油气资源短缺是我国当前和今后面临的一个重要问题,随着油气资源勘探程度增加,新发现构造油气藏越来越少,油气藏勘探开发重点逐渐转向地层油气藏、岩性油气藏等复杂油气藏。地震储层预测更加依赖高效率、高保真、高分辨率数据处理方法,迫切需要一套新理论、方法能够贯穿于整个地震勘探生命周期。地震信号典型特征是信息冗余,即海量地震数据中所携带的信息是有限的。这种结构特征可以采用稀疏进行建模。以稀疏表示为核心的稀疏理论摆脱了传统信息论的缺点,通过少量的系数揭示蕴含的信息。地震信号满足的褶积模型与稀疏表示形式相同,采用稀疏理论能够快速简单地处理地震数据。论文的目的是研究地震信号稀疏化以及在叠前道集优化处理和储层预测中的应用。取得的研究成果和结论包括:1.针对地震信号的结构特征,对已有稀疏表示目标函数提出3点改进:（1）采集和处理环节可能会产生异常值,L2-范数和LF-范数拟合项会放大异常值的影响,将L1-范数和L2,1-范数拟合项引入目标函数能够提高算法的异常值鲁棒性。（2）地震子波构造子波字典具有较高的相干度,不满足稀疏表示的非相干字典要求,将L1-2-范数正则化引入地震资料处理。（3）L1-范数和L2,1-范数正则化存在系数矩阵惩罚不均衡的缺陷,借鉴迭代重加权对目标函数进行修改。基于以上3点改进,提出了迭代重加权L1-L1-范数、L1-2-L1-范数、L2,1-L2,1-范数3种稀疏表示算法。2.传统叠前多道算法处理共炮点道集和CMP道集。这两种道集中直达波和折射波为倾斜同相轴,反射波为双曲线型同相轴,不能发挥多道算法优势。共偏移距道集地震数据具有水平同相轴结构,各道反射波到达时间和信号结构相同,表现出较好的空间相干性,满足共稀疏性条件。结合联合稀疏表示和共偏移距道集数据处理的优势,将联合稀疏表示算法应用于共偏移距道集就能够利用信号的空间相干性,提高去噪算法性能。3.常用地震数据处理方法建立在均匀各向同性层状介质基础上,动、静校正后叠前道集仍存在剩余时差,同相轴校正不平。利用动态时间规整逐点校正地震道,容易造成信号畸变。提出了一种结合稀疏表示和动态时间规整的新方法。该方法利用反射系数序列可以看作是地下地层单位冲击响应,为脉冲序列。由地震子波构造字典后,利用稀疏表示反演反射系数序列,就能消除波形影响。再对反射系数道集进行校正就能避免波形畸变,同时抑制随机噪声。4.地震反演应用于薄储层预测面临3个困境:（1）薄层时间厚度往往小于调谐厚度。由于薄层调谐,反射波受邻层影响较大;（2）反射波能量弱且连续性差,单道反演横向连续性不好;（3）有效信号弱而噪声强。针对以上3个问题,将联合稀疏表示引入地震反射系数反演,构造一种新的多道反演算法。采用双极子分解构造楔形子波字典,提高反演结果分辨率。动校正和剩余时差校正后的叠前地震数据具有水平同相轴结构,满足共稀疏性假设条件,利用联合稀疏表示反演叠前地震道集能够提高反演结果的鲁棒性和横向连续性。局部地层近似为水平地层,近似满足共稀疏性假设,利用联合稀疏表示实现叠后多道反演是可行的。并且多道参与计算相当于增加约束条件,能够缩小解空间,降低多解性。5.地震信号是非平稳信号,但截断信号可以看作是分段平稳的,其时频谱是近似稀疏的。将时频分析采用的信号截断看作是对信号的重采样过程,将压缩感知引入时频分析,利用稀疏表示算法就能够恢复高分辨率时频谱。同时,地下地层沉积相带、物性和流体性质变化会引起地震信号波形和时频谱变化,往往时频谱变化较波形变化更为显著。但时频分析造成数据高度冗余,增加解释工作量。将时频分析和聚类算法结合起来提出时频域波形分类。利用测井解释标定聚类结果后,就能够作为一种直接烃检测方法辅助储层预测。同时降低低频阴影等解释方法的不确定性。6.以某区实际资料为例验证所提方法的有效性。通过叠前道集优化处理实现随机噪声压制和同相轴校平,为储层预测提供高信噪比、无剩余时差叠前道集。主力储层（P5砂层）测试结果验证了基于稀疏理论的储层预测方法的适用性和精确性。