作为当前能源开采及采矿安全监测等领域的新兴技术手段,微震监测技术已经成为地球物理界的热门技术之一,微震监测方法所反应信息的及时性、丰富性、准确性也是其他方法所无法比拟的。微震监测在页岩气及传统油气开采方面,主要是利用水力压裂过程中所产生的诸多微震事件,来准确反应压裂裂缝的空间分布与几何形状,从而指导和优化油气采收设计方案;而在采矿安全监测中,则主要是通过统计矿山采动所引发微震事件的密度与空间分布,进一步圈定隐患区域来指导生产。结合微震监测应用的要素不难看出,准确的微震震源定位是微震监测技术在诸多领域应用的重要基础,而有效的震源定位方法则是影响定位精度的重要因素之一。本文以前期对微震技术的研究成果为基础,结合目前国内外主流微震设备的优势和不足,充分考虑当前微震定位方法所面临的诸多问题,采用模块化设计思想,整合各部分优势制定最优化的可行性设计方案。本文将微震定位算法的研究分为方位获取与数据校正和震源定位两种功能单元,其中方位获取与数据校正主要完成微震监测的三分量标准数据构建,包括获取方位数据的底层硬件开发和上层软件校正的基础算法研究,同时结合应用开发部分的功能需求,不断完善软件功能,实现整个系统功能的综合集成。论文通过将各个模块单元进行独立设计,不断完善各部分功能及技术指标,最终完善并形成一种高精度的微震监测定位方法。整个论文主要完成了以下几个方面的工作:(1)主要研究了复杂山地介质中的多波传播理论,通过采取有限差分的方法计算多波波动方程及其起伏地表的边界吸收条件,实现多波波场的正演数值模拟。该部分首先用中心差商逼近波动方程中的偏导数,建立多波(纵波和转换波)波动方程的显式差分格式。其次,该部分以SPML(分裂式完全匹配)方法和NPML(非分裂式完全匹配)方法为基础,提出一种高效的PML改进算法来消除起伏地表的边界影响。最后,该部分以Marmousi模型为基础建立复杂山地地形的理论模型,最终得到地震波场数值模拟结果,并对模拟结果进行对比分析。(2)完成了偏振分析方法理论的研究。首先分析了偏振投影方法,详细介绍了三分量地震数据的传播和偏振特性,提出了三分量波形的偏振方向计算方法,并且该部分利用自适应选择时窗长度方法的原理设计了震源定位的偏振分析方法,并通过数值模拟实验进一步验证了基于自适应协方差矩阵的偏振分析方法。(3)完成了走时差方法的分析与改进。该部分详细的叙述了初至拾取的原理,并设计了基于能量比法和小波分析的精确初至拾取计算方法;最后,该部分对传统的走时差方法进行改进分析,设计了最优化约束的穷举网格搜索法,能够在很大程度上降低走时差方法的时间复杂度。(4)设计了基于偏振分析的微震震源联合定位方法。首先设计了微震三分量检波器的姿态检测方案,通过软件与硬件相结合的方式准确的计算出了检波器的随机方位信息;然后以检波器的方位信息为基础,设计了检波器的校正算法,将三分量的采集数据校正到震源与检波器的连线方向,可以准确的分离出震源传播的方向。最后,该部分联合改进的走时差定位方法和偏振分析方法建立了一种联合定位方法,可以在更为复杂的地质条件下进行微震震源定位。(5)将研究的偏振分析定位方法成功运用到了某煤矿试验区,开展了对该试验区的爆破和微震监测工作,其中包括对采集数据的检波器校正处理、初至拾取工作等,同时用三种不同的定位算法对爆破点进行震源定位计算和对比分析,并对试验区的各个爆破点和监测到的微震震源点进行统计分析。本文创新点主要体现在:(1)基于立体坐标系旋转算法,本文提出了一种以惯性传感器组的方位信息为输入参数的三分量数据校正方法。(2)针对微震监测信噪比较低,无法准确识别出微震事件到时并且长时间监测时,检波器易坏等问题,本文提出了一种基于偏振分析和走时差的震源联合定位方法,能够实现对少量检波器和微弱信号的震源进行定位。