0 引言

我国东部各大油田、煤田己经进入以高分辨率三维地震勘探为主的时期，西部条件较好的地区在勘探早期已直接进入三维地震勘探，并逐渐向复杂地表地区推广 (邹才能和张颖, 2002).对于在三维地震采集设计中，观测系统参数的选择必须要满足各种地球物理要求、野外施工作业和投资成本的约束.采集设计人员不得不在各种要求之间取得平衡，并将不得不做出某些妥协 (程建远, 2002).因此，这种设计过程也被看作是一种最优化过程.

1 三维地震观测系统设计的概述 1.1 设计要求

在不同地区进行地震勘探，地表和地下的条件不同，选择的观测系统也就不同.就是在同一工区进行勘探，由于不同时期研究的地质对象不同，采用的观测系统也不一样.观测系统的设计受地质任务以及后续处理等各种因素的制约.也就是说观测系统设计要根据具体的勘探问题来设计合理的观测系统参数.此外，野外采集还要受到处理软件和方法的限制以及成本方面的限制.

归纳起来，三维地震数据采集设计需要满足：地质任务和地震地质条件的要求；现行处理软件和方法的要求；野外采集的投资与成本的要求 (石一青和徐继伟, 2005; 尹成等, 2005; 赵虎等, 2010).

1.2 设计的基本流程

对于常规三维地震观测系统设计可以概括五步流程 (图 1)，即：收集相关信息→参数论证→选择合适的观测系统→正演模拟→成本预算.

2 观测系统的优化设计实例

下面结合一个项目 (某煤矿采区内三维地震勘探)，说明在设计阶段、实际施工和生产中的应用.通过实例我们可以在复杂地表条件下对三维观测系统进行优化设计.

2.1 研究区地球物理特征

研究区地面村庄密集、鱼塘、工厂等障碍多.地表多为耕植土，潜水位埋深18~28 m，根据低速带调查资料，褐黄、棕黄色亚粘土波速一般为300~700 m/s，对地震勘探有效波吸收强烈，致使高频信息严重衰减.根据以往小折射资料可知：潜水层地震波速在1200~1800 m/s之间，激发层位选择在潜水面下2~3 m激发，可取得较理想的目的层地震反射波组.本区的村庄较多，连片大，给野外采集带来较大的困难.研究区表、浅层地震地质条件一般，施工难度相对较大.

研究区内主可采煤层为3号煤，煤层埋深350~500 m左右.含煤地层岩性主要为泥岩、砂岩、煤层，一般煤层波速2000~2300 m/s，密度1.46 g/cm³，波阻抗为2920~3358；砂岩波速3300 m/s，密度2.5 g/cm³，波阻抗为8250.泥岩波速一般为2600~3200 m/s，密度2.48 g/cm³，波阻抗为6448~7936.由此知煤层与顶底板岩石的波阻抗差异十分明显.研究区深部地震地质条件较好.

2.2 观测系统及采集参数的选择

采区三维地震勘探解决精细构造能力已被煤矿企业认可，但验证率仍然偏低.常规的束状观测系统属性不理想，为了增加采集方位角的宽度和偏移距的均匀度，更合理的获取更多地下信息，我们采用宽方位的8线5炮砖墙式观测系统.

研究区内村庄多、连片大，给地震采集带来极大的困难.为保证采集质量，拟采用如下思路解决：

变观：对于较小的障碍物 (房屋、池塘、工厂) 采用移动炮点、检波器排列方式，尽可能不改变观测系统采集参数，保证障碍区CMP点有足够的密度和叠加次数.

特观：对于较大的障碍及连片大的村庄，采用特殊观测系统，加密测线，增加接收道数，高密度深井小药量过村，待确定测量结果后，采用设计软件进行优化论证设计.

综合考虑，本次勘探设计采用8线5炮的砖墙式观测系统，满覆盖次数为20次 (检波线距100 m，10 m道距，640道 (8×80)，中间放炮，20次覆盖 (横4次×纵5次)，面元大小10 m×5 m (图 2).并进行与常规的10线8炮20次覆盖观测系统 (40 m检波线距，每次滚动5个线距排列200 m，20次覆盖，面元10 m×5 m) 对比.

2.3 实例分析

通过设计，我们得到砖墙式观测系统与常规线束状观测系统的一些面元属性.由这些属性的对比，我们不难发现砖墙式观测系统明显要优于常规线束状观测系统.

2.3.1 方位角

对比两种观测系统方位角分布图得出：砖墙式观测系统的方位角分布比较均匀 (图 3).从方位角的分布统计图分析砖墙式观测系统的方位角分布明显比常规线束状观测系统要宽，砖墙式观测系统更有利于小构造探测 (凌云研究小组, 2003).

2.3.2 偏移距、玫瑰图

通过对两种观测系统偏移距分布的对比，我们发现砖墙式观测系统比常规线束状观测系统均匀 (图 4).玫瑰图可直观的显示出砖墙式的观测系统明显比常规线束状观测系统的方位角要宽，砖墙式观测系统所采集的炮检对方位数量在全方位上基本都均匀分布，而常规10线8炮所采集的炮检对方位数量主要集中在沿测线较窄的方位上.在均匀介质条件下，由于地震波返回地表时为一个圆形的等时面，在一个较窄的条带上进行接收仅能接收到部分波场，因而只能获得部分反射地震波能量，在成像处理时，受方向性影响，使振幅成像不能完全恢复，而宽方位角采集能最大程度地解决这个问题 (陆基孟, 1993; 王永民等, 2000; 赵明金等, 2003).

2.3.3 成本

在相同的研究区、覆盖次数和面元大小情况下，常规的10线8炮观测系统只需要2684个物理点，而8线5炮砖墙式观测系统需要3587个物理点.后者多出了903个物理点，整体上增加了勘探成本.

3 应用效果

虽然本区地表条件复杂，但运用软件设计砖墙式观测系统，用相对较少的物理点，在村庄等障碍物下面获得了满叠加次数，且相对均匀.由处理资料显示，该地震资料断点干脆，分辨率相对较高 (图 5).从而保证了原始数据的质量，圆满完成了地质任务，部分成果已得到验证，效果较好.可见，砖墙式观测系统更有利于小构造探测.

4 结论 4.1

通过优化设计，砖墙式观测系统具有以下特点：炮检距分布较均匀，利于速度分析；方位角分布比较均匀且较常规的要宽，更有利于小构造探测；偏移距分布较均匀；接收线距大，有利于跨越村庄，减少障碍物对地震采集、处理带来的不利影响，保证资料的有效性和边续性；炮点位于排列片中心线束之间每次滚动一条，重复7条线，更有利于横向静校正的耦合，提高资料处理精度和横向分辨率，可消除采集可能带来的“脚印”影响，使资料更保真；勘探成本整体上有所增加.

4.2

随着地震勘探的不断发展，我们越来越需要提高勘探质量，有些时候我们要把采集质量放在第一位，成本则放在第二位，砖墙式的观测系统就是一种比较好的选择，当然这还要根据具体的地质任务而定.

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和编辑部的大力支持！