基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法与流程

本发明涉及地球物理探测，特别涉及基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法。

背景技术：

1、微地震监测技术用于监测地下介质微小破裂信号，可对大型动力地质灾害的预警、预报提供技术支撑。微地震监测的一个重要任务是描述地下破裂的三维空间展布情况，所以精确的微地震定位方法是微地震数据处理流程中的重要一环。

2、基于地震波旅行时的定位方法利用潜在的微地震震源与数个检波器之间的地震波旅行时、空间坐标位置关系建立目标函数，通过最优化算法计算目标函数的全局最小值得到真实的震源位置。基于地震波旅行时的定位方法计算效率高、结果精确，是微地震定位领域的经典方法之一，但此类方法容易受到地下介质地震波速度参数的干扰，如果地下介质的速度测量误差大，或者在微地震监测过程中地下介质的速度发生改变，都会导致定位结果误差增大，定位失败。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，能够同时计算震源位置和地下介质的平均速度，避免由速度参数不精确带来的定位误差，同时可以更新地下介质的平均速度，降低由地下介质产生变化对定位精度造成的影响。该方法在震源定位前无需给出精确的地下介质平均速度，只提供平均速度的大致数值范围，在定位反演迭代计算的过程中，同时搜索真实平均速度，联合反演震源位置和速度参数，消除速度参数对定位结果精度影响的同时，更新速度模型，提高定位精度。

2、本发明公开了一种基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，包括：

3、步骤一：设置微地震监测区域内的等效平均速度估计范围，其中等效平均速度最大值为vmax、等效平均速度最小值为vmin，并将等效平均速度估计范围进行总数量为n点的均匀离散，得到n个离散等效平均速度估计值vn，vn的下标n为离散序号，n＝1,2,...n；

4、步骤二：设置模拟退火迭代初始温度t0、迭代终止温度tm、热平衡迭代总次数k以及最优迭代向量其中下标best代表当前最优迭代向量(值)，为震源位置最优迭代向量，(xbest,ybest,zbest)为震源位置三维坐标，vbest为等效平均速度最优迭代值；

5、步骤三：建立在瞬时温度为tm，离散等效平均速度估计值为vn，第k次热平衡迭代，第m次温度下降时的震源迭代向量与迭能量函数并令温度下降次数m＝0；瞬时温度tm＝t0；

6、步骤四：令迭代次数k＝0，对震源位置迭代向量在监测区域范围内随机赋值，并与步骤一中得到的n个离散等效平均速度估计值vn组成n个迭代向量分别代入能量函数中，得到n个能量函数值取其中最小的能量函数值以及对应的迭代向量，分别记为

7、步骤五：令迭代次数k＝k+1，在监测区域范围内随机选取新的震源位置迭代向量并更新目标函数值；

8、步骤六：计算第k次和第k-1次迭代计算的最小能量函数差值

9、步骤七：根据最小能量函数差值更新当前最优迭代向量

10、步骤八：根据迭代次数k与迭代热平衡次数k的关系，更新迭代次数k，判断是否更新瞬时温度tm；

11、步骤九：更新温度下降次数m，降低瞬时温度tm，判断是否满足停止迭代条件并输出当前最优迭代向量作为联合反演结果。

12、进一步地，所述的步骤一中，设置微地震监测区域内的等效平均速度估计范围并进行n点均匀离散，具体形式为：

13、

14、进一步地，所述的步骤二中，联合反演方法迭代开始过程由迭代初始温度t0控制，结束过程由迭代终止温度tm控制，在同一温度下迭代次数由热平衡迭代总次数k控制，迭代过程不断更新最优迭代向量其中，为震源位置最优迭代向量，vbest为等效平均速度最优迭代值。

15、进一步地，所述的步骤三中，联合反演方法通过迭代计算得到能量函数最小值，实现震源位置和震源平均传播速度的联合反演，能量函数的具体定义为：

16、

17、其中，j为检波器序号，j为检波器数量，a为目标函数放大系数，vn为第n个离散等效平均速度估计值，tj为第j个检波器接收到的微地震达到时间，为微地震源发震时刻的估计值，为两个向量在三维空间中的距离；反演迭代开始时，并令温度下降次数m＝0；瞬时温度tm＝t0。

18、进一步地，所述的步骤四中，令迭代次数k＝0，并在监测区域随机选取一个震源位置迭代向量与n个离散等效平均速度估计值vn组成n个迭代向量代入能量函数得到n个能量函数值取最小的能量函数值以及对应的迭代向量，分别记为具体定义为：

19、

20、

21、进一步地，所述的步骤六中，计算第k和k-1次迭代的最小的能量函数差值，具体方式为：

22、

23、进一步地，所述的步骤七中，根据第k和k-1次的最小的能量函数差值判断因子在0至1的闭区间范围内选取随机数r，更新当前最优迭代向量具体方式为：

24、

25、其中，判断因子当迭代向量和当前最优迭代向量完成更新后，进入所述的步骤八。

26、进一步地，所述的步骤八中，判断迭代次数k与迭代热平衡次数k的关系，如果k<k，进入所述的步骤五；如果k＝k，进入所述的步骤九。

27、进一步地，所述的步骤九中，对控制迭代的温度参数进行降温处理，令m＝m+1，tm＝t0×0.99m，如果tm<tm，令k＝0，进入所述的步骤四；如果tm≥tm，则停止迭代，输出当前最优迭代向量

28、本发明至少具有以下有益效果：

29、本发明首先给定地震波的大概速度范围，并对速度范围进行n点均匀离散，与潜在的微地震震源空间位置向量组成n个迭代向量，在进行迭代计算时，利用模拟退火法在空间随机搜寻震源最佳位置的同时，也遍历查找可使目标函数取得当前最小值的速度值。该方法利用迭代初始温度、终止温度和热平衡迭代次数控制联合反演算法的迭代过程，当迭代计算停止时，可以得到准确的震源空间位置和地下介质的地震波平均传播速度。该方法可有效避免速度参数不准确对基于地震波旅行时的微地震定位算法精度的影响，在得到精确定位结果的同时，联合反演得到的速度结果可对速度模型进行实时更新。

30、本发明的其他有益效果将在具体实施方式部分详细说明。

技术特征：

1.一种基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤一中，设置微地震监测区域内的等效平均速度估计范围并进行n点均匀离散，具体形式为：

3.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤二中，联合反演方法迭代开始过程由迭代初始温度t0控制，结束过程由迭代终止温度tm控制，在同一温度下迭代次数由热平衡迭代总次数k控制，迭代过程不断更新最优迭代向量其中，为震源位置最优迭代向量，vbest为等效平均速度最优迭代值。

4.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤三中，联合反演方法通过迭代计算得到能量函数最小值，实现震源位置和震源平均传播速度的联合反演，能量函数的具体定义为：

5.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤四中，令迭代次数k＝0，并在监测区域随机选取一个震源位置迭代向量与n个离散等效平均速度估计值vn组成n个迭代向量代入能量函数得到n个能量函数值取最小的能量函数值以及对应的迭代向量，分别记为具体定义为：

6.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤五中，令k＝k+1，随机更新震源位置迭代向量重新计算新的迭代向量

7.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤六中，计算第k和k-1次迭代的最小的能量函数差值，具体方式为：

8.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤七中，根据第k和k-1次的最小的能量函数差值判断因子在0至1的闭区间范围内选取随机数r，更新当前最优迭代向量具体方式为：

9.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤八中，判断迭代次数k与迭代热平衡次数k的关系，如果k<k，进入所述的步骤五；如果k＝k，进入所述的步骤九。

10.根据权利要求1所述的基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，其特征在于，所述的步骤九中，对控制迭代的温度参数进行降温处理，令m＝m+1，tm＝t0×0.99m，如果tm<tm，令k＝0，进入所述的步骤四；如果tm≥tm，则停止迭代，输出当前最优迭代向量

技术总结
本发明公开了提供了一种基于模拟退火法的微地震震源与速度联合反演方法，能够同时计算震源位置和地下介质的平均速度，避免由速度参数不精确带来的定位误差，同时可以更新地下介质的平均速度，降低由地下介质产生变化对定位精度造成的影响。该方法在震源定位前无需给出精确的地下介质平均速度，只提供平均速度的大致数值范围，在定位反演迭代计算的过程中，同时搜索真实平均速度，联合反演震源位置和速度参数，消除速度参数对定位结果精度影响的同时，更新速度模型，提高定位精度。

技术研发人员：姜天琪,缪海宾,何帅,王丹,苑睿洋
受保护的技术使用者：中煤科工集团沈阳研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13