[发明专利]二维复杂结构三角网射线追踪全局方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二维复杂结构三角网射线追踪全局方法，具体是一种二维复杂结构的走时层析成像反演和以Maslov射线理论为基础的波场计算的射线追踪方法，属于勘探地球物理技术领域。

背景技术

射线理论和射线方法是认识波场传播规律的重要途径，是研究地下复杂构造和不均匀介质中的波场传播问题的重要手段，也是走时层析成像反演的基础。

无论是正演模拟还是层析反演，模型参数化是基本的问题。由于工程地质探测现场条件的复杂性，所探测研究对象的外部几何形状大部分情况下是不规则的形状，如“工”字型结构；内部地质异常体在空间结构上更加复杂，有的呈不规则柱状体(如溶洞、陷落柱等)，有的呈条带状(如断层、裂缝等)、有的呈层状(如软弱夹层等)。这就模型参数化提出更高的要求，以满足复杂结构体的高分辨率探测。目前模型参数化一般都采用矩形网或三角网，其中矩形网剖分是最普遍的形式，而三角网剖分也主要是在矩形网基础上简单的三角化。这些简单的矩形网、三角网剖分没有充分考虑区域复杂边界，也未将射线密度、介质特性同网格大小有机结合起来，难以满足复杂结构的射线追踪正演和高分辨率层析成像反演的要求。必须采用不规则网，如三角形网、不规则四边形网、或三角形网和不规则四边形网的混合网，对模型参数化。研究表明，相对于矩形网络参数化，三角网格参数化具有如下优点：①模型剖分的灵活性强；②对速度间断面的描述精度高，速度模型和界面模型具有一致性；③正演模拟存储量小、计算时间少；④正演模拟难度降低、误差减少、效率提高；⑤用于层析反演时存储量小、计算时间少、方程性态好、求解容易。

射线追踪的理论基础是，在高频近似条件下，弹性波场的主能量沿射线轨迹传播。传统的射线追踪方法，通常意义上包括初值问题的试射法(Shootingmethod)和边值问题的弯曲法(Bending method)。Vidale(1988)在提出程函方程的有限差分法时，指出试射法和弯曲法的主要问题在于：①难于处理介质中较强的速度变化；②难于求出多值走时中的全局最小走时；③计算效率较低；④阴影区内射线覆盖密度不足。

对于三角网模型的射线追踪问题，有关文献，作了探讨，但其给出的射线追踪方法基本归类于通常意义上的初值问题的试射法和边值问题的试射法和弯曲法，不可避免地存在其固有缺点。

对于矩形网模型的射线追踪问题，有关文献对常见的射线追踪方法做了比较详细的总结。为了克服传统试射法和弯曲法的这缺点，近年来，许多地球物理研究者在这方面进行了大量的工作，提出了一些精度较高、效率较高而且实用的计算初至旅行时的波前追踪方法。研究进展主要体现在：①在传统的试射法及弯曲法的基础上的改进，如各类波前重建方法(Vinje，1992；Sun，1992；Lambare et al.，1996)，除多值走时外，还较好地解决了计算效率及阴影区覆盖不足的问题；②对最小走时算法的改进，使之可适应多值走时计算，如慢度匹配法(Symes，1998)，可认为是最短路径方法的推广；③传统方法与最小走时算法的结合，如HWT方法(Sava，Fomel，1998)，则是通过波前传播计算射线路径。这些方法中，同时考虑空间所有离散点上的走时和射线路径的全局计算方法，由于其较高的精度和计算效率引起了广泛的关注。然而，这些主要针对规则网射线追踪方法，应用到三角网中会使问题复杂化，甚至难以实现。

三角网的优势使得模型三角网参数化是未来地球物理模型参数化的重要趋势，但其波场射线追踪问题却缺乏深入的研究，因此，三角网模型及其波场射线追踪问题是现阶段地球物理探测技术提高正演与反演效率、效果必须要解决的重要课题。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种可对二维复杂结构三角网进行射线追踪的全局算法。

其技术解决方案如下：

二维复杂结构三角网射线追踪全局方法是以波行面代替波前面，波行面的扩展、波的传递通过一个三角单元与其相邻三角单元的“振动”传递进行，遇回转波，会自行向后传递，无需另行“收缩”，各节点的次级源确定和最小走时计算在波行面扩展过程中实现，其计算方法按以下步骤进行：

a)将二维复杂结构区域，用慢度分块均匀的三角形模型将介质参数化，在三角形单元的边界上设置节点，

b)设源节点的走时为零，除源节点外的其他节点的走时为无穷大，将源节点所在的三角形纳入波行面三角单元数组或优先队列，并使源节点所在的三角单元处于激活状态，作出存在于波行面数组的标志，