当前，我们所面对的勘探目标要比以前更加复杂和困难(如复杂的地表条件和地下构造)，使得依赖地震等单一物探手段难以得到高质量的成果，需要综合利用各种地球物理方法，从不同角度研究同一地质对象。联合反演是综合地球物理重要的定量解释工具。已有的研究表明，将各个单独反演问题结合成一个联合反演问题，可降低联合反演在描述参数几何形态时各单独反演问题之间的自由度数，从本质上提高了地球物理研究的效果，理论上已给出了联合反演问题比单独一种地球物理资料反演更优越的结论。 地震勘探的发展已经不仅局限于得到地下构造信息，而且在获得构造信息的同时，要求提取有关的岩性信息。与地面地震勘探相比，VSP在井旁一定范围内有更高的空间分辨率，但是VSP资料探测的横向范围很小；而地震资料在横向上可在很大范围内追踪地层厚度和岩性变化，但纵向分辨率相对较低，且是远离地层界面的间接观测，并且地震反射层析成像方法存在速度与物性界面形态的多解性。如何能将这两种资料结合起来，取长补短，将纵向分辨率很高的VSP数据，通过地面地震资料横向外推，以获得地下一定范围内精细的高分辨率地层和岩性变化细节，至今仍是地质和地球物理学家努力追求的目标。 实现上述目标，涉及两种资料分辨率匹配的问题。通过降低VSP资料的分辨率或同时提高地震资料的分辨率，可解决这一难题。如何实现工程VSP和地震反射层析成像这两个方法、两种数据真正的联合，提交更精细、高质量的成果也是需要研究的内容。 工程VSP和地震反射层析成像联合反演方法(简称联合法，以下同)，是综合利用工程VSP和地面地震反射层析成像方法的优势，将两种地震勘探手段融为一体而成为优化组合技术下的高分辨工程物探方法。 论文在对地震层析成像方法和地球物理中联合反演方法的研究现状及存在的问题论述基础上，针对工程勘查的特点，提出对工程VSP方法，避开拾取反射波旅行时的地震反射层析成像方法，以及联合法开展研究的必要性。 首先介绍了地震反射层析成像方法的方法原理，重点讨论了基于相干叠加的相似函数建立及求取的问题。针对相似函数求取的关键技术，从3个方面开展了讨论。第一，由于相似函数的极大值不唯一，模型参量过于复杂，如何进一步简化模型并且避开速度、深度的不唯一性，提出了以直线代替曲线的思路，使求取的局部模型只有速度、深度、倾角等3个参数。第二，在简化模型的基础上，讨论了观测方式，以及记录道的选取、叠加方式等问题：第三，根据地震反射勘探的特点，讨论了如何在有声波、面波、折射波等干扰波的背景下，通过调整计算参量使反射波达到最好的相似。文中通过对3个模型射线追踪的数值模拟，表明所选用的方法精度高、运算速度快、稳定性好。基于相干叠加法，文中用3个模型的正演，展示了不同地层结构下的时距曲线和合成波形图，有助于我们对波形特征的了解和认识；接着又通过4个模型，对记录道的选取、叠加方式问题等进行了论证，同时对计算中的子波波长、周期、反演时窗大小、噪声值等参数开展了讨论，论证了合适的观测方式和记录叠加方式，其中第4个模型的计算证明，所研究的方法具有一定的抗干扰能力。多个模型的理论计算证明，文中所开展研究的成像方法在算法上是稳定的，方法是可行的，并具有一定的抗干扰能力。最后，对野外数据的采集技术开展了研究。 其次，文中介绍了VSP方法的基本原理和方法技术特点，包括VSP剖面中常见的几种地震波的类型，相应的时距曲线方程，及射线追踪求取层速度的方法。对工程VSP的观测系统、观测方式和数据采集技术，尤其是多变偏移距VSP采集技术展开了讨论，在工程领域开展变偏移距VSP和工程逆VSP是可行的。鉴于工程勘查的实用性，文中讨论了工程VSP处理方法,并提出了适合工程勘查用的工程VSP数据处理流程和工艺。最后，结合实际测试的资料，介绍了工程VSP解释方法与应用情况，讨论了工程VSP野外工作方法主要是观测系统与数据采集技术。 联合法的研究是本文重点。文中在介绍了联合法的原理之后，建立了联合法的目标函数。针对目标函数的求取问题，从以下5个方面开展了研究。(1)数据参数的选取：VSP数据和地面地震反射数据的匹配及联合反演是主要的问题，VSP资料将选取上行波场数据，地面地震反射则选取原始的全波形记录一起参加反演计算；(2)反演模型的简化：因目标函数的极大值不唯一，模型参量过于复杂，采用以直线代替曲线的方案，使求取的局部模型参数只有3个即速度、深度、倾角，计算时不断调整参数去实现极大值的求取；(3)观测系统：地面地震反射层析成像法可按常规的多次覆盖系统采集数据，反演时确定从共反射段中选取对应的地震道记录，工程VSP则宜采用非零偏的观测方式；(4)干扰波的消除：用F-K波场分离技术获取上行波，在最佳窗口选取地面地震记录资料，同时反演时调整参数避开干扰波，使波形达到最好的拟合：(5)反演的约束条件：主要选取VSP求取的层速度，和由VSP获得的井旁构造作为联合反演的初始条件参数，并作为反演中的约束条件，以保证反演结果的稳定和合理。在对方法原理及关键技术讨论后，文中通过一个模型在无噪和有噪不同条件下的计算，证明了算法是稳定的并具有一定的抗噪能力，联合法是可行的。接着又通过3个不同的模型，分别讨论在有噪声和无噪声、有干扰波和无干扰波等不同的条件下，比较了单一的方法和联合法的计算结果。计算表明，联合法是优于单一的地震反射层析成像方法。讨论了联合法的两种观测系统，以及数据采集技术要求，包括仪器设备和观测参数的选取，VSP监控检波器的埋置等问题。论文最后讨论了联合法的数据处理方法流程和工艺。最后是实例分析，介绍了联合法在滑坡体的应用情况。 通过本文的研究，得到了一些有指导意义的结论： (1)浅地表工程地质环境在给VSP方法带来某些技术难点的同时,也给此方法技术的研究和应用提供了更为广阔的空间。例如在能源勘探界至今尚难以用于工业实践的一些前沿技术，在浅地表工程地质领域中都有可能发展为一系列新颖的实用技术，如井中多次叠加和组合接收技术，多道三分量定向观测，井中激发三维逆VSP方法，以及井～地联合勘探方式等等，在浅地表条件下其可实现性极大地增强，进而使得勘探手段更加完备。成果内容更加丰富和精细程度更高。除实用技术的应用研究具有更为诱人的前景外，对地震波传播规律的研究和认识也可更深入。 (2)工程VSP方法，既不同于声波测井，也不同于岩土工程中的PS测井。该方法除具备现行PS测井的全部效能外，它充分利用了直达波和反射波的内在联系，不仅能精确地给出地震波“速度～深度”亦即“速度～时间”之间的对应关系，最重要的是建立了“反射界面～地质属性”和“地震参数～地层物性”对比解释的“桥梁”。 (3)通过分析不同深度处的直达波(透射波)振幅，频谱及波形特征，以及不同类型的波在地震界面上的转换现象等，进一步研究岩土层的吸收特性及相关问题。进而为岩土工程力学分析与评价提供更加丰富的参数信息。 (4)研究的地震反射层析成像方法，它避开了直接拾取反射波旅行时的问题，通过求解目标函数最优问题反演地层的速度、界面，由于这里的速度已不再是叠加速度，而是真实的地层速度，因而在实践中具有一定的应用前景。 (5)无论是在钻孔内还是在隧道中，工程VSP、以及工程VSP和地震反射层析成像联合观测方式下的成果资料中具有丰富的地质信息，这是仅利用首波的勘探方法类所不能替代的检测技术。 (6)联合法能够获取观测井段或隧道岩体内部的速度参数，地震波传播特性参数，并可以对井间、隧道、或井旁等周边岩体内部的结构面及裂隙发育带等，做出高可信度的预测和估计。此外在钻探或隧道工程掘进的过程中，通过工程VSP测量可以有效地预测前方地质层位的大致位置或埋深，以及对特殊地质现象的估计。进而指导工程施工，将会节省工程量的投入。 (7)联合法工作时，利用VSP方法和地震反射层析成像法数据采集方式的兼容性，几乎在不增加勘探费用的情况下，还可获取变偏移距(WVSP)数据。 (8)在观测井位附近的一定范围内(数十米～数百米)，VSP成果资料和数据是浅层地震资料精细处理和定量解释的最佳参数和信息。特别是工程VSP与过井地震反射相结合等灵活新颖的观测方式，将使多种地震资料的成果信息与地质现象之间的联系更为密切，进而使复杂工程地质问题的研究和分析步入一个新的台阶。 (9)工程VSP和地震反射层析成像联合反演法，不仅可以获取钻孔周围的垂向速度的分布及井旁岩性特征，而且可以有效地探测出过井岩体内的结构面，克服了单一方法的不足，提高了勘探成果的质量。