在传统的走时层析方法中,通常把地球介质看成是各向同性介质,而众多研究都已经证实各向异性在地球介质中普遍存在,各向同性与各向异性存在明显的差别,使得传统走时层析方法在反演速度、静校正、偏移以及地震解释等方面都明显的受到理论制约,随着地震勘探精度的不断提高,各向异性信息越来越重要,传统的基于各向同性理论的走时层析方法已经远远不能达到现代地震数据处理的要求,因此二、三维各向异性介质的走时层析反演方法具有非常重要的研究意义。本文以本构方程为基础,在前人研究的基础上,简要介绍了VTI介质的基本概念,以及相应的群速度表达式,推导了非椭圆系数表征的群速度近似表达式的过程,通过数值模拟波场快照,讨论了与各向同性介质相比,VTI介质对波场的影响,进一步证明了对各向异性介质研究的必要性。二维VTI介质初至波走时层析是反演近地表各向异性参数的有效方法,与各向同性走时层析相比,其难点是初至波走时的计算和各向异性参数的联合反演。本文利用垂直速度、动校正速度和非椭圆系数三个参数以及Thomsen参数两种参数化方法表征各向异性参数,通过解程函方程,引入了VTIFMM(VTI Fast Marching Method)算法计算走时,并且通过数值模拟证明了该算法具有精度高、算法稳定、计算速度快等特点。使用基于Runge-Kutta算法的射线追踪,并根据相应的群慢度近似表达式提出了两种参数化方法即垂直速度、动校正速度和非椭圆系数参数化方法(即第一种参数化方法)以及Thomsen参数化方法(第二种参数化方法),并推导了相应的各向异性参数的敏感核函数表达式。通过分析各参数间的数量级问题,依据各参数对核函数的影响,简单总结出了ε和δ的选取原则,同时对比了两种参数化方法的优劣,同时从理论上方面证明了该算法不仅适用于VTI介质,而且可以推广到其它各向异性介质。最后利用LSQR算法实现了两种参数化方法的联合层析反演。三维初至波走时层析广泛应用于实际资料的处理,为后续偏移、静校正等处理方法提供具有一定精度的初始速度模型。但是对三维VTI介质初至波走时层析的研究却很少,其难点主要在于三维VTI介质各向异性参数的联合反演以及大规模三维数据的处理。本文在二维VTI介质走时层析反演的基础上,将两种参数化方法拓展到三维,为了解决三维大数据的运算效率问题,本文将MPI并行算法应用到三维VTIFMM中,有效提高了运算速度,并且通过引入各向异性参数的Tikhonov正则化,提高了反演精度,实现了两种方法的三维VTI介质初至波走时层析。分别利用两种参数化方法对三维理论模型和实际资料进行测试,结果表明两种参数方法都可以反演出近地表各向异性参数,但相比之下,第一种参数法方法具有更高的精度。最后对VTI介质初至波走时层析反演进行了相关归纳,并且总结了文章的不足之处。