基于云平臺的微地震數值模擬系統研究

梅麗斯， 吳 琳， 劉 歡， 王 亮， 白 明， 李文煜

(1. 中國地質調查局 發展研究中心，北京 100037； 2. 國土資源部 地質信息技術重點實驗室，北京 100037； 3. 成都理工大學 數學地質四川省重點實驗室，成都 610059)

0 引言

云平臺構建了一套貫穿資料收集、野外采集、室內整理、資料匯交、數據服務、產品服務、資源管理等全流程的地質云環境，實現了“互聯網+地質調查”的深度融合[1]，能解決地質大數據的存儲問題[2]，進一步促進數字找礦與定量化礦產資源預測[3]。地質數據通過云平臺，利用聚類、降噪、識別等多種地質數據處理方法實現了人機交互，實現了巖性識別、構造特征分析、礦產資源預測等方面的工作[4]。因此，采用云平臺已成為現在地質數據處理的首選技術方案之一[5-7]，本次研究采用也是云平臺，目的是以巖石數據、測井數據、地震數據為基礎，以并行化技術為手段，開發微地震數值模擬，通過云平臺和三維可視化技術進行三維地質模型展示，為儲層預測分析服務。

1 云平臺的搭建

以巖石數據、測井數據、微地震數據為基礎，以并行化技術為手段，開發微地震數值模擬，并通過云平臺和三維可視化技術進行三維地質模型展示。總體技術架構將采用BS三層體系的結構，采用WEB方式提供服務，提供各種應用和基本服務。通過建立統一的業務模型，利用系統服務、系統組件和業務組件搭建平臺應用系統，通過統一接口標準，實現業務應用系統的集成，技術架構見圖1。

技術架構主要是考慮到基于并行化的微地震數值模擬和基于云平臺和三維可視化展示建設的現狀和發展需求，系統應用平臺應該具備跨平臺、支持多種數據庫環境的能力，采用構件化設計方式，易于擴展和維護。

2 微地震數值模擬方法

微地震技術是地球物理研究的熱點技術之一，可以實時監控研究區地下微小的信號并對其進行精確的定量研究，為采礦、防災等工作提供了大量有益信息，受到日益廣泛的關注和應用[8]。微地震數值模擬是研究微地震技術的重要內容，其核心算法包括射線追蹤正演算法和波動方程正演算法[9]。

圖1 基于云平臺的微地震數值模擬和基于云平臺的 三維可視化展示技術架構圖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型。以單震源單傳感器為例，設介質為層狀結構，震源位置為Ps(xs,ys,zs)，傳感器位置為Pg(xg,yg,zg)，射線終點為Pe(xe,ye,ze)。當震源和傳感器在同一層，則射線走時為式(1)。

(1)

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

(2)

(3)

(4)

其中：hi為第i層的層高[10]。

2.2 波動方程正演算法

波動方程法是因其波場齊全，信息豐富而成為研究地震波場特點的最根本方法[9]。在實際的地震波場數值模擬工作中，需根據儲層模型來選擇模擬方程。根據模擬方程的不同，波動方程數值模擬主要包括：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方程正演模型設計正演算法，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

初始地質模型為：

p(x,zi,ω)=u(x,zi,0)

(5)

地震波場為：

(6)

利用快速付氏變換將地震波場p(x,zi+1,ω)變到頻率波數域

p(kx,zi+1,ω)=F(p(x,zi+1,ω))

(7)

kx為x方向波速，延拓波場需結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

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)。利用波場插值得到插值波場p(x,zi+1,ω)。重復計算地震波場到插值波場過程直到達到最大深度。當插值得到的插值波場與原始地震剖面數據基本一致時，計算結束，輸出地質模型。

3 云平臺的微地震數值模擬系統

在云平臺上需預先配置Linux系統和GPU并安裝CUDA、QT4、Coin3D和SoQt。系統主要功能包括觀測系統編輯，作業流管理，速度建模，射線追蹤，震源定位，波動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。

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

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

4 結論

針對微地震正演計算量大的特點，筆者架設云平臺建設架構，在云平臺上設計開發了基于射線追蹤算法和波動方程的并行化微地震正演系統，實現了云平臺上的微地震資料處理與三維展示，可為儲層預測分析服務。