關于地震層析成像中射線追蹤算法的思考

(成都理工大學 四川 成都 610059)

一、引言

隨著板塊與板塊之間的相互擠壓，地殼在板塊運動的過程中應力不斷累積，當達到一定的程度，應力無法積累時，地殼在受到應力的作用下，會產生破裂。地震的發生會帶來極大的破壞，可見對于板塊交界或者地震頻發區的地下速度結構研究非常重要。在地下速度結構研究過程中，射線追蹤是求解速度模型的核心內容。

近年來，射線追蹤算法也廣泛應用于各領域。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]、移動網格的射線追蹤算法[1]等方法。隨著現在計算機技術的飛速發展，在地震層析成像領域結合先進的計算機技術是一種發展趨勢，在研究過程中，能夠使相應的成像過程快速收斂并得到可靠的結果。

二、射線追蹤算法過程

地震層析成像通過對數據的處理，反演得到地層速度模型。初至波三維地震層析成像三個主要技術包括：地震波初至時刻拾取、射線追蹤技術和層析反演技術[5]。射線求取是三維地震速度層析成像的核心內容，射線追蹤受到復雜介質、速度分布各向異性等影響因素，由于存在這些難題，關于求取射線及地震走時的研究也有許多。Langan等人于1985年提出一個非均勻介質射線追蹤的有效算法，通過求解射線方程逐網格單元的進行射線追蹤[3]。基于該方法，劉學才等人提出了一種移動網格的射線追蹤算法節約了計算機內存[1]，另外趙改善以模型劃分和射線路徑簡單搜索為基礎提出了一種快速射線追蹤算法[4]。在波前射線追蹤研究中，姜少之結合傳統求解射線方程的射線追蹤方法和穩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行了相關研究[5]。張東等人在二維線性走時插值射線追蹤算法的基礎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和射線路徑[6]。劉玲君等人通過在不同區域的邊界上插入節點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果的好壞。在一維速度反演中，主要考慮幾個重要的不連續面及每層的速度，在實驗研究過程中，往往需要先設置一個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，計算出該射線路徑的初至波走時。通過求解一個事件多個臺站之間的多條射線路徑在速度擾動范圍內的殘差(計算走時與觀測走時的差)和的最小值，來得到在當次迭代的速度擾動值，以此修改當前的初始速度模型。經過多次迭代，當速度收斂達到一個相對穩定的值時，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

本文提出能否結合當前計算機領域高效的數據處理算法，對大量的地震數據進行可靠的分析，提取有效的數據信息。在現有的射線追蹤計算過程中，結合相關最優化的求解算法，能否提高射線追蹤的效率及準確性。這里以計算機免疫算法為例，計算機免疫算法具有良好的系統應答性和自主性，對干擾具有較強維持系統自平衡的能力。此外，免疫算法還模擬了免疫系統獨有的學習、記憶、識別等功能，具有較強模式分類能力，尤其對多模態問題的分析、處理和求解表現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的過程中，是否可以結合計算機免疫算法對數據進行合理的分類，規定需要識別和解決的問題，求最優解，當地震或臺站數據增加時，通過已記憶的原射線路徑，快速計算收斂得到新的射線路徑最優解。這是一個不斷學習優化計算的過程，如果能夠有效地應用于地震層析成像，那對于龐大的地震數據的處理，無疑是一個有效的計算方法。

四、結語

射線追蹤算法應用于多個領域，在地震層析成像過程中起著至關重要的作用。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，對射線追蹤算法進行了思考，在計算量非常大的情況下，如何使射線路徑追蹤更準確，更高效，能夠更快的收斂，這是思考的主要內容，希望在接下來的學習中，可以結合目前計算機相關的高效數據處理算法，應用于實際數據，對目前的思考與設想進行可操作可驗證的研究。