垂直地震法(VSP:Vertical Seismic Profile)是一种地面激发,井中接收的地震勘探技术。该技术具有干扰少、精度高、信息丰富、拥有明显的运动学和动力学特征等优点,在地震勘探领域获得了广泛应用。文章从波动方程出发,实现了波场数值模拟,并在此基础上获得高精度模拟VSP数据,再利用各种数据处理方法对VSP数据进行处理,达到了预期结果。整个过程包括理论学习及公式推导、程序编制、模拟VSP数据获取、VSP数据处理及解释应用等主要步骤,基本完成了 VSP方法从理论到实践应用的所有环节,对垂直地震有了直观和深刻的理解。文章首先从一阶速度-应力声波方程出发,推导了基于交错网格的高阶有限差分格式,并加入完全匹配层作为吸收人工反射的边界条件。通过编程实现声波的数值传播过程,并深入分析探讨了网格间距、时间步长、差分精度、子波主频、速度大小等因素对波场稳定性及精度的影响。在得到高精度波场模拟结果的基础上,通过将检波器安置在模型内部并在地表激发的方式得到了模拟VSP记录。得到VSP记录还必须进行各种数据处理才能真正使用。VSP数据处理是一项系统工程,且无固定模式,针对不同数据和目的,处理流程不尽相同,但一般都离不开几个核心步骤。本文主要研究核心算法在VSP处理中的作用,主要包括初至提取、上下行波排齐、波场分离、走廊叠加等。初至提取是VSP处理中十分重要的步骤,其准确性对最终结果有决定性作用。文章利用互相关方法来获取初至,得到了理想的结果。利用该方法获取初至要求道与道之间的相似性较高,同时标准道的初至起跳点的获取要尽量精确。得到初至时间后,将VSP数据减去初至时间实现下行波排齐,加上2倍初至时间实现上行波排齐。波场分离是VSP数据处理必不可少的步骤,本文主要实现了奇异值分解(SVD)、频率-波数域方法(f-k)、中值滤波法三种方法的波场分离,并详细分析了三种方法的优劣及适用情况。总的来说三种方法都能实现波场分离,但处理结果受数据特征和方法本身的影响,结果又不尽相同。奇异值分解法要求上下行波严格排齐,这就要求初至提取非常准确。频率-波数域方法由于利用傅里叶变换作为核心,容易引入新的噪声。中值滤波法在使用过程中应以排齐后的上行波或者下行波作为输入,否则结果受到影响,且窗口长度的选择对结果也有很大影响。在处理实际数据时,应根据数据特征来选择最合适的波场分离方法。文章最后叙述了 VSP资料的解释与应用,并对部分应用附图以详细说明其作用。