复杂近地表条件下的表层速度分析在地震勘探中占有相当重要的地位，也是解决静校正的关键性环节。随着三维高精度地震勘探的不断深化，地震数据处理面临着很多困难，尤其是如何解决好复杂表层速度结构问题，不仅直接关系静校正问题的解决，也影响到地震偏移成像效果和构造解释成果，是一项十分紧迫而非常艰巨的研究课题。因此，本文对三维表层速度分析进行一些理论分析和方法研究，并取得了一定的进展。　　 地震层析反演是表层速度结构分析和建模的重要方法和手段，目前国内外流行的三维地震层析反演软件还没有充分发挥其生产价值和应用潜能，其主要原因是层析反演软件的计算精度和运算效率的矛盾没有解决好，在高精度、高分辨率、高效率的地震资料处理需求下，三维层析反演软件要处理的数据量大，难度高，系统开销多，运算效率低，存在的问题非常突出，要么计算精度不高，要么满足了精度要求可运算效率又远远达不到生产所需，而运算效率在生产中尤为紧迫。所以，目前三维地震层析反演的精度和效率有效平衡问题仍是一大难点。　　 本文的研究工作以三维层析反演为出发点，围绕解决层析正反演数值计算的精度与效率问题展开，基于地震波射线理论，对三维正演数值计算、射线追踪到走时层析反演以及并行算法实现进行了一些分析和研究。1、改进了射线追踪算法，提高了射线走时正演精度，在保证精度同时又大幅提升了运算效率；2、改进SIRT 线性反演算法为逐炮反演，提升反演效率；3、首次引入了免疫量子粒子群非线性反演算法；4、在数学射线追踪基础上，进行了菲涅尔体(物理射线)层析反演的理论初步探讨和算法实现；5、最后开发了基于插件实现的开放式体系结构的三维表层速度结构层析反演软件系统。　　 这些研究工作的进展具体体现在以下几个方面。　　 地震波场正演计算的精度和效率一直是层析反演的技术瓶颈。本文结合旅行时插值算法及最短射线路径法的优点，改进了双线性插值算法，采用空间域变密度网格剖分法对近地表模型进行空间离散，大幅提高了正演精度；通过简化插值公式和判定条件，改进次震源波前面扫描，采用二叉堆排序，在保证计算精度同时，寻找合适算子进行计算加速，提升运算效率，从而达到了正演数值计算精度与效率的合理平衡。这项工作已被生产单位立项并初步应用于生产中。　　 在地震波场的线性反演算法中，重点对SIRT 算法进行了改进，在单炮射线追踪时，对每条射线进行误差矢量分配并保留路径和网格单元慢度修改量，本次迭代结束后进行加权计算最终慢度值，对下一次迭代生效，从而实现逐炮反演，降低了系统内存开销，减少了计算工作量，极大地提升了反演运算效率。同时对LSQR 算法进行分析，实现了并行计算。　　 在新型的全局智能搜索的粒子群非线性算法基础上，针对该算法存在的趋同性和早熟收敛现象，引入了疫苗接种与免疫克隆机制，并加入量子计算的叠加态与概率表达特性，形成的免疫量子粒子群算法，首次引入并应用于三维地震层析反演中。依靠这种算法的全局智能寻优能力，避免陷入局部极值，降低对于初始模型的依赖性，在复杂地表条件下应用于表层速度结构层析反演具有较好的效果。　　 在数学射线基础上，又对菲涅尔体(物理射线)层析反演进行了一些初步理论分析和算法实现。引入菲涅尔体后的地震层析反演能改善反演解的不适定性，提高解的稳定性和收敛速度从理论上一定程度克服了零宽度数学射线导致的射线覆盖不足问题，不仅利用了走时信息，还利用了地震波的频率，扩大了地震波资料利用信息量，使层析反演方程组的不适定性降低，解的精度与分辨率都有所提升。　　 最后，基于开放式应用框架，采用插件技术、面向对象思想、设计模式及反射机制，开发了一套三维近地表速度结构层析反演软件系统。具有开放式体系结构、代码透明，较小系统耦合、跨平台、多层应用服务、软件复用、灵活功能扩展、良好数据隐蔽的特性。