水平層狀介質(zhì)射線追蹤方法的Matlab實現(xiàn)

陳連木，萬永革＊，陳 鑫

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 燕郊 065201；2.廣西地震局，南寧 530022）

0 引言

地震學(xué)中的射線追蹤法是指給定發(fā)射點和接收點位置及介質(zhì)的波速，求從發(fā)射點到接收點的射線軌跡及其走時。作為一種快速有效的波場近似計算方法，地震射線追蹤對研究波在介質(zhì)中的傳播路徑和層析成像有重要的意義。傳統(tǒng)的射線追蹤方法通常包括邊值問題的彎曲法和初值問題的試射法。試射法在全局搜索接收器方面效果較好，而彎曲法的計算效率較高。為解決兩點間射線追蹤問題，許多學(xué)者提出了解決方法。高爾根、徐果明［1］提出了逐步迭代射線追蹤方法，但沒考慮對超低速區(qū)的處理；徐昇等［2］提出了射線追蹤的微變網(wǎng)格方法；張霖斌等［3］提出有限差分法射線追蹤；Langan［4］等在Cassell［5］的基礎(chǔ)上，設(shè)塊內(nèi)速度線性變化，并按Cassell的思路實現(xiàn)射線追蹤。本文主要是以一維速度模型追蹤水平層狀介質(zhì)2點的方法為原理，通過Matlab程序?qū)崿F(xiàn)該種方法的計算結(jié)果，并與其他方法進行比較，指出其優(yōu)勢與不足。

1 射線追蹤方法

1.1 “打靶法”

打靶法是已知射線的起始點位置和給定的初始方向，通過擾動初射方向來確定射線路徑。已知地震位置和臺站位置，算出震中距，利用試射法求得在震源層的θj，試射法的思路是：對于第1層的震源，不必用試射法，離源角通過可直接求出。對于位于其它層的地震，由于地下介質(zhì)速度隨深度會增大，臺站所在的位置一定在離源角的αmin＝arctan（最小值）和（最大值）所射出的射線到達地面的位置之間（h為震源深度，dz為震源到該層底部的距離）。我們以這2個邊界為初值，以它們的平均值為離源角，利用Δ ＝dz·。試算出射到地面的震中距（θj為震源層的入射角，νj為震源層的速度，νl為第1層的速度）。如果此震中距大于臺站的震中距，則說明離源角取得大了，則令αmax＝α；反之，則說明離源角取得小了，則令αmin＝α，進行下一次迭代；再次以為離源角迭代計算。這樣反復(fù)迭代直到計算得到的震中距和實際臺站震中距在一定的誤差范圍內(nèi)，則此時的離源角θj就可直接射到臺站上［6］。

圖1 打靶法— 直達波傳播示意圖

圖2 求解p參數(shù)法路徑示意圖

1.2 求解p 參數(shù)法

求解p參數(shù)法是求解滿足震中距的方程式（1）的射線參數(shù)p。由于p參數(shù)為離源角正弦和該層速度的比值，知道了該層速度就知道了射線在這里如何彎曲。震中距的表達式為

震中距Δ0的表達式可以寫成關(guān)于p的非線性方程

該方程可采用牛頓迭代法進行求解，該算法必須給定初始p參數(shù)作為第一次迭代的初始值，其一階迭代公式為

其中，f（pi）為（2）式的值，f′（pi）為（2）式的1階導(dǎo)數(shù)，i為迭代次數(shù)。這樣逐次迭代，直到得到的震中距和實際臺站震中距在一定的誤差范圍內(nèi)。

這種方法在震中距不大的情況下（Δ0＜24.6 km）都可以適用。但是當(dāng)震中距較大時，由于最大速度層（速度為νm）中的入射角θm趨于π／2 時，θm＝，即p很小的變化就會引起θm的巨大變化，從而導(dǎo)致震中距Δ的巨大變化而出現(xiàn)發(fā)散。因此，只能求解較小震中距的地震波走時。

1.3 改進后的求解p 參數(shù)法

由于上面的迭代算法在震中距較大時發(fā)散，田玥［7］提出了改進后的成層介質(zhì)中計算p參數(shù)的算法，其步驟如下：

改進后的方法是通過將射線參數(shù)p轉(zhuǎn)換成別的參數(shù)q，q是最高速度層中射線走過的水平距離，νm是最高速度層中的速度。

p與q的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

則q與震中距的關(guān)系為

同理，方程（5）可以寫成關(guān)于q的非線性方程

用牛頓法求解方程（6）的公式為

將得到的新參數(shù)q通過公式（4）轉(zhuǎn)換為射線參數(shù)p。用牛頓法求解過程需要對q0的初值進行估計［7］。

2 兩點間射線追蹤的Matlab程序流程

編制程序的核心是水平層狀介質(zhì)2點間射線追蹤。我們根據(jù)給出的震中距求得p參數(shù)。為了增加結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別運用正、逆梯度速度模型以及含有高速層的速度模型進行模擬。

程序流程見圖3：

圖3 平層介質(zhì)射線追蹤流程圖

程序運行時應(yīng)注意以下問題：

在進行逆梯度速度求解時應(yīng)注意：對于打靶法最大離源角αmax的初始值應(yīng)該設(shè)為，其中νj為震源層的速度，νm為最高速度層的速度。這是因為，當(dāng)時，Δ將表現(xiàn)為虛數(shù)。

3 三種方法的比較

在計算精度和速度結(jié)構(gòu)相同 的情況下，比較3種方法的所用時間。其中，直達波的震源深度設(shè)為19km，反射波的震源深度設(shè)為13km，計算精度均設(shè)為1.0×10－6。

首先，利用不同梯度速度結(jié)構(gòu)和假定的震源深度運行射線追蹤程序，變換不同的震中距得到一系列追蹤的震中距—走時數(shù)據(jù)（圖4）。可以看出，在計算精度一樣，震中距一樣的情況下，無論是對于含有高速層的正速度梯度還是逆速度梯度的直達波、反射波來說，都有以下特點：

表1 地殼速度模型

圖4 3種方法在不同速度模型下的計算效率

①于求解p參數(shù)法而言，該種方法只能求解震中距較?。ㄐ∮?4.6km）的p參數(shù)，這是因為當(dāng)震中距較大時，由于最大速度層（速度為νm）中的入射角θm趨于π／2時，，即p很小的變化就會引起θm的巨大變化，從而導(dǎo)致震中距Δ的巨大變化而出現(xiàn)發(fā)散。

②對于直達波、反射波來說，打靶法所用的時間總是最短（追蹤速度為改進后的求解p參數(shù)法的2～3倍），求解p參數(shù)法次之，而改進后的求解p參數(shù)法所用的時間相對較長。這是因為改進后的求解p參數(shù)法在用牛頓迭代法求解q時需要進行較為復(fù)雜的求導(dǎo)運算，并且最后還需將參數(shù)q轉(zhuǎn)換為參數(shù)p，故所用時間相對較長。

③3種方法的求解時間相差較小，而且求解時間也較快，最長時間也不超過0.025s。

4 結(jié)論與討論

本文采用MATLAB 程序編制了打靶法、求解p參數(shù)法和改進求解p參數(shù)法實現(xiàn)了水平成層介質(zhì)中的射線追蹤算法，并對算法的運行效率進行比較。可得出，直接求解p參數(shù)法所能追蹤到的距離較短，故該方法只適合小距離的追蹤；改進后的求解p參數(shù)法能夠追蹤的距離較遠，但是所用的時間相對較長；打靶法的追蹤速度較快，并且追蹤的距離也較遠。

本文是在水平層狀介質(zhì)中進行的一維射線追蹤，對只考慮三維速度結(jié)構(gòu)的情況沒有進行嘗試，但目 前 地 震 定 位［8－11］、近 震 地 殼 模 型 的 計 算［12－16］大 多采用成層速度模型進行計算。因此，進行該模型的探討對于理解地震走時計算和反演成層速度結(jié)構(gòu)均有重要的理論意義。

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