地震波场数值模拟不仅是地震学的重要基础,也是地震勘探中一个重要的研究方向,不仅可以通过数值模拟来获得模型中地震波传播的路径和旅行时,也可以为复杂地区地震数据采集和数据处理及解释提供理论依据。随着地震勘探难度的日益增加,通过地震波场数值模拟,可以研究地震波在不同介质中的传播规律和特点。有限差分方法是一种直接将微分问题转变成代数问题的近似数据解法,精度较高,是目前数值模拟领域应用最广的方法,在地震波场数值模拟领域具有重要的作用。不同的地质构造会产生不同的地震波场,因此利用有限差分数值模拟方法理论研究不同结构模型的地震波的传播具有重要的意义。本文主要利用有限差分法作了二维各向同性介质中弹性波波场数值模拟。首先推导了弹性波的二阶运动方程和一阶速度-应力方程,并以此为基础,分别推导了高阶常规网格的差分格式和高阶交错网格的差分格式,并给出对应的差分系数。分析了影响有限差分稳定性以及产生频散的因素,提出了相应的解决方法。论文研究了地震数值模拟的边界条件,重点分析了 Higdon吸收边界和PML吸收边界,推导了一阶和二阶Higdon边界以及PML边界的表达式,通过模型试算比较了它们的吸收效果,得出了 PML吸收效果相对较好的结论。为分析弹性波在各向同性介质中的传播规律,本文分别建立了裂缝模型、孔洞模型和Corner-edge模型,添加PML吸收边界,做了高阶交错网格有限差分数值模拟,通过分析每种模型在不同时刻的波场快照以及地震记录,得出以下结论:横波和纵波在界面处都会产生反射波场和透射波场,裂缝产生的绕射波波场和孔洞产生的散射波波场相似,多个裂缝产生的绕射波会互为激发源,不断形成绕射波,这些波场会相互叠加和干扰,进而产生更加复杂的波场,多孔洞模型产生波场同样是非常复杂的;裂缝或孔洞之间的密度越大,它们产生波场的能量越强,借此可以判断地下裂缝或孔洞的密度;在Corner-edge模型中可以看到界面的反射波、透射波,断面反射波以及转换波,和界面角点处的绕射波。在对大型模型做地震波数值模拟时,为节约储存空间和计算时间,GPU以及对应的CUDA编程使得多线程并行被应用到地震波场的数值模拟中。本文中介绍了GPU的架构,给出了CUDA编程的基本模式,通过由简单到复杂的模型试算,分析 GPU的加速效果和计算精度。通过比较CPU和GPU的计算结果,得出了通过GPU加速后的结果与CPU的结果一致的结论。并且随着模型空间网格变细以及有限差分阶数的增加,所需计算时间不断增加,GPU的加速效果更加明显。因此,利用GPU做并行加速,不仅可以保证计算精度,更可以大幅度节约计算时间。