对地震波在地下介质中的传播进行研究,地震波场数值模拟无疑是其重要的途径,与此同时,它亦能对复杂区域的地震数据进行采集、解释与处理。以我国的沙丘、西部黄土塬等环境为地质背景进行地震勘探,由于这些地表地形呈现出强烈起伏状态,地下构造复杂多样,这使得地震勘探静校正、地震波的识别以及地震成像方面都颇具难度。所以,对地震波场数值模拟算法加以研究,并使之更好的适用于复杂构造与介质的环境,就显得极具现实意义。地震层析成像一直以来都是地震勘探中一项重要技术,借助模型重建算法,利用已知地震波信息来反演地下介质构造、弹性参数等相关数据。对于地震初至波而言,具有跟踪与辨识简单的特性,在近地表速度分析或者是起伏地表静校正方面,其优势就颇为明显。但在层析成像反演中,仅用初至波进行速度建模不能准确而全面重构地下速度信息,尤其对于多层模型深层介质成像效果很差。反射波比初至波携带的信息更多,探测深度也更大,因此在层析成像中反射波也发挥着至关重要的作用。在本次研究中主要以起伏地表复杂介质为对象,分别从地震波场正演、初至波与反射波旅行时层析成像这两个问题展开研究,期望能在层析反演方面取得突破,为地表起伏复杂介质区域地震勘探的数据处理、速度分析等方面服务。在地表起伏与地下构造复杂的背景下,为了获得精准的地震波旅行时同时兼顾计算效率,本文采用了前人的研究成果进行正演射线追踪模拟,即基于混合网格剖分的LTI射线追踪算法。其核心就是将不规则四边形与规则的矩形网格进行融合,得到适应于混合网格新公式计算局部旅行时。分析数值计算结果可知,此法不仅可以对速度界面进行灵活性处理,同时还能在射线路径与旅行时的计算方面,拥有较高的精准度。正演模拟计算得到的走时信息作为观测值,反演中利用目前广泛使用的LSQR算法求解层析方程组并结合模型参数加权和正则化、不同大小网格反演等技术手段来实现起伏地表初至波与反射波层析成像,通过模型测试,验证了本文所提方法的有效性和适用性。