信噪比一直是地震勘探中数据采集和处理阶段所关注的重要内容,高信噪比资料有益于地震数据的处理和解释。然而,在强噪声、复杂矿区环境下,或进行深部地震勘探时,所采集的原始地震资料的信噪比低,严重影响了后期的地震数据处理和解释。时域地震波束形成方法通过在目标方向上形成定向地震波束,能够明显加强目标方向上的信噪比,从而提高地震勘探的质量和效率。时域地震波束形成方法可在震源端或接收端实现。在震源端形成地震波束时,需要多台可控震源或大量炸药震源,导致采集成本明显增加;震源之间的不一致性,极易影响地震波束的形成;同时,采用单个延时参数仅能提高单个目标方向的有效信号,要加强其他方向区域信号,就需要采用多个延时参数重复采集,工作效率极低。以上因素制约了震源端地震波束形成方法的推广和应用。接收端地震波束形成方法很好的解决了震源端地震波束形成方法存在的问题。它通过对单震源采集的地震数据,利用数据处理方法合成定向地震波束。由于地震波束是在数据处理阶段实现的,因而不需要特殊的数据采集方法,而且,可以自由选择延时参数,实现任意方向地震信号的加强。但是,无论在震源端还是在接收端进行地震波束的形成,每次都只是采用单个延时来加强单个方向信号,无法得到多个方向同时加强的地震数据。况且,作为地震数据预处理方法,这种时域地震单波束形成方法(包括震源端地震单波束形成方法和接收端地震单波束形成方法),会产生多组不同方向信号加强的数据,增加了地震数据的存储成本和后期地震数据处理的工作量,不利于后期地震解释工作的开展。为此,本文基于接收端地震单波束形成方法,提出了时域地震多波束形成方法。论文围绕理论、数值模拟、方法、仿真和实际数据应用五个方面,展开对时域地震多波束形成方法的研究,主要内容如下:理论方面,阐述了时域地震多波束形成方法的理论基础。首先,通过研究相控阵列形成地震单波束的基本原理可知,地震波束形成的关键在于相邻震源之间保持恒定相位差或延时时间激发;然后,以地震单波束形成为基础,根据地震波场叠加原理,提出利用多个地震单波束合成地震多波束的思想,并从理论推到了地震多波束形成原理;再次,分析了地震多波束的实现方法可通过震源端和接收端两种方式,基于两种方式的工作原理,对比了两种形成地震多波束优缺点,提出采用基于接收端的时域地震多波束形成方法。最后,从震源数量、震源间距、延时时间、地震波速度等方面对地震波束的主波束方向和宽度作了进一步的研究分析,同时,对地震多波束叠加特点进行了讨论分析。该部分内容是全文工作开展的基础。数值模拟方面,利用波动方程有限差分数值模拟方法,模拟地震多波束在多种介质条件下的传播规律。通过分析有限差分正演模拟理论,提出时域地震单波束数值模拟的关键在于震源初始条件的设定。根据时域地震多波束形成理论可知,通过设定震源初始条件难以直接实现时域地震多波束的数值模拟,为此,提出利用多个地震单波束波场的叠加方法来实现。最后,将时域地震多波束的数值模拟方法应用于均匀介质、层状介质以及多矿体模型,成功模拟了地震多波束在简单介质和复杂介质中的传播规律,结果表明时域地震多波束方法能够同时加强地震多个方向目标的地震波场,理论上证明了时域地震多波束方法在提高地震记录信噪比的可行性。方法方面,针对时域地震单波束形成中存在的畸变波场影响地震多波束的形成问题,提出了两种多波束形成方法:局部相关加权时域地震多波束形成方法和时域自适应加权地震多波束形成方法。局部相关加权时域地震多波束形成方法是针对时域地震单波束形成中存在的畸变波场影响地震多波束的形成问题而提出的。首先,根据时域地震波束的形成原理可知,地震波束的形成在时域中表现为不同信号的延时叠加过程。以三个地震信号的叠加为例,通过分析时域地震波束形成过程中存在主波束方向的有效信号和主波束方向外的畸变信号特点可知,有效信号的增强源于不同信号的同相叠加,而畸变信号的产生源于延时参数不足以补偿不同信号之间的相位差。根据时域地震波束形成中的信号畸变分析,提出利用局部最大相关系数生成权系数,来提取主波束方向信号。依据时域地震多波束的形成原理,通过理论推导,提出了两种局部相关加权方法:波束定向前局部相关加权和波束定向后局部相关加权。加权权值主要通过对原始中心记录与地震波束定向记录之间的局部最大相关系数谱的一系列处理,包括延时滤波、单道阈值滤波、多道中值滤波、全局阈值滤波以及编码,而得到。为了进一步阐述和扩展局部相关加权时域地震多波束形成方法的实现过程,提出了时域地震多波束随机噪声压制方法。根据时域地震多波束形成原理,从理论上推导出单个地震记录形成时域地震多波束的方法。该方法主要通过角度域的分割和主波束信号的提取和叠加,最终实现单炮记录地震多波束的合成。时域自适应加权地震多波束形成方法是针对局部相关加权时域地震多波束形成方法存在流程多、操作复杂、处理参数多等问题而提出的。通过引入局部时窗参数,将地震共接收点数据划分为不同时窗内的数据,进而在不同时窗内进行地震波束形成,避免了对地震主波束方向信号的提取;利用互相关算法和改进的模拟退火算法的联合延时估计,消除了地震波束定向过程中存在的延时参数;通过最优权估计,极大的提高了地震波束信号的信噪比。相比于局部相关加权时域地震多波束形成方法,时域自适应加权地震多波束形成方法中的大部分参数主要依据数据直接获得,因而可变参数少,流程简单,易于实现。同时,也存在计算量大的问题,因而,该方法的进一步改善的关键在于计算速度的提高。在仿真和实际数据应用方面,将不同的时域地震多波束形成方法应用于不同信噪比的仿真数据和野外数据,结果表明:局部相关加权时域地震多波束形成方法在提高地震原始资料和地震剖面信噪比上具有重要意义;时域地震多波束随机噪声压制方法能够有效改善地震单炮记录中同相轴的连续性,较大程度压制了地震记录中的随机噪声;时域自适应加权地震多波束形成方法具有同时加强全方向地震信号的能力。综上所述,本文主要从理论、仿真角度证明了时域地震多波束定向方法在地震勘探中的有效性,从方法角度提出了不同的时域地震多波束定向方法,仿真数据及野外数据证明了不同时域地震多波束形成方法,对提高地震资料信噪比的重要意义。