随着对石油与天然气资源勘探难度的增加,地震勘探领域的革新迫在眉睫。全波形反演技术因其高分辨率速度建模和多参数反演的能力,成为了地震勘探领域的一大研究热点。但仍存在强非线性、计算成本高和对初始模型的极度依赖等问题未得到解决。本文针对部分问题进行了研究,内容概括如下:使用高阶交错网格有限差分法求解声波方程,并使用CPML边界与区域分解并行策略,实现了高效、高精度的地震波场数值模拟。介绍、推导了全波形反演的基本数学理论,并实现全波形反演的数值实验,验证了其高精度建模的能力。针对不同特点的地震数据,使用了不同的全波形反演目标函数和灵活的反演策略进行计算。本文实现了多尺度全波形反演,数值实验结果证明该策略可有效缓解全波形反演的非线性,避免了“周波跳跃”现象的发生,大幅提升反演精度。针对反演问题中的震源子波估计,本文使用全局相关目标函数进行全波形反演,并与常规全波形反演结果进行对比,全局相关目标函数可在震源子波不一致情况下,反演出更具参考性的结果。针对地震数据中低频成分占比不高的情况,利用希尔伯特变换计算包络,提取数据的低频成分并建立目标函数,并使用对数包络进行包络反演为后续反演提供良好的初始模型。随后借鉴了多尺度反演思想,采用低频包络与多尺度反演相结合的策略来进行全波形反演,获得了令人满意的结果。