基于多級多尺度網格相似性系數計算的微震震源定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明是一種基于多級多尺度網格劃分的利用相似性系數的微地震定位反演方 法，涉及地球物理探測技術領域，特別涉及微地震監測定位反演方法。
【背景技術】
[0002] 地下的微小震動作為地下介質大型動力災害的前兆，對于微震震源的實時定位， 可以有效的監測地下介質的破裂情況以及對于大型動力災害的預防提供信息。在微地震監 測工作中，如何準確的對微震震源進行定位是監測工作成功的關鍵。微震監測因其可以實 時監控介質破裂程度的特點，已大量運用在工程領域中，在煤礦系統利用微震監測判斷煤 層頂底板破裂情況，在工程物探中利用微震來判斷粧基介質的內部情況。
[0003] 目前成熟的微震震源定位算法大多是基于蓋格理論的方法，通過檢波器空間位 置、地下介質體速度和地震波到達檢波器的時間的關系建立方程組，基于最優化理論求得 定位結果。基于蓋格理論的定位過程一種是利用非線性反演算法中目標函數的幾何性質尋 求迭代方向尋求最優值。但是這種手段往往使最終結果尋求到局部的最優值導致定位結果 不精確。另一種則是利用在搜索空間的隨機搜尋來尋找全局的最優值來減低反演算法陷入 局部最優的危險。
[0004] 基于蓋格類的定位方法在地震數據信噪比高的情況下可以進行準確的定位，但是 微地震監測中得到的數據信噪比較低，利用蓋格方法對數據進行定位處理往往得不到理想 的定位結果。另外，面對大量地震數據，蓋格類方法只是利用了地震波的旅行時間，丟棄了 地震數據中的波形數據。
[0005] 基于相似性系數計算的定位方法是一種同時利用地震波旅行時和地震波形數據 計算相似性系數進行定位的方法，在低信噪比或速度模型較復雜時該方法的定位精度較之 蓋格類方法有所提高，在天然地震定位中得到了很好的應用。微震震源定位借鑒天然地震 定位的方法，對基于相似性系數計算的定位方法開展了研究并取得了一定的應用成果。然 而微震震源定位在指導資源開采時，對方法的實時性和定位精度都要求較高。為了同時達 到較好的定位精度和實時性，本發明提出一種基于多級多尺度網格劃分的相似性系數計算 方法。首先通過對定位空間進行稀疏且均勻的網格劃分得到對應的網格點，計算網格點中 相似性系數最高的網格點;然后對相似性系數計算結果最大值的網格點附近的空間進行密 集的網格劃分，再一次對網格點進行相似性系數的計算，直至定位精度達到要求，最終得到 的相似性系數值最高的空間點就可認定是最終的微震震源位置。
[0006] 本算法的目的在于多級多尺度的網格劃分同時提高了定位方法的計算效率和計 算精度，利用相似性系數定位的方法通過利用地震波形數據進行精確的微震震源定位。此 外，本方法不用拾取地震波從震源到檢波器的旅行時間，避免了蓋格法在地震信號信噪比 不高的情況下，拾取地震波旅行時不準確造成定位不理想。
【發明內容】
[0007] 本發明是為了解決傳統基于相似性系數計算的震源定位算法計算效率和計算精 度無法同時提高，應用在微震震源定位時精度和實時性無法同時滿足，導致應用范圍受限 的問題，通過多級多尺度網格劃分，較之傳統均勻網格劃分時相似性系數計算的定位方法， 同時提高了定位方法的計算效率和計算精度，滿足微震監測實時性的同時，實現震源的精 確定位。
[0008] 基于多級網格劃分和相似性系數的微震震源定位方法的基本實現步驟如下：
[0009] 步驟一:將微震監測區域均勻離散化為i行Xj列的網格模型，從原點處逐行進行 編號，將對應的網格分割點坐標位置存儲在i行X j列的二維數組Lo中，同時建立i行X j列 的二維數組U，數組U中元素的值為數組Lo中對應網格分割點的平均傳播速度，1^的編號順 序同Lo;
[0010] 步驟二:根據數組LdPU中的值，計算i行Xj列的網格模型中每一個網格位置到每 一個檢波器的地震波旅行時，并存儲在i行X j列Xm道的三維數組L3中，其中m道表示檢波 器道數；
[0011] 步驟三:選取長度為N的時窗，根據數組L3中對應的地震波旅行時對時窗進行移 動，選取視窗內的地震振幅參數；
[0012] 步驟四：根據時窗內選取的振幅信息，將相同行數和列數處對應的所有道的振幅 進行相加，計算相似性系數，并將結果存在存儲在i行Xj列的二維數組1^中的對應位置；
[0013] 步驟五:選取步驟四二維數組L2中相似性系數最大的點，以這個點對應的Lo空間坐 標位置作為暫時的定位結果；
[0014] 步驟六:對步驟五中得到的相似性系數最大的網格進行密集地劃分，將其均勻離 散化為i行X j列的網格模型，將每個網格分割點對應的空間坐標和空間平均傳播速度分別 存入步驟一中提到的二維數組Lo和U中，重復步驟二至對步驟五，直至定位精度滿足要求；
[0015] 步驟七:將步驟六中計算得到的相似性系數最大的網格點，對應到Lo數組對應的 真實物理空間位置處，并將該位置是最終的微震震源定位結果。
[0016] 進一步的，在所述步驟一中，根據監測區域的大小將其等效成長方形剖面，在對監 測區域的大小和網格的大小進行設定后，以坐標軸原點處的網格為起始，編號為1，以測線 方向為行，垂直測線方向為列，逐行依次編號，從而將剖面劃分為i行和j列，并將對應行數 和列數處網格分割點對應的空間坐標存儲在數組L〇中，網格內平均速度的值存入二維數組 U中；若監測空間是三維空間，則可將該區域等效成長方體，二維數組LdPU需要擴充為三 維數組。
[0017] 進一步的，所述步驟二中，每一個網格劃分點到每一個檢波器的地震波旅行時的 具體表示為：
[0018] 其中/；；Hi表示三維數組U中第i行和第j列所對應的網格點所對應到第m道檢波器 的地震波旅行時;Xl，^表示Lo中第i行和第j列對應空間位置的坐標;Xm，ym表示第m道檢波器 的坐標。為二維數組1^對應的第i行和第j列網格點的空間物理位置的平均傳播速度。
[0019] 進一步的，所述步驟三中，選取長度為N的時窗，根據數組L3中對應的地震波旅行 時對時窗進行移動，選取時窗內的地震振幅參數，其中時窗的長度N至少要大于權利要求1 步驟二中計算得到的數組U中的最大值。
[0020] 進一步的，所述步驟四中，據時窗內選取的振幅信息，將相同行數和列數處對應的 所有道的振幅進行相加，計算相似性系數，并將結果存在存儲在i行Xj列的二維數組1^中 的對應位置，其具體形式為：
[0021] 其中是表示二維數組1^中，第i行和第j列對應的網格點的相似性系數，N表示時 窗的長度，Μ表示檢波器的個數，表示對第m個地震道的數據，將時窗進行長度 為的移動后，時窗內第η個點的地震數據幅值。
[0022] 進一步的，所述步驟五中，選取步驟四二維數組1^2中相似性系數最大的點，以這個 點對應的Lo空間坐標位置作為暫時的定位結果;若監測區域出現多個微震震源，則需要建 立一個閾值，超過閾值的相似性系數則被認定為暫時的定位結果，對應的空間網格處都需 要再次加密細分。
[0023] 進一步的，所述步驟六中，對步驟五中得到的相似性系數最大的網格進行密集地 劃分，將每個網格分割點對應的空間坐標和空間平均傳播速度分別存入步驟一中提到的二 維數組Lo和U中，重復步驟二至對步驟五，直至定位精度滿足要求。
[0024] 進一步的，所述步驟七中，其特征在于將步驟六中計算得到的相似性系數最大的 網格點，對應到數組Lo中對應的真實物理空間位置處，并將該位置作為最終的微震震源定 位結果。
[0025] 本發明的技術方案，首先通過對監測區域進行稀疏且均勻的網格劃分，計算網格 點對應的相似性系數，得到一個距離真實位置比較接近的空間位置，再以此位置為中心，以 一定的范圍進行密集的網格劃分，再次通過計算相似性系數，選取相似性系數值最大的點 作為最終的定位結果。這樣，能夠避免監測區域整體的密集網格劃分造成的計算時間過長 的缺點，也能夠避免由于整體的稀疏網格劃分導致的定位精度過低的缺點，最終實現尚效、 高精度的微震震源定位。 【附圖說明】 圖1是基于多級多尺度網格相似性系數計算的微震震源定位方法的流程框圖。 【具體實施方式】 基于多級網格劃分和相似性系數的微震震源定位方法的基本實現步驟如下： 步驟一:將微震監測區域均勻離散化為i行Xj列的網格模型，將對應的網格分割點的 坐標位置存儲在i行X j列的二維數組Lo中，從原點處逐行進行編號，建立i行X j列的二維 數組U，數組U中元素的值為對