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地震波的射线追踪方法是地球物理学和地震勘探中的重要研究课题。射线追踪方法不但是研究介质任意速度分布情况下地震波传播问题的有效手段之一,而且在地震层析成像和叠前深度偏移等方而都起着重要的作用,射线追踪的计算精度和速度将直接影响着层析成像和叠前深度偏移的效果。射线追踪的实现总体上包括两方面的内容,即模型设计和射线追踪计算方法。
模型设计的两个关键分别是界面的表示和速度表示。界面表示的难点在于对弯曲界面的描述。本论文采用三次B样条插值的方法既解决了关于弯曲界面的描述,又能达到使界面很方便的通过指定样点位置的目的。对于速度表示,传统方法采用的是层状描述法。对于简单地质模型,经典的层状描述法具有模型描述方便、射线追踪快速的优势。但对于复杂模型来说,用层状描述法就很困难。相比之下,采用块状描述的方法可以很方便的描述任意复杂模型。块状描述方法符合实际地质体为封闭实体的特征。把速度分布规律相对统一的介质块划分为同一个速度块,这就是块状描述方法的主体思想。这样,在建立速度模型时只需要针对各块编号赋上速度分布函数就可以很方便的完成模型的速度表示。这样的速度模型,在使用时只需要获得模型中点所在位置的速度块编号,就可以通过编号调用对应函数求出速度。
射线追踪的关键主要体现在三个方面。一是射线角度的控制,二是射线步长的确定,三是射线与分界面交点的求取。使射线角度发生变化的主要因素是界面的反射与透射。由于弯曲界面各点处的界面倾角是任意的,所以反射角和透射的射线方向是全方位的。射线方向情况虽然复杂,但是还是有规律的,本文分情况讨论了射线角度的变化。对于射线步长的确定有两种情况,一是直线步长,可以直接给定;二是圆弧步长,可以通过射线所到达点位处的速度与速度梯度值来求取。对于射线与分界面的交点求取过程用到了两方面知识,一是通过点与界面位置的关系来确定跨步后的点是否超过界面;二是利用二分法来寻找射线与界面交点的位置。
本论文实现了任意结构介质的射线追踪过程,并且还给出了几种模型追踪的例子。