近年来,浅层地震勘探在水文、工程、环境等领域的应用越来越多,这为浅层地震勘探的发展提供了更大的应用平台；同时深部地震勘探技术在油气等领域取得的重大突破又为浅层地震勘探的发展提供了诸多宝贵的经验,浅层地震勘探正是在这样的背景下逐渐发展和完善起来的。但是由于应用领域的不同,浅层地震勘探在地质环境条件等方面与深部地震勘探存在较大的差别,这就要求浅层地震勘探不仅要继承深部地震勘探的方法技术,更要在充分考虑浅层地质条件的基础上建立和完善具有自身特点的方法技术体系,甚至在个别概念和勘探理念上要和深部地震勘探划清界线。为了便于分析不同条件下浅层地震勘探的应用效果,更好的探讨浅层地震勘探的方法技术,本论文在总结实际浅层地震地质特征的基础上采用数值模拟的手段从浅层地震的数据采集、处理和解释等环节开展了研究。本论文研究工作主要集中在以下几个方面：(1)对不同介质中的波动方程进行了研究,从本构方程、几何方程、运动平衡微分方程等基础理论出发,推导了声波方程、弹性波方程、粘弹性波方程以及各向异性弹性波方程,分析研究了不同波动方程所描述的介质物性和结构差异。在此基础上对地震波的数值模拟技术进行了研究,并选取有限差分法作为核心算法,从差分离散格式、定解条件、稳定性及数值频散等方面对其进行了系统性研究。(2)采用Visual C/C++语言实现了对波动方程有限差分法的数值模拟。从最简单的声波方程入手,利用有限差分法实现了对其的数值模拟,对地震波的波场特征有了初步的认识。在此基础上,实现了弹性波方程数值模拟,并与声波方程的波场特征进行了比较。同时采用了波场分离技术,研究了弹性波的多波多分量的波场特征。进一步考虑大地对地震波的吸收和衰减作用,实现了开尔芬体粘弹性波数值模拟,从振幅和频率响应特征分析了与弹性波方程的区别。进一步考虑介质的各向异性,并对各向异性参数对P、S波各向异性的影响程度进行了分析。波动方程的数值模拟,是正确认识不同差分格式、不同波动方程、不同介质物性的重要途径,更是数值模拟应用研究的基础。(3)结合实际情况对浅层地震地质条件、反射波法技术特征进行了分析与总结。本论文一方面分析了浅层岩、土层的波速、粘弹性、各向异性、泊松比等物性特征；覆盖层、潜水面、地形地貌等近地表地震地质特征；基岩风化带、隐伏构造破碎带、高速层屏蔽、沉积层中的软弱夹层、含水层和渗漏带等地下地质构造特征。另一方面,从震源特性、排列特征、背景噪声特征、单炮记录等方面与深部地震勘探作了对比分析,总结了浅层地震反射波法在上述方面的方法技术特点。由此可见,由于近地表的地质条件与深部存在较大的区别,同时浅层地震勘探的施工环境、目标任务和探测对象也与深部地震勘探有很大的差异。因此,浅层地震勘探绝非深部地震勘探的“缩小版”。(4)通过对浅层地震勘探特征的研究与分析,建立和选取了更为符合浅层地震勘探特点的地质模拟及正演模拟参数,针对性的开展了浅层地震勘探的数值模拟研究。在数据采集方面,本论文首先考虑了不同排列长度、炮点位置、最小偏移距对原始记录的不同影响：其次考虑地震勘探分辨率的影响。在此基础上,总结了浅层地震勘探最佳时窗的选取依据。在数据处理方面,针对叠加处理提出了一种基于信噪比和统计特性的二维加权叠加算法,通过数值模拟测试了这种二维权值的性能优势,对比分析了加权叠加算法与传统叠加算法的叠加效果,并模拟了加权叠加算法在组合检波技术以及多次覆盖技术中的应用效果。在数据解释方面,首先通过数值模拟手段,从地震反射界面与地质界面、地震时间剖面与深度剖面、地震剖面与地质构造等多方面分析了地震剖面与地质剖面之间的关系；其次针对浅层典型地质体建立了夹高速层与夹低速层的夹层模型、断层及断层切割模型、含水与不含水的空洞模型,分析总结了上述模型在单炮记录及自激自收剖面上的波场特征；最后结合实测数据进行了数值模拟研究,充分说明了数值模拟可在地震资料正反演联合解译中得到较好的应用。本论文针对浅层地震勘探的地质特点、反射波法的技术特点开展了较为全面的研究,以期为理论指导实践提供一种途径,同时形成一些一般性结论,为实际工作提供佐证和参考。