1. 引言
3D地震勘探课程是各个物探专业高校本科生计划课程的重要组成部分，3D地震勘探的内容广泛，主要包括野外数据采集、处理和解释三部分。一个科学而严谨的3D地震观测系统不仅能取得信噪比高、优势波明显的有效信息，而且可以提高施工效率、达到事半功倍的效果，所以说3D地震观测系统设计和工程布置图制作就成为本科教学的重点 [1] [2]。传统的教材或课件，多数是以图片的形式说明一个问题，有时很抽象，难以理解。本文将复杂的地震勘探教学进行可视化处理，使授课教师的教学轻松自如。
2. 3D地震观测系统设计架构
3D地震观测系统分为两大类：面积观测系统与线性观测系统，其中线性观测系统又分为三类，十种观测方式。这里以束状线性观测系统为例介绍其设计原理及制作过程。线性束状观测系统平面图，是纵向和横向两个方向观测系统设计的综合成果，下面介绍观测系统参数设计、纵向观测系统，并用图解横向观测系统的制作过程及两束线的关系和移动的方式。
1) 观测系统参数设计
观测系统参数一般是根据地质任务要求及勘探区目的层埋深来确定的(假设以煤炭3D勘探设计为主)。
目前，勘探任务都要求CDP网格为5米纵 × 10米横，叠加次数为6纵 × 4横 = 24次，设勘探目的层为500米，由此可以设计计算出以下采集参数：
① 线距的确定：CDP网格为5米纵 × 10米横可知沿检波线方向反射点间隔CDP = 5米，则检波线上道距为2 × 5米 = 10米，线距为2~6倍，常用4 × 10米 = 40米；垂直检波线方向CDP = 10米，则指炮线间距为10米 × 2 = 20米。
② 观测系统的确定：叠加次数为6纵 × 4横 = 24次，横向叠加次数4次(有几种类型符合要求)，本次选用采用8线8炮类型观测系统加以讲解；纵向叠加次数n = 6次，由炮间移动道数公式r = N/2n = N/2 × 6 = N/12和最大跑间距 ≈ 目的层埋深可知，N = 48道满足以上条件且r = 48/12 = 4道，即炮线上炮间距为r × 10 m = 40米。激发方式的选择一般是下倾激发。
2) 纵向观测系统
纵向观测系统与2D观测系统原理一样，都是依据地震勘探原理观测系统的基本算法。依据已知参数可知，一个排列48道、炮检距40米，假设纵向偏移距为0米，采用综合平面图法，即沿测线标出若干激发点和第一条排列的检波点。将检波点投影到过炮点的45度斜线上，然后标出最小偏移距和最大偏移距，过任一交点向下作垂线，垂线相交的炮线条数，就是该CDP点的叠加次数。由此可以计算出满6次的反射点距检波线起点为200米，以后每增加一排炮可以增加40米宽度的满6次覆盖的宽度，依次可以设计出一束线的长度 [3]。这部分内容大家比较熟悉这里不再累述。
3) 横向观测系统设计可视化案例
无论是纵向观测系统，还是横向观测系统，以及工程布置图的制作过程在授课时都是动态式的展布演示，下面仅就技术难点，即横向观测系统的实现过程可视化图予以介绍：
① 第一束线横向观测系统的制作，在测线起点位置沿垂直于测线方向画一条水平直线，首先，将一束中的检波线和炮线投影到水平线上做出标记，分别把检波线和炮线的投影点看作是观测系统中的检波点和炮点；其次，每激发一炮，过炮点向两侧画45度斜线，把检波点投影到45度斜线上，其交点用圈表示，画完一束线的8炮后，过任意交点作垂线，垂线上有几个交点就是几次叠加，通过画出横向观测系统，计算出横向满覆盖次数4次的宽度为95米(如图1所示)。
Figure 1. Lateral observation system diagram of the first beam
图1. 第一束线横向观测系统图
② 第二束线横向观测系统的制作，观测系统设计要遵循勘探区反射面元内覆盖数均匀、炮检距是一个完整的三角形和方位角均匀分布的原则 [4]；在画第二束线时，通过实验发现只有线束之间需要重复4条检波线，炮线不重复的情况下才能满足横向覆盖次数均匀的要求，所以画出重复的4条检波线，依据第一束线制作步骤再画第二束线的横向观测系统，这样可以看到第一、二束线横向满4次覆盖的范围宽度达到250米，也就是说每增加一束线横向覆盖次数可增加155米，大大地增加覆盖次数的宽度(如图2所示)。
Figure 2. Transverse observation system diagrams of the first and second beam lines
图2. 第一、二束线横向观测系统图
通过横向观测系统的制作，应该注意到纵向观测系统与横向观测系统制作过程中的差异，纵向观测系统综合平面图示法中计算覆盖次数时，是过交点作垂线，垂线交几条炮线就说明地下界面上的覆盖次数是几次，比如本设计中纵向最大覆盖次数是6次；而横向观测系统综合平面图示法中计算覆盖次数时，是过交点作垂线，垂线遇到几个交点圈就是说明地下界面上覆盖次数有几次，比如本设计中横向最大覆盖次数是4次。
4) 3D地震观测系统图
3D地震观测系统设计的目的是为寻找满24次覆盖次数的起始点位置，以便于计算并满足在勘探区域内达到地质任务要求满覆盖次数的面积，同时，也是计算勘探区外增加的不满覆盖次的区域与测线涉及到的施工区域的面积。
将纵向和横向观测系统同时完成就是三维地震勘探观测系统，纵向6次和横向4次形成的区域就达到了满24次覆盖(如图3所示)。
Figure 3. 3D seismic observation system
图3. 3D地震观测系统
3. 3D工程布置图设计制作
通过3D地震观测系统纵向和横向观测系统的设计学习，现根据以上参数对勘探面积为1 Km2正方形区域设计制作3D地震工程布置图并计算满24次覆盖次数、施工面积及其工作量(物理点即炮点数)。一般3D地震工程布置图的制作是在相对坐标系来完成，X轴方向为检波线走向，也是垂直构造或地层走向的方向，Y轴方向垂直检波线方向(正北向) [5]。下面介绍工程布置图的制作步骤及参数的计算。
① 一束线的工作量，由3D地震观测系统可知，一束线是有8条检波线和8条炮线组成的，横向上一排8炮依次由小线号到大线号激发完成后才可在纵向上移动(滚动)到相距40米的下一排炮，8条检波线依次(滚动)移动8道(即40米)，再有纵向观测系统可知勘探边界开始完成6排炮才能达到6次覆盖，勘探区内1 km还需激发25排炮才能完成区域内满24次的覆盖次数，故一束线的炮点(物理点)为：8 (炮/排) × {6 + 25}(排) = 248炮。
② 一平方公里的工作量，由3D地震观测系统可知，横向观测系统确定了横向满覆盖次数4次的宽度，第一束线横向满4次宽度为90米，一束线设计完成后，由横向观测系统可知线束向上滚动可以增加满覆盖次数4次的宽度160米，1Km的宽度需要完成7束线，由此可知横向1 Km控制的满4次的宽度为：90 (米/束) × 1 (束) + 160 (米/束) × 6 (束) = 1050 (米)；由此可知，7束线总计设计炮点(物理点)为：7 (束) × 248 (炮/束) = 1736 (炮)，也就是说采用8线8炮束状线性观测系统完成1 Km2 3D地震勘探需要完成地震的工作量物理点为1736 (炮)。
3D地震勘探工程布置图的制作就是根据3D观测系统设计原理使纵向上达到6次和横向上达到4次就是实现了24次满覆盖次数观测的目的。学好3D地震观测系统设计就能轻松、快速做出3D地震勘探工程布置图来。
③ 勘探面积及施工面积，本次设计勘探面积为正方形1 Km2区域，共设计7束线，横向满4次覆盖次数宽度为：1050米；纵向满6次覆盖次数长度为：1035米；那么实际设计的满24次满覆盖次数的面积为：1.050 (Km) × 1.035 (Km) = 1.087 (Km2)，达到并超过勘探面积。设计时要想勘探区达到满24次覆盖次数，勘探区外增加了附加测线段，每竖线的测线长度为：{6 + 25}排 × 40(米/排) + {48 − 1} × 10 (米) = 1670 (米)；横向上测线宽度为：280 (米) + 6 (束) × 160 (米/每束增加) = 1240 (米)；则施工面积为：1.67 (Km) × 1.24 (Km) = 2.07 (Km2)。由此可见，实际设计的满覆盖次数的面积大于勘探面积，施工面积是勘探面积的两倍。
4. 结语
本文通过过程讲解及图片展示课程实践教学可视化，结合实例介绍了3D地震观测系统和工程布置图设计制作程序、工程量、勘探面积及施工面积的计算方法，化抽象为具体，使学生更容易理解掌握。
总之，可视化教学使学生不仅能够轻松理解抽象的知识，对培养学生的动手能力和创新能力也有着重要意义。
基金项目
河南理工大学2019年课程教学改革项目(2019JG085)。