地震正演模拟是地震数据采集、处理、解释三大环节的分析基础,可为地震数据采集、处理、解释提供理论依据以及科学的评估方法。通过地震正演模拟,可以检验采集设计的合理性,处理和解释成果的可靠性以及反演方法和结果的正确性。正演模拟的主要研究方法分为射线追踪法和波动方程法。射线追踪法主要理论基础是几何光学,在高频近似条件下,地震波的主能量沿射线轨迹传播,主要优点是计算速度快,所得地震波的传播时间比较准确。采用波动方程理论模拟地震波的传播,不仅能保持地震波的运动学特征,还能保持动力学特征。有限差分法是基于差分原理的一种数值计算法。有限差分法是一种求解波动方程的快速有效方法,可以很好地适应剧烈变化的地下介质情况,而且地质模型的复杂程度并不影响运算速度。本文在详细分析了地震数值模拟基本理论和方法技术的基础上,针对二维正演模拟进行了研究,详细论述了射线追踪方法和波动方程方法的基本原理,并分别论述了其基本算法。其中在二维波动方程的正演模拟中,对不同阶精度有限差分算子进行了推导,对差分格式的稳定性及边界条件进行了讨论。最终在Windows平台上,利用C++和Fortran语言,并在前人工作的基础上,完成了两点射线追踪试射法和时间方向四阶精度有限差分正演算法功能模块,经多种模型的测试,计算结果正确,算法稳定,适应性较好。文中结合能源勘探和工程勘查中可能存在的地质问题,设计了多种地质模型,包括断层模型、透镜体模型、薄层模型以及空洞模型等,分别进行了射线和有限差分法正演模拟,并对其效果进行了分析和比较。结果表明,两种算法均可进行一般地质问题的正演模拟,其中有限差分算法对复杂模型的适应性更好,模拟结果的精度和可靠性较高,波场动力学特征变化可信,可直接用于辅助地震勘探(查)设计、资料处理和解释。