地震勘探技术经过几十年的发展,逐渐的由二维过渡到三维,由叠后走到叠前,由时间域发展到深度域。众所周知,叠前深度偏移方法能够有效地解决复杂构造和严重横向非均质地区的地震资料成像问题,目前已经成为三维地震资料处理的常规手段,但当前地震解释和储层预测依旧停留在时间域,即利用“深-时-深”过程先将深度域成像数据转换到时间域,然后在时间域反演解释,最后再将反演结果转换到深度域,不仅费时费力而且重采样会造成精度损失,而制约深度域直接反演方法发展的关键在于深度域“子波”不具备线性深不变性质,褶积关系不成立。为理清深度域反射波场的形成机制与物理含义,本文阐述了深度域地震偏移成像基本理论,在积分类深度偏移方法中以Kirchhoff偏移为例,在微分类深度偏移方法中以逆时偏移为例,通过数值计算分析了深度域地震同相轴的波形及振幅属性。基于广义绕射叠加理论,定量分析了黏弹性介质深度偏移成像的分辨率。这些都为后续研究工作奠定了良好的基础。考虑到深度域“子波”的深变特性,本文将时间域时变子波和非平稳反褶积的思路过渡到深度域,探索了基于“深度域广义子波”的深度域基追踪地震反演方法,其核心在于用“深度域广义子波”表征深度域反射波形响应。“深度域广义子波”通过地震道基追踪谱分解及点谱模拟方法唯一获取,其本质就是表征局部深度域地震资料波形属性的等效算子,利用“深度域广义子波”可以实现高精度井震标定。在反演过程中,利用“深度域广义子波”建立起非平稳波形字典,在层稀疏约束下再次利用基追踪算法实现深度域的高分辨率地震反演。考虑到“深-时-深”反演过程分步操作费时费力、误差累积以及重采样精度损失等缺点,本文将“深-时-深”转换过程统筹起来,推导了基于时间域震源函数和深度域模型的深度域合成地震记录解析式,并据此在广义线性反演框架下推导了深度域Jacobian矩阵,形成了深度域地震宽带约束广义线性反演方法。尽管该方法是基于“深-时-深”过程推导得到,但其实现了时深转换和反演参数中的速度变量的统一表征,同时避免了测井以及地震数据的反复重采样,只是将局部时深关系转嫁到连续时间域震源函数采样中。该深度域广义线性反演方法相对于“深-时-深”过程能获得更高的反演精度,同时能有效避免“深-时-深”过程中可能出现的由于误差累积而导致的层位错动。考虑到透射损失、层间多次波、波模式转换等因素,本文基于逆散射理论在tau-p域开展了非线性叠前全波形反演,反演过程从平滑的低频背景场出发,交替迭代求解数据方程和目标方程,在共轭梯度框架下采用乘性正则化方法求解对比度参数,采用优化的散射级数Neumann序列获得整体波场,最终获得高分辨率的深度域地下介质弹性参数,发展形成了基于逆散射理论的叠前全波形反演方法。从本质上讲,基于“深度域广义子波”的深度域基追踪地震反演与深度域地震数据广义线性反演方法的关键都在于实现深变“子波”的定量表征,只是前者在空间-波数域实现,后者在空间-时间域实现,二者都有其优缺点及适用范围。而基于逆散射理论的叠前全波形反演方法尽管精度较高,但其计算效率很低。模型和实际资料测试表明,本文所述的地震反演方法为深度域直接解释与储层预测的反演方法提供了方法思路,具有广阔的应用前景。