基于先验信息驱动的金属矿地震优化采集与散射波场高维重建研究

High-resolution seismic reflection method is the most promising technology for exploration of metal deposit deeper than 1000 meters. However, seismic wavefield energy of metal deposit mainly consists of scattered wave because of high inhomogeneous and small-scale characteristics of medium. Furthermore, complicated and steeply dipping structure of metal deposit are needed three dimensional seismic imaging techniques to be identified. In this study, we redesign spatial distribution of the seismic sources and receivers for optimized acquisition geometry of metal-deposit seismic exploration based on prior geological information and sparse representation theory. Meanwhile, we reconstruct the three-dimension scattered wave field of pre-stack seismic gathers by using a combination of multi-scale sparse-transform domain and a sparsity-promoting iterative inversion strategy. Therefore, a dense regular grid of scattered wave field is obtained by a high-fidelity anti-aliasing five-dimensional reconstruction algorithm. For quantitative evaluation of acquisition geometry and regularized scattered data, directional illumination analysis is applied to target detection of geological bodies. Eventually, an optimal relationship between target-driven acquisition geometry and five-dimensional reconstructed technique of scattered wave is established, which can provide the basic data for high-resolution three dimensional imaging of metal deposit.

高分辨率反射地震方法是深度大于1000米金属矿勘查最有前景的技术。然而，金属矿区介质的非均匀、小尺度特征，使矿体的地震波响应以散射波能量为主，复杂陡倾矿体的构造要用三维地震观测和成像技术才能查明。本课题以金属矿地质体非均匀性与尺度等先验信息作为驱动，基于稀疏表示理论，对金属矿地震的震源和检波器分布进行空间稀疏化采集和优化，以获得最优的地震采集观测系统；同时对稀疏化采集的数据进行反假频高维重建散射地震波场，使用组合域多尺度稀疏变换方法五维重建叠前地震道集，通过稀疏约束迭代反演保真重建散射波能量，得到密集规则网格测网的散射地震波场道集，采用方向照明方法定量评价规则化的地震数据对目标地质体的探测效果；最终建立面向目标的稀疏化采集方案和保真散射波场的五维重建技术，以及两者之间的最优表达，为金属矿地震数据的三维高精度成像提供基础数据保障。

勘探地震观测系统设计有关于勘探成本和施工效率，尤其是对于小尺度高陡倾角地质体的探测，不仅要考虑小面元高覆盖次数，也要考虑大偏移距观测；而复杂地质体地震强散射波场的观测和规则化重建，将是此类地质体成像的关键。项目的研究成果包括：①强散射介质模型的地震波场模拟计算，可以更好地分析此类介质情况下地震波场的传播规律；②散射波场高维数据重建研究，基于稀疏变换和约束优化方法，数据重建过程符合地震波场运动学规律，也较大程度恢复了散射波场的动力学特征；③小尺度地质体地震观测系统优化设计与实例分析，以新疆阿舍勒铜矿区二维三维地震观测为例，优化设计了野外观测系统，保证较高较为均匀的覆盖次数的同时，降低采集成本；④地震波场定向照明方法研究与观测系统评价，设计了复杂地表情况下地震波场定向传播的震源布置方式，研究了相控震源，组合震源激发地震波场，以及在这些情况下的地震波场照明度计算；⑤小尺度散射体地质体模型的最小二乘逆时偏移成像研究，将油气勘探应用成功的逆时偏移技术推广到小尺度金属矿体成像之中，在最小二乘偏移框架下约束小尺度散射波场能量，可以提高成像分辨率，震源编码等策略提高计算效率。项目取得的成果提高了地震勘探在金属矿探测中的实用性，节约了地震观测的采集成本；研究的数据重建方法不仅可以用于勘探地震数据规则化，也可以应用于信号处理的其它领域。