受鬼波、地层衰减、频散等影响,常规海洋拖缆采集存在明显的低频缺失、陷波现象、高频衰减等问题,难以准确获取海底目的层的有效反射信息。为了实现高精度、高分辨率成像,本文对海洋宽频地震勘探进行了深入研究,从海洋宽频地震正演模拟、常规拖缆原始数据鬼波压制、低频信号重构、高频振幅衰减补偿、海洋宽频地震勘探新方法等方面,相应提出了几种解决方案,模拟算例和实际数据验证了我们方法的有效性。本文结合伪谱法精度高和有限元法能灵活处理复杂地质结构的优点,提出了复杂构造网格剖分及其高精度谱元正演模拟方法。在空间上基于Delaunay三角网格剖分方法对模型区域进行剖分,再分别使用间接法和波前法在边界处和模型区域内部将三角形网格重组为四边形单元,进而利用等参变换实现网格规则化。复杂构造网格剖分方法能灵活地适应速度边界的变化,且网格大小均匀、剖分质量较高,谱元法正演模拟有效提高了海洋地球物理数值模拟精度,为海洋宽频地震处理与解释提供正演算子和理论基础。对于常规拖缆原始数据,本文研究了反褶积、逆散射级数法等鬼波压制技术,并提出了基于格林函数理论的鬼波压制方法。根据菲涅尔原理,通过求解“Double Dirichlet”格林函数,可对压力波场和垂直速度波场进行预测,进而压制检波点鬼波。基于格林函数理论的鬼波压制方法作为一种数据驱动的鬼波压制方法,无需地下介质的任何信息,可有效拓宽地震资料频带,尤其是低频端;并且,在叠加过程中,随机噪声得到有效压制,提高了信噪比,具有实际意义。由于地下介质的吸收作用,地震波在传播过程中会产生高频衰减和扩散,降低了资料分辨率,本文研究了反Q滤波、谱白化等振幅补偿方法,并提出基于压缩小波变换(Synchrosqueezing wavelet transform,SWT)的频率补偿方法。压缩小波变换沿频率方向对小波变换复数谱进行重排,拓宽了资料的有效频带宽度,同时能保持地震剖面同相轴之间的能量关系不变,提高了时频分辨率。对于鬼波和地层吸收、衰减导致的低频能量降低,本文结合稀疏反演和压缩感知原理,在频率域利用有限带宽恢复全局带宽能量,对地震资料的低频信息进行重构,从而提升低频端能量。除高精度、高分辨率宽频处理之外,本文重点研究了上下缆、双检、变深度拖缆等宽频地震勘探方法,从源头出发,获得宽频带的地震原始资料。上下缆采集技术综合利用上缆的频带宽,分辨率高和下缆的低频能量强、信噪比高优势,通过波场分离获得不含鬼波的上行波场。上下缆采集原始数据合并处理中,研究了“dephase and sum”(DPS)、“Optimized deghosting”(ODG)、“Shift and subtract”等合并算法,进行鬼波压制。利用上下缆不同深度组合的等效陷波频率特征,本文提出了寻找陷波影响最小的缆深沉放组合方法,优化观测系统,有效提高采集效率。双检采集技术综合利用水检(压力检波器)和陆检(速度检波器)输出信号存在频率、振幅、相位等方面的差异,进行鬼波压制,作为唯一一种直接测量原始压力波场和垂直速度波场的采集方式,双检采集对结果更具有说服力。双检采集原始数据处理过程中,本文提出了基于格林函数的双检数据合并方法,无需地下介质信息,即可实现双检合并,能够适应复杂海洋地形和地质情况。变深度拖缆采集技术允许检波器随着偏移距增大有不同的沉放深度,这种变化特性在数据采集过程中引入了大量多样化的地震鬼波,鬼波压制后的地震剖面比常规拖缆采集有更大的带宽。变深度拖缆采集技术低频信息能量强,构造成像好,结构边界清晰,同相轴更连续。本文最先提出了频率域起伏双缆合并策略,通过合并起伏双缆地震记录,能获得丰富的低频信息,有效的拓宽频带,与传统的上下缆合并方法相比,可以最小化缆深起伏对合并数据的影响,并最大利用检波点信息以获得高信噪比和高分辨率,对于实际计算中鬼波算子存在奇异的情况,通过引入白噪因子,提高了计算的稳定性。在此基础上,引出利用常规浅缆采集约束补偿变深度拖缆高频端能量的采集方法,即变深度拖缆、常规缆的联合勘探模式,在很好保留变深度拖缆丰富低频信息的同时,有效提高高频能量。