基于射线理论的起伏地表组合震源波场定向方法与流程

本发明涉及一种地震勘探方法，尤其是基于射线理论的起伏地表组合震源波场定向方法，它是波场定向方法在非均匀起伏地表条件下的推广。

背景技术：
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组合震源是将多个点震源按照一定规律排列，分别设定每个震源激发延时或相位差，通过多个点震源的相互干涉叠加，使得地震波的传播具有方向性的激发方法。一方面，组合震源方法通过叠加提高了地震法勘探的激发能量，从而提高了目的层反射波的信噪比；另一方面，波场的方向性和聚焦性对于某些构造和倾斜地质体有更好的探测效果，可以提高地震法勘探对地下特定目标体的探测能力。

通常简单线性组合震源是在水平地表布置有限个震源，相邻震源间距固定，设计固定激发延时，并根据组合激发的方向因子公式得到设定方向的地震波场。若地表为均匀倾斜地表，可根据地层倾角推导倾斜组合激发方向因子公式；若地表为均匀起伏复杂地表，可利用惠更斯菲涅尔原理，将水平地表坐标旋转至定向波场法向的倾斜坐标，可根据几何路径和均匀表层速度，得到组合震源的激发延时参数，巩向博等《地球物理学报》2014，起伏地表组合震源地震波场定向方法。前人的技术是在地表参数近似均匀的假设前提下，而实际野外勘探地质条件经常是复杂的、横向非均匀的。

技术实现要素：
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本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于射线理论的起伏地表组合震源波场定向方法，它拓展组合震源方法在非均匀起伏地表情况下的应用，使之更具有普遍适用性。

本发明的主要思想是基于射线理论来计算组合震源的激发延时参数，将震源激发延时的求解问题看作地震波传播至虚拟波前面旅行时间的计算问题，可有效的适用于地表介质的非均匀性条件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于射线理论的起伏地表组合震源波场定向方法，包括以下步骤：

a、在起伏地表模型上布置等水平间隔的N个点震源，S₁,S₂,…,S_n；

b、定义任意一个震源作为坐标原点S_t

(t是1—n的任意一个整数)，建立水平地表的笛卡尔坐标系x-z；

c、定义定向波场的虚拟波前面，地震波场传播方向与垂直地表方向夹角为θ，称为定向波场传播的方向角，水平地表坐标系下虚拟波前面为z＝tan(θ)·x；

d、将坐标原点处震源S_t的激发延时设为零τ_St＝0；

e、将组合排列中的其余震源至虚拟波前面的激发延时作为非均匀介质中地震波传播的走时，通过射线理论公式计算；

f、将组合震源中除了震源S_t的其余震源，按照步骤e依次计算激发延时τ_S2,…,τ_Sn；

g、分别按照计算后的延时参数激发各个震源，通过波场的干涉叠加原理得到定向地震波场。

步骤e所述的射线理论公式：

1)根据射线理论，波动方程在高频近似情况下，简化为地震波传播时间场函数的程函方程，求解程函方程得到二维情况下S₁震源激发时间场函数为t_S1(x,z)；

2)联立S₁震源时间场函数t_S1(x,z)与虚拟波前面坐标z＝tan(θ)·x，求得S₁震源在虚拟波前面处旅行时列表t_S1(x,tan(θ)·x)；

3)根据费马原理，将上步计算的旅行时间列表求极小值，作为S₁震源的激发延时，即τ_S1＝min(t_S1(x,tan(θ)·x))，min为取最小值函数；

有益效果：经试验，本发明公开的方法计算得到的组合震源激发延时准确，可以得到稳定传播的定向地震波场。本发明适用于复杂起伏地表情况，且不受地表横向非均匀地球物理参数因素影响，可提高地震方法对特定地下目标体探测的能力。从图3中可以看出，本发明方法消除了起伏地表非均匀性对定向波场传播的影响。

附图说明

图1非均匀起伏地表模型图

图2是震源位于模型不同位置的走时场等值线图

图2a是震源位于模型左端时，

图2b是震源位于模型中间时，

图2c是震源位于模型右端时，

是根据射线理论计算的地震波走时场等值线图，是通过本发明a—g步骤中数值求解程函方程求得。

图3是使用本发明得到的定向波场快照图

图3a是定向波场方向角为-30度时的波场快照图

图3b是定向波场方向角为0度时的波场快照图

图3c是定向波场方向角为30度时的波场快照图，

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于射线理论的起伏地表组合震源波场定向方法，在图1所示的非均匀起伏地表模型下，包括如下步骤：

a、在起伏地表模型上布置等水平间隔的N个点震源，S₁,S₂,…,S_n；

b、定义任意一个震源作为坐标原点S_t(t是1到n的任意一个整数)，建立水平地表的笛卡尔坐标系x-z；

c、定义定向波场的虚拟波前面，若地震波场传播方向与垂直地表方向夹角为θ，称为定向波场传播的方向角，则水平地表坐标系下虚拟波前面为z＝tan(θ)·x，其中tan是正切函数；

d、将坐标原点处震源S_t的激发延时设为零τ_St＝0；

e、将组合排列中的其余震源至虚拟波前面的激发延时作为非均匀介质中地震波传播的走时，通过射线理论公式计算；

1)首先，根据射线理论，波动方程在高频近似情况下，可简化为关于地震波传播时间场函数的程函方程，即通过求解程函方程来获得某震源激发的地震波走时分布情况。以S₁震源为例说明，数值求解程函方程得到二维情况下S₁震源激发的时间场函数为t_S1(x,z)，程函方程定义为下式；

${\left(\frac{\∂t(x,z)}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂t(x,z)}{\∂z}\right)}^2=\frac{1}{v{(x,z)}^2}$

其中v(x,z)是二维非均匀速度场，震源位置坐标和零时刻作为方程求解的初始条件，起伏地表情况下可以采用贴体网格坐标下的迎风有限差分法离散求解此方程；

2)其次，联立S₁震源时间场函数t_S1(x,z)与虚拟波前面坐标z＝tan(θ)·x，求得S₁震源在虚拟波前面处旅行时列表t_S1(x,tan(θ)·x)；

3)再次，根据费马原理，将上步计算的旅行时间列表求极小值，作为S₁震源的激发延时，即τ_S1＝min(t_S1(x,tan(θ)·x))，min为取最小值函数；

f、将组合震源中除了震源S_t的其余震源，按照步骤e.1、e.2、e.3依次计算的激发延时τ_S2,…,τ_Sn；

g、分别按照计算后的延时参数激发各个震源，通过波场的干涉叠加原理得到定向地震波场。