当前，油气地震勘探面临着勘探程度高、地质条件日益复杂的高难度勘探局面。 地震勘探的重点常常是复杂储层体，重点研究和认识这些复杂储层的地质构造及其 岩石物理特性，是地震勘探的关键目标。 波动方程叠前深度偏移是解决复杂构造成像的最有效技术。然而，常规炮集叠 前深度偏移计算量非常大，尤其是三维偏移，使得它的工业实用化受到很大限制。 本文的目标是研究高效率的面向复杂地质构造的波动方程叠前深度偏移方法。 解决偏移效率的问题通常有两种途径，一种是改进偏移算子本身，另一种是对 叠前数据进行重构，转换叠前数据域，如将炮集转换成共偏移距道集、共方位角道 集等，其中一种典型的方法是对叠前数据进行合成，减少叠前数据量，从而达到提 高偏移效率的目的。面炮技术便是一种基于叠前数据。 合成方法的高效率叠前偏移技术，通过将所有炮道集合成一个面炮记录，大大 减少了叠前数据，在精度损失很小的情况下能够极大地提高叠前深度偏移的效率。 但是对于横向速度变化非常剧烈的复杂构造，面炮震源波场在深度延拓过程中，经 过复杂介质之后波场形态会发生严重畸变，这将影响面炮的成像质量。控制照明则 是一种基于面炮思想的面向复杂目标构造的高效率偏移技术，它通过对复杂目标构 造区域的震源波场形态进行控制，实现对目标区域的最佳照明，获得目标区域的最 佳聚焦成像，因而是一种富有前景的偏移技术。 本文研究面向目标的制照明叠前深度偏移方法。控制照明的关键是构造出面向 目标的合成算子，它的实现方法是将震源激发基准面校正到目的层上，在目的层基 准面上设置震源波场，定义震源波场的照明特性以及各个照明方向的采样扫描，然 后将震源波场经上覆速度介质逆向外推到地表，得到相应的地表合成算子。文中将 这种控制照明方法称为目的层控制照明。 通过对面炮偏移与控制照明理论方法的深入研究剖析，本文提出一种高效率的 面向目标的地表控制照明技术，直接在地表对目的层震源波场进行最佳照明控制， 达到对目标区域的最佳聚焦成像。根据目的层合成算子与相应的地表的合成算子响 应之间的波场外推关系，从数学上确定了二者关于照明方向扰动之间的等价关系， 提出地表控制照明思想，采用简单快速的几何旋转扰动方法取代波场外推方法，通 过对基于目的层下行波场反向外推得到的一个地表核合成算子进行照明方向扰动， 建立面向目标的合成算子族。这种实现过程只在计算核合成算子时利用波场外推方 法，而对震源波场照明方向扫描时则避免了复杂的波场外推过程，是一种更加简捷 高效、同时能够实现面向目标的等效控制的控制照明技术。 论文在对面炮合成原理和偏移机制进行系统分析研究的基础上，扩展了面炮的 合成原理，首次提出了曲面波与曲面波基核两个新概念，给原有的面炮增加了照明 扰动机制，并给出了曲面波合成的任意合成算子的普适性公式，从而建立了曲面波 偏移的可实现的确定性方法。曲面波及其基核概念的引入，建立了地表控制照明的 理论基础。 基于曲面波思想，通过引入相对目标基核面的概念，建立了地表控制照明叠前 深度偏移理论，提出了几何旋转与射线参数扰动两种地表控制照明方法。关键问题 是首先确定一个合适的曲面波基核，即一个曲面波基核合成算子。地表控制照明的 实现过程是，首先在地表确定一个面向目标的合成算子作为曲面波基核算子，称为 核合成算子。它可以通过目的层控制照明的方法来计算，即在目的层(基准面)上 定义一个最佳的照明震源波场，然后经上覆介质逆向外推到地表即可得到。之后， 对核合成算子进行快速的几何扰动，迅速建立面向目标的合成算子，实现对震源波 场的面向目标的照明方向控制，从而实现了直接在地表控制目的层震源波场照明方 向特性。其中，几何旋转地表控制照明是对曲面波震源波场的照明角度进行控制， 射线参数扰动地表控制照明则是对曲面波震源波场的照明射线参数进行扰动。以几 何方式对核合成算子进行扰动构建合成算子的方法使得地表控制照明偏移不仅能够 获得高质量目标成像，而且偏移效率与快速的面炮偏移相等。 这种地表控制照明方法不仅具有方向照明控制性质，而且基于上覆构造与速度 信息对震源波场进行约束控制，相当于将震源设置在目的层，因而与目的层照明控 制等效。对于强烈横向变速的复杂介质，地表控制照明建立的合成算子能够保持很 好的波形特征、信噪比和稳定性。 同时，提出了多目标相对基核面的思想，对球面波进行多个基核的曲面波分解， 建立了多目标的地表控制照明偏移方法，能够对多个复杂目标区域同时进行震源波 场的最佳照控制明，获得整个地质剖面的高质量成像。 论文首先研究了二维面炮与地表控制照明理论方法，然后对复杂的Marmousi模 型进行了平面波偏移、地表控制照明和多目标地表控制照明Fourier有限差分叠前深 度偏移数值验算。计算结果表明，与平面波偏移相比，地表控制照明显著提高了复 杂目标区域的成像质量。此外，地表控制照明成像质量在深层目标区域与常规炮集 叠前深度偏移结果相当，偏移效率能达到炮集偏移的近7、8倍左右。在数值计算过 程中，对Marmousi模型进行了平面波与地表控制照明震源波场的正演模拟，并分析 了各自传播的波场特征，理论分析表明，平面波震源波场经过复杂速度模型传播后 在深层发生严重畸变，而地表控制照明震源波场随着经过复杂介质传播后，在深层 目标区域得到了良好稳定的波场形态，有利于波场的最佳聚焦成像，从而有力地说 明了地表控制照明对目标成像的优越性。 在二维研究成果及模型试验基础上，本文进一步将面炮与地表控制照明拓展到 三维研究，利用分块矩阵描述方法，给出了三维曲面波合成公式，建立了三维面炮 与射线参数扰动法三维地表控制照明偏移理论方法。并对复杂的三维盐丘模型进行 了偏移数值验证，分析了三维观测系统纵、横测线震源与接收采样分布对成像结果 的影响以及不同方向照明控制对不同倾向地层的成像影响。模型成像结果表明，三 维地表控制照明对盐丘及其周围的构造成像比平面波成像明显改善。最终175个控 制照明波场的偏移结果对照明范围内的盐丘模型构造取得了清晰的成像。 本文对改进面炮技术基础性面炮数据的合成质量进行了研究，以平面波合成(或 说分解)为例，提出了应用双曲速度滤波技术改进平面波分解的方法。理论上，平 面波要求空间采样是无限的，因此平面波在合成过程中可能由于空间采样不足和有 限的空间孔径而产生假频和边界效应，这时需要对平面波数据进行有效的数字处理。 平面波分解可对共炮集或共中心点(CMP)道集进行，但有些重要的数字处理技术 用于CMP域(offset)平面波比用于炮域平面波效果更好，而炮域平面波的成像精度 高。因此，本文首先应用双曲速度滤波方法改进CMP域平面波，再利用炮域平面波 与offset平面波之间的转换关系，将改进的offset平面波转化为炮域平面波进行偏移， 从而提高平面波分解与偏移的精度。对一低信噪比实际资料应用双曲速度滤波技术， 显著改善了平面波分解与偏移质量。 关键词：面炮 曲面波 核合成算子 地表控制照明 叠前深度偏移 双曲速度滤波