石油天然气作为全球范围内的重要能源,很大程度上影响着一个国家工业、经济的发展。随着中国经济的快速发展,我国对于能源的需求越来越大。为了解决能源紧缺问题,各种新的油气勘探技术与方法应运而生,尤其是地震勘探技术方法,在石油天然气勘探中有着不可替代的作用。从早期的二维地震勘探发展到现在的三维地震勘探、从构造勘探向岩性勘探的发展以及从勘探地震到开发地震的发展,都伴随着油气资源勘探难度的增加。全球陆地资源经过长期的开采,现很少有较大油气的发现,正在促使油气勘探目标扩展到海洋。近年来,海上油气储量的发现已经成为新增能源的重要来源,我国海域油气勘探开发历经30年的高速发展,油气产量从成立之初的年产9万吨增长到2010年的5000万吨(油当量),在2010年成功建成“海上大庆”。随着海洋勘探进程的发展,现在勘探的重点已经面向一些更具挑战性的环境,如海洋深水区、盐下和玄武岩构造以及碳酸盐油气藏等。在这些环境下获得的地震成像剖面通常较模糊,而目前常规的窄方位角三维勘探很难解决这些成像问题。为此,海上三维地震采集已开始从窄方位角采集观测系统朝着高覆盖、宽方位角、多方位角采集观测系统设计的方向发展。海底OBC/OBN节点宽方位、海上多方位(MAZ)拖缆采集、海上宽方位(WAZ)拖缆采集等新的采集技术,相对于窄方位采集来说,能获得有明显优势的地震多方位、宽方位反射资料,更有利于进行岩石属性和各向异性的研究,是获得高质量地震成像和降低勘探风险的有效手段。针对南海深水区海底崎岖以及陡坡带、断裂带和较大向斜背斜构造下获得的地震成像模糊,成像精度无法满足油气开发需要的问题,深入开展面向目标照明和成像的宽方位、多方位采集设计评价和优化研究,对宽方位拖缆采集时排列要宽到什么程度合适和多方位拖缆采集时多少个拖缆角度合适等进行了详细的研究。论文主要采用正演模拟技术、照明分析技术以及偏移成像等多种手段对这些观测系统进行精细定量的评价和优化,力求对面向目标设计的观测系统给出合理化的修改方案,建立一套完整的、有效的、更加精细的适用于海上观测系统评价的流程和方法,对实际深水区海上地震采集观测系统的设计提供支持。本文主要研究的内容如下：1)从波前构建法基本原理和实现波前构建法的数值解法两方面介绍了基于波前构建法的射线追踪照明技术；重点研究了基于分步傅立叶算子的单程波波场延拓方法,给出了基于单程波的零偏移距下的照明,在此基础上进行了源照明和源检组合照明分析研究,给出了适用于观测系统评价的照明流程,最后对理论模型进行了照明分析试算；2)系统给出了观测系统的基本设计原则；搜集了与观测系统设计有关的靶区地球物理参数如双程走时、叠加速度、层速度、平均速度、埋藏深度、地层倾角等；从覆盖次数、面元尺寸大小、最小炮检距、最大炮检距、偏移孔径以及接收线距等进行了定量化论证,选出合适本工区的观测系统基本参数；3)建立海上靶区三维地震地质模型,针对该模型目标区开展了窄方位、宽方位和多方位观测系统的设计；通过射线照明分析和波动方程照明分析对所设计的多种观测系统进行了定量化评价；分析对比了不同拖缆方向、不同排列长度和不同航线距的窄方位观测系统照明分析确定最佳窄方位观测系统参数；以最佳窄方位观测系统为基础,进一步开展宽方位观测系统中排列宽度的研究和多方位观测系统中方位组合的研究；4)系统介绍了三维交错网格有限差分正演模拟的基本原理,给出了非均匀各向同性介质中三维波动方程的数学表达式；基于一阶速度-应力方程,推导了高阶交错网格有限差分的离散表达式、交错网格有限差分稳定性条件；进行了靶区给定观测系统下的三维波动方程数值模拟并进行叠前偏移成像,从成像效果优选观测系统。通过研究,本文取得的主要成果有：1)实现了基于分步傅立叶算子的三维单程波照明分析算法。由于三维海上模型较大以及观测系统排列较宽等特点,而单程波延拓算法计算效率高,能够为三维观测系统的评价与优化提供手段；给出了基于零偏移距单程波照明的计算过程,并基于此给出了源照明和源检组合照明度能量计算公式,源照明可以直观地分析不同炮点位置及多炮组合情况下地下空间的能量分布特征；源检组合的双向照明分析更接近实际情况,能够进行各种观测系统下的照明度分析。2)通过靶区地球物理参数从定性、定量的角度对观测系统中一些主要参数进行了论证,得到该工区观测系统的参数建议为：面元大小12.5m×12.5m,接收线间距125m,最大纵向炮检距6000m,最小偏移距175m,偏移孔径3600m,覆盖次数大于60次,采样率为2ms,道间距为25m,炮点距50m,排列长度4000-6000m。3)通过射线照明分析得出在靶区内沿着0。、90。及150。方向采集照明能量强,采集脚印不明显；沿着30。、60。及120。三个方向采集时照明图上有明显的条带状阴影区,一方面是由于观测系统本身的滚动线距和航线间距过大产生的采集脚印,另一方面是由于这三个方向近乎沿着断层的走向和构造的走向；通过波动方程照明分析得出沿着90。和150。方向采集时,向斜区域的照明能量要比其它几个方向采集时的能量强,这与采用射线照明方法得到沿90。和150。的方向采集的照明量较高的结果相一致。沿着垂直于构造和和断层的方向采集有利于照明,进而有利于提高目标区域成像质量。4)对基于几何属性和照明分析手段优选出的六种不同观测系统,通过正演模拟手段分别了正演数值模拟,并对正演数据进行叠前时间偏移成像；从时间切片的偏移成像效果最终确定由0。、90。、120。和150。四个方位组合成的多方位观测系统为最佳多方位观测系统；横纵比为0.53的宽方位观测系统为最佳宽方位观测系统。本论文的创新之处主要表现在以下三个方面：1)针对南海深水区开展了面向目标的多方位及宽方位观测系统的设计方法研究,提出了一整套基于海上拖缆多方位与宽方位观测系统的设计流程和方法。2)本文进行了基于面元属性、射线照明、波动方程照明等手段的联合应用,对观测系统进行多属性的定量评价,选提出了一整套有效的海上宽方位、多方位观测系统的评价流程。3)针对南海深水区的复杂构造,通过波动方程正演模拟及叠前时间偏移成像的手段对优选的宽方位及多方位观测系统进行了论证,并最终确定了南海深水区的观测系统设计方案。