和地震学。目前三维微地震监测，存在几个主要关键难点：首先，地质模型的剖分既要满足精度的要求，又须尽量减少数据量；其次，面对超大数据量时算法低效问题。三维微地震监测随地质体的增大及地质模型精细度的提高，数据量以幂级数增长，应该设计高效的射线追踪算法解决传统算法在处理海量数据效率不高的问题。解决好上述问题，直接决定三维微地震监测研究在工程方面的实用性、可行性。

微地震事件定位流程图见图1。

2 建立地质体速度模型

地质体速度模型的描述通常采用网格划分(三维为正方体、平行六面体等)和层状结构描述。对于复杂构造地质体监测建立速度模型，要设计适当的地质体单元，对目标地质体进行剖分,通过井间地震等方法获得目标地质体的精细速度，并将其赋给每个相应的地质体单元。

采用立方体单元构建地质体速度模型，常见有以下几种形式：

分别采用如图2a)，图2b)及图2c)所示几种节点分布不同的立方体单元，分别以这三个单元模型对500×500×500单位长度的地质体进行剖分，其数据节点数见表1。从表中可以看出，随着地质体单元刻画的复杂化，数据量呈幂级数增加，同时使得正演走时计算效率迅速降低。但是如此可以明显改善由于节点稀疏造成的射线路径呈“之”形情况，使得射线路径更加切合实际，计算精度有大幅度提高，这直接关系到定位结果的精确、有效性。

表1 节点数据量统计表

采用的剖分单元a单元模型b单元模型c单元模型数据节点数/个10303011327150161751501

对地质体进行钻孔波速测试层析成像，为划分的各个单元进行速度赋值，完成速度模型的构建。

3 最小走时射线追踪算法

最小走时计算的目的是地质体中每个离散节点到其他所有节点的路径、走时。计算精度和效率是射线追踪方法好坏的主要依据。在三维微地震监测中数据量、计算量惊人，须提高射线追踪算法效率。

提高算法效率，主要有三个方面：1)改进数据结构；2)对数据进行排序；3)缩小搜索下一个最小权值的范围。

首先，节点的数据结构采用动态分配三维数组、双向链表，同时将数据节点的空间坐标与内存地址建立一一映射，实现随机访问节点和事件复杂度为0(1)的删除、插入节点操作，拥有了顺序结构和链表的双重优点。

其次，对数据排序，其排序范围仅为进栈点的所有邻接点。

最后，重新组合，按广度遍历方式、以圆环向外扩展，搜索路径是以一个半径逐渐扩大的圆环向外扩散搜索。

具体算法流程见图3。

以100 m×100 m×100 m单位长度的地质模型为例，采用图2c)剖分单元(边长为5个单位长度)，其数据节点数为518 301，使用同一台计算机进行射线追踪计算，采用常规最小走时算法耗时通常要数小时，而经改进后只需要约3 min。

4 微地震事件反演定位

微地震事件的反演定位采用传统的改进经典Geiger算法。对定位算法的各种方法的讨论，都基于一个准则：时间残值的处理。对于给定的速度模型，时间残值被限定为地震波到时的观测值与计算值之间的差。定位流程如图4所示。

5 实际工程中的应用

5.1 工程概况

四川省一国家一级水电站大坝设计高度305 m，水电站坝区山高坡陡，两岸山体地应力高，左岸存在深部裂缝、低波速松弛岩体、煌斑岩脉及断层等复杂地质条件。在地下洞室开挖施工过程中，其围岩将发生卸荷松弛，为了保证施工的顺利进行，并为未来电站的正常运行提供相关参数，在水电站施工阶段对围岩进行三维微地震监测。

5.2 三维微地震监测

对工区500 m，800 m，500 m范围采用边长为10 m立方体单元进行剖分,采用有13个传感器用于地震信号采集。13个多分量传感器坐标见表2。

在接收到有效信号后，经过对所建立的速度反演，定位出微地震产生位置。

5.3 监测成果

图5中观测走时为读取各个传感器的走时，计算走时是微震点在已建立模型中到各个传感器的理论走时。

表2 传感器坐标

1)微地震事件1。各个传感器的读数如表3所示，监测反演得到的微震点坐标为(174，430，0)，图5为相似拟合曲线。

表3 事件1走时表

台站123456789观测走时135.8122141.5140.5129.3140.5136.5126.5127.5计算走时130.410126.918143.684139.871143.744141.768143.429128.174139.044

2)微地震事件2。各个传感器的读数如表4所示，监测反演得到的微震点坐标为(10，250，292)，图6为相似拟合曲线。

表4 事件2走时表

3)微地震事件3。各个传感器的读数如表5所示，监测反演得到的微震点坐标为(296，608，30)，图7为相似拟合曲线。

表5 事件3走时表

两条相似拟合曲线的相似程度反映了实际微震点与模拟计算出来微震点接近程度，也反映了定位结果的可靠性。从上述定位结果以及实际情况分析来看，此三维微地震监测方法可行、有效。

6 结语

1)理论与实际证明,所设计的射线追踪算法及所采用的剖分方法对构造较为复杂地区进行三维微地震监测具有可行性。2)微地震监测不仅可以定位出微震发生的空间坐标，还可以通过确定相对时差Δt，进而确定出微震发生时刻，实现时空的四维定位。3)两条相似拟合曲线的相似程度反映了实际微震点与模拟计算出来微震点接近程度，但由于实际地质体的复杂性，定位结果可能存在奇异性，实际应用中应结合实际剔除奇异结果。

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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

吴有亮(1981- )，男，硕士，工程师

TU352

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