薄层是指其双程旅行时间厚度小于入射波调谐厚度（1/4波长）且在常规地震剖面上难以分辨的地层,而薄互层是由不能被地震反射区分出每个单层的多个薄层组成的一套地层。在地震剖面上,因为主频低,薄互层常表现为混合的复合波,地震描述与预测难度很大。而当前薄互层的研究难点是:1、薄互层储层太薄,地震分辨率严重不够;2、因强屏蔽盖层影响,下部反射呈弱信号;3、储层横向非均质性很强,连续性不易追踪与控制。因此,本文针对薄互层问题进行了一系列的研究。首先,根据地震褶积正演模拟,对双层薄互层的楔形模型和典型多层薄互层模型进行了讨论,研究了合成地震记录上薄互层的特性和研究难点,为后续薄互层地震资料的稀疏反演和拓频提供了理论基础。其次,阐述了压缩感知原理并验证了稀疏信号重构的可行性。针对地震资料,推导了常规压缩感知进行反射系数的稀疏重构反演公式,再根据反射系数补偿地震资料的低频信息和宽频子波褶积拓展高频信息,从而提高地震资料的分辨率。再次,讨论了在稀疏反演和拓频过程中算法、正则项和子波等参数的作用,并引进了并行运算、除偏思想、回溯思想、多道加权复赛谱和子波谱模拟,来提高迭代效率、改进迭代算法、选择正则项算子、提取反演子波和优选宽带子波等。最后,考虑到噪声问题和强屏蔽干扰问题,结合高斯函数和沿层信息,分别提出了基于压缩感知的高斯频率域拓频方法和基于压缩感知的沿层L2范数约束反射系数域去强屏蔽方法,并用模型测试和实际资料应用证明了两种新方法的效果。