基于反时到时差数据库的微地震/地震震源快速定位方法与流程

本发明涉及震源定位
技术领域：
，特别是指一种基于反时到时差数据库的微地震/地震震源快速定位方法。
背景技术：
：近年来，随着我国国民经济的不断发展，基础设施建设的速度不断加快，相应的岩土工程安全问题也不断出现。尤其在采矿、隧道掘进及深部硐室开挖等岩体工程领域，冲击地压、岩爆等突发性动力灾害严重威胁人民群众的生命财产安全。虽然这些突发性灾害一般在发生前有一定征兆，但是由于缺乏准确的预测预报，往往给人员财产造成重大损失。在矿山、隧道掘进、深部硐室开挖等岩体工程中，采掘活动会引起岩体内局部区域的变形或破裂，导致应变能迅速释放而产生瞬态弹性波，这种现象被称为微地震。由于微地震是岩体变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，它与围岩结构的力学行为有着密切的相关性，因此，微地震震源信号中包含了大量的关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息，可据此推断岩石材料的力学行为，预测围岩结构是否发生破坏。近年来对围岩远场致灾动载源进行实时监测预警的微震监测技术已广泛应用于岩体工程领域，其是对岩爆、冲击地压以及采空区垮塌等灾害预测预报的最有效的监测方法之一。微震震源定位是微震监测技术的核心，能否进行快速、精确的定位是微震监测系统能够发挥作用的关键。传统的微震定位方法大多涉及迭代求解时间函数的最优值问题，但在数据量庞大的情况下，迭代过程会浪费大量宝贵的动力灾害预测预警时间，因此对震源的快速、精确求解是微震定位算法的努力方向。同时，传统的定位理论一般假设波速为常量或者分段函数，但是现实地质条件下的速度场往往十分复杂，而速度模型的精确与否直接决定了微地震事件定位的精度。基于此，本发明提出一种基于反时到时差数据库的微地震震源快速定位方法，适用于复杂速度模型的快速定位。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种基于反时到时差数据库的微地震/地震震源快速定位方法，通过预先对监测区域进行数值建模及网格划分，并布设传感器，利用传感器反时矩阵建立特征震源点反时到时差数据库，利用数据库的快速匹配特点对实际震源进行定位，同时通过提高网格划分密度，可达到快速、精确定位的目的，并适用于复杂速度模型。本发明方法的具体步骤为：a.在被监测区域布设1个以上的传感器，ti(i＝1,2,...,n)表示第i个传感器，传感器ti的位置坐标为(xi,yi,zi)；b.对被监测区域进行数值建模，并进行网格划分，将每个网格节点作为代表该位置的特征震源点si(i＝1,2,...,n)，特征震源点si位置坐标为(xoi,yoi,zoi)；c.离散化速度模型，取步骤b中每个网格点波速的倒数建立慢度模型矩阵r(x,y,z)；d.以每个传感器为反时震源点，运用快速搜索法进行反时定位计算特征震源点si反时到时矩阵ni；e.针对每个特征震源点si建立反时到时差矩阵fni，进而建立特征震源点si的反时到时差数据库；f.利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的到时时间；g.计算任意两传感器的到时差，建立震源到时差矩阵，并与特征震源点si的反时到时差数据库进行匹配搜索，对震源进行实时快速定位。其中，本发明方法中所布设传感器为检波器。上述步骤d中，运用快速搜索法(fsm)计算反时到时矩阵具体如下：该方法对于解决弹性波传播问题，运用程函方程(eikonalequation)将传播路径几何化。程函方程基本形式如下：|▽u(x)|＝r(x)，x∈rnu(x0)＝0，x0∈rn其中，r(x)为介质模型慢度；u(x0)＝0为初始条件；u(x)＝φ(x)为边界条件。对于任一网格节点即特征震源点到时值u(x,y,z)，取相邻节点到时值进行逆风差分，即满足如下公式：(a)+＝max(a,0)其中：对于上式进行高斯迭代求解，迭代次数较多，计算效率低下，故提出如下算法：⑴在网格节点处对到时u(x,y,z)赋极大值；⑵设定初始条件、边界条件、速度模型等；⑶运用逆风差分法进行一次迭代，通过r3次搜索计算得到网格节点处最优解(最小值)；具体差分算法：①令ux,min，uy,min，uz,min按照从大到小排列为w≤v≤u，迭代后节点到时更新值为u*，现只考虑等网格划分模型，网格长度h＝dx＝dy＝dz。②令u*＝w+r(x,y,z)*h，若u*≤v，u*即为迭代更新值，否则③若u*≤u，u*即为迭代更新值，否则④进行下一次迭代直到符合收敛条件。步骤e中，反时到时差数据库的建立原理如下：对传感器ti，运用反时定位法，计算出模型中各个特征震源点的反时到时矩阵ni，然后将n个反时到时矩阵按照顺序相互做差得到个反时到时差矩阵fni，将每个特征震源点信息及其对应的反时到时差从个反时到时差矩阵提取出形成一个数列录入数据库，建立特征震源点si的反时到时差数据库。步骤g中震源到时差矩阵与特征震源点si的反时到时差数据库的匹配采用相似度匹配搜索法，相似度高的特征震源点确认为该震源的实际位置。本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明基于数据库快速匹配搜索的特点，在实际微震监测工程中，根据传感器位置，事先建立特征震源点反时到时差数据库，无需对震源进行函数优化迭代求解，因此极大缩减了震源定位所需时间，同时，可利用根据钻孔，勘察等信息建立的复杂速度模型计算到时，极大地提高定位精度。故可快速、有效地进行岩体工程动力灾害预警，给工作人员及设备提供一定有效安全保障。附图说明图1为本发明的基于反时到时差数据库的微地震/地震震源快速定位方法实施例模型示意图；图2为监测区域模型网格划分示例，网格数为10*10*10，网格边长为1m；图3为监测区域内速度模型(以10*10*10网格数模型为例)；图4为不同网格密度下定位误差对比图；图5为不同网格密度下本发明方法计算耗时对比图。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明提供一种基于反时到时差数据库的微地震/地震震源快速定位方法。本方法主要包括如下步骤：a.在被监测区域布设1个以上的传感器，ti(i＝1,2,...,n)表示第i个传感器，传感器ti的位置坐标为(xi,yi,zi)；b.对被监测区域进行数值建模，并进行网格划分，将每个网格节点作为代表该位置的特征震源点si(i＝1,2,...,n)，特征震源点si位置坐标为(xoi,yoi,zoi)；c.离散化速度模型，取步骤b中每个网格点波速的倒数建立慢度模型矩阵r(x,y,z)；d.以每个传感器为反时震源点，运用快速搜索法进行反时定位计算特征震源点si反时到时矩阵ni；e.针对每个特征震源点si建立反时到时差矩阵fni，进而建立特征震源点si的反时到时差数据库；f.利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的到时时间；g.计算任意两传感器的到时差，建立震源到时差矩阵，并与特征震源点si的反时到时差数据库进行匹配搜索，对震源进行实时快速定位。在实际操作过程中，具体步骤如下：(1)为验证本发明的有效性，设计验证模型如图1所示，监测区域复杂速度模型如图3所示，假定有8个传感器t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8分别安装于立方体八个顶点位置，模拟实测震源p1，p2，p3，p4，p5，p6，各点位置坐标如表1和表2所示。表1传感器x/my/mz/mt110010t2101010t31000t41000t50010t601010t7000t80100表2实测震源x/my/mz/mp18.31233.36357.2457p28.32564.36576.1251p31.16587.34799.1866p44.37462.12672.2543p55.37954.25871.1568p62.19648.12534.5894(2)对微震监测区域进行数值建模，并进行网格划分。本例子共采用四种网格密度模型，以其中一种为例，如图2所示，模型划分网格密度为10×10×10，网格边长为1m，共1000个特征震源点，可以传感器ti(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)为反时震源点运用快速搜索方法(fsm)计算得到8个反时到时矩阵。(3)计算每个特征震源点的反时到时差矩阵，建立反时到时差数据库。在有8个传感器的情况下，每个特征震源点共可得到个反时到时差，并组成一个包含56个数据的反时到时差矩阵ni，将反时到时差矩阵数据按照特征震源点si重新排列，建立用于表征该特征震源点到时差信息的反时到时差数据库。(4)利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的到时时间。(5)按顺序计算两传感器间到时差，建立实测震源的到时差矩阵，并利用相似度匹配算法将其与特征震源点反时到时差数据库进行匹配搜索，对实测震源进行实时快速定位，可快速求其位置坐标，其最大误差不大于网格对角线长。不同网格密度下，本发明方法定位误差对比如图4所示，随着网格密度增加，定位精度显著提升。传统定位方法多基于常速度模型进行定位，对于复杂速度模型，定位精度很差甚至不能进行震源定位，而本发明方法在复杂速度模型下仍保持了很高的精度。不同网格密度下，本发明方法计算耗时对比如图5所示，由图5可知，相比较其他传统定位方法，本发明方法计算效率高，并且随着网格密度增大，计算耗时增加幅度不大。综上所述，在实际工程应用中，为保证定位精确性的要求，必然会增加网格搜索密度，由于省去了传统定位方法的大量迭代过程，预先建立反时到时差数据库，故本发明方法可大幅度提高微震震源定位效率，从而为岩体工程致灾动载源的及时预测预报提供技术支持。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12