關(guān)于地震層析成像中射線追蹤算法的思考

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

一、引言

隨著板塊與板塊之間的相互擠壓，地殼在板塊運(yùn)動(dòng)的過程中應(yīng)力不斷累積，當(dāng)達(dá)到一定的程度，應(yīng)力無法積累時(shí)，地殼在受到應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生破裂。地震的發(fā)生會帶來極大的破壞，可見對于板塊交界或者地震頻發(fā)區(qū)的地下速度結(jié)構(gòu)研究非常重要。在地下速度結(jié)構(gòu)研究過程中，射線追蹤是求解速度模型的核心內(nèi)容。

近年來，射線追蹤算法也廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在地震層析成像中，為了研究地下的三維速度模型，很多研究者對其做出了大量的研究[1,2]，包括：射線追蹤算法[3]、快速射線追蹤算法[4]、移動(dòng)網(wǎng)格的射線追蹤算法[1]等方法。隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在地震層析成像領(lǐng)域結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)是一種發(fā)展趨勢，在研究過程中，能夠使相應(yīng)的成像過程快速收斂并得到可靠的結(jié)果。

二、射線追蹤算法過程

地震層析成像通過對數(shù)據(jù)的處理，反演得到地層速度模型。初至波三維地震層析成像三個(gè)主要技術(shù)包括：地震波初至?xí)r刻拾取、射線追蹤技術(shù)和層析反演技術(shù)[5]。射線求取是三維地震速度層析成像的核心內(nèi)容，射線追蹤受到復(fù)雜介質(zhì)、速度分布各向異性等影響因素，由于存在這些難題，關(guān)于求取射線及地震走時(shí)的研究也有許多。Langan等人于1985年提出一個(gè)非均勻介質(zhì)射線追蹤的有效算法，通過求解射線方程逐網(wǎng)格單元的進(jìn)行射線追蹤[3]?；谠摲椒ǎ瑒W(xué)才等人提出了一種移動(dòng)網(wǎng)格的射線追蹤算法節(jié)約了計(jì)算機(jī)內(nèi)存[1]，另外趙改善以模型劃分和射線路徑簡單搜索為基礎(chǔ)提出了一種快速射線追蹤算法[4]。在波前射線追蹤研究中，姜少之結(jié)合傳統(tǒng)求解射線方程的射線追蹤方法和穩(wěn)健的程函方程的有限差分法，使用惠更斯射線追蹤算法對初至波的三維地震層析成像進(jìn)行了相關(guān)研究[5]。張東等人在二維線性走時(shí)插值射線追蹤算法的基礎(chǔ)上提出了一種三維射線追蹤算法，可獲得高精度的全局最小走時(shí)和射線路徑[6]。劉玲君等人通過在不同區(qū)域的邊界上插入節(jié)點(diǎn)來確定射線的折射角度，提出了一種新的基于邊界LTI的射線追蹤算法，減小了累積誤差[7]。

三、射線追蹤算法的思考

(一)射線追蹤算法的應(yīng)用

射線追蹤方法在地震層析反演成像中起著重要的作用，在這里以在地殼中的一維速度反演為例，在地殼中，一維速度反演對于三維速度成像具有關(guān)鍵性的影響，一維速度反演的情況可能會直接影響三維速度成像結(jié)果的好壞。在一維速度反演中，主要考慮幾個(gè)重要的不連續(xù)面及每層的速度，在實(shí)驗(yàn)研究過程中，往往需要先設(shè)置一個(gè)初始的一維速度模型，然后利用射線追蹤等算法，找到唯一的一條射線路徑，通過事件和臺站之間的射線路徑及給定的初始一維速度模型，計(jì)算出該射線路徑的初至波走時(shí)。通過求解一個(gè)事件多個(gè)臺站之間的多條射線路徑在速度擾動(dòng)范圍內(nèi)的殘差(計(jì)算走時(shí)與觀測走時(shí)的差)和的最小值，來得到在當(dāng)次迭代的速度擾動(dòng)值，以此修改當(dāng)前的初始速度模型。經(jīng)過多次迭代，當(dāng)速度收斂達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的值時(shí)，一維反演完成，得到通過射線追蹤求解到的一維速度模型，用于構(gòu)建三維初始速度模型。

(二)射線追蹤算法的思考

本文提出能否結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域高效的數(shù)據(jù)處理算法，對大量的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的分析，提取有效的數(shù)據(jù)信息。在現(xiàn)有的射線追蹤計(jì)算過程中，結(jié)合相關(guān)最優(yōu)化的求解算法，能否提高射線追蹤的效率及準(zhǔn)確性。這里以計(jì)算機(jī)免疫算法為例，計(jì)算機(jī)免疫算法具有良好的系統(tǒng)應(yīng)答性和自主性，對干擾具有較強(qiáng)維持系統(tǒng)自平衡的能力。此外，免疫算法還模擬了免疫系統(tǒng)獨(dú)有的學(xué)習(xí)、記憶、識別等功能，具有較強(qiáng)模式分類能力，尤其對多模態(tài)問題的分析、處理和求解表現(xiàn)出較高的智能性和魯棒性。在射線追蹤求取射線路徑和初至波走時(shí)的過程中，是否可以結(jié)合計(jì)算機(jī)免疫算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分類，規(guī)定需要識別和解決的問題，求最優(yōu)解，當(dāng)?shù)卣鸹蚺_站數(shù)據(jù)增加時(shí)，通過已記憶的原射線路徑，快速計(jì)算收斂得到新的射線路徑最優(yōu)解。這是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化計(jì)算的過程，如果能夠有效地應(yīng)用于地震層析成像，那對于龐大的地震數(shù)據(jù)的處理，無疑是一個(gè)有效的計(jì)算方法。

四、結(jié)語

射線追蹤算法應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，在地震層析成像過程中起著至關(guān)重要的作用。本文僅簡單描述了射線追蹤在一維速度反演中的簡單應(yīng)用，在地震層析成像中，主要適用于三維速度成像，在三維速度成像過程中，射線路徑會更加的復(fù)雜，涉及了多種射線路徑求解方法。在本文中，對射線追蹤算法進(jìn)行了思考，在計(jì)算量非常大的情況下，如何使射線路徑追蹤更準(zhǔn)確，更高效，能夠更快的收斂，這是思考的主要內(nèi)容，希望在接下來的學(xué)習(xí)中，可以結(jié)合目前計(jì)算機(jī)相關(guān)的高效數(shù)據(jù)處理算法，應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)，對目前的思考與設(shè)想進(jìn)行可操作可驗(yàn)證的研究。