地震岩石物理和地震波正演模拟是计算地震参数与地球介质物性参数之间定量关系的有效途径。地震岩石物理主要研究地球介质的矿物组分、孔隙度、围岩应力和孔隙压力、孔隙流体类型和饱和度、各向异性等物性参数对岩石纵横波速度等弹性参数及衰减的影响,对地震正演模拟和反演结果的解释有着重要的作用。地震波正演模拟主要研究地震波的传播特性与地球介质弹性参数的关系,对人们正确认识地震波的传播规律,进行实际地震资料的地质解释与储层预测以及地球资源开发等,均具有重要的理论和实际意义。岩石物理和地震波正演模拟相结合,有助于地震波与岩性、流体类型之间关系的定量分析、反演结果物理意义的解释以及储层预测有效工具的建立。岩石物理建模是进行岩石物理研究的主要方法之一。本文在一定的假设条件下,使用理想的岩石物理模型等效实际岩石,将饱和岩石的弹性性质与岩石基质、岩石骨架、孔隙流体的性质联系起来。针对碎屑岩储层,对Xu-White模型的适用性及局限性进行了分析,提出了变孔隙纵横比模型等改进模型。针对非均质储层的岩性和孔隙特征,包括致密砂岩的低孔隙度和裂隙发育特征,碳酸盐岩孔隙结构复杂、孔缝洞共存的特征,页岩中有机质的定性排列特征等,构建了几种相应的岩石物理模型,建立了非均质储层物性参数与弹性参数之间的定量关系。孔隙介质中弹性波传播问题的相关研究是提高复杂储层油气勘探精度的关键问题之一。弹性波在实际地层中传播时会发生频散和衰减,而且流体的存在会对这两个特征产生重要的影响。根据岩石物理理论,计算裂隙诱导各向异性介质的等效弹性参数,结合流体流动的BISQ机制,推导出了三维各向异性孔隙介质的弹性波传播方程,在频率-空间域中求取该方程的平面波解,得到了描述弹性波相速度和衰减的波数方程,从而确定了各类波的相速度和衰减表达式;并分析总结了不同波的相速度和衰减特征随孔隙度、泥质含量、流体饱和度等储层物性参数的变化规律。结合地震波基本理论进行正演模拟是认知和解释地震特征的基础。本文基于Biot理论,从非均匀孔隙介质弹性波的一阶速度应力方程出发,使用交错网格高阶有限差分方法进行方程求解。基于有限差分的频散方程推导了更为准确和稳定的有限差分系数。考虑到多种尺度地质体共存的情况,使用稀疏网格对大尺度地质体或者弹性参数变化缓慢的区域进行稀疏采样,使用精细网格对小尺度地质体或者弹性参数变化剧烈的区域进行加密采样,并在两种网格区域分别使用较大和较小的时间步长,推导了稀疏网格和精细网格过渡区的差分格式,实现了不同网格之间地震波的稳定传播。将变网格高阶有限差分正演模拟算法用于多个缝洞型储层模型,分析缝洞尺度、缝洞与地层界面的位置关系、孔隙度、含流体性质以及泥质含量等与地震波场特征的定量关系,研究结果为多尺度非均质储层的解释和反演提供了理论依据。