针对重力及其梯度数据揭示地质体位置和物性(密度)准确分布的目标,开展重力张量数据组合的密度反演及地质体空间分布的成像技术研究,重点解决数据组合、分辨率讨论问题,提升成像和密度反演结果的精度,并针对航空、地面协同重力数据联合技术的应用效果进行分析,提升深部地质体的勘探能力,推动了航空重力梯度张量技术发展及航空、地面协同勘探技术体系的建立。主要开展:1)在空间域和频率域量化分析、对比重力数据与其梯度张量数据的关系,并分析实测梯度张量数据相对重力数据计算梯度张量的优势。重力数据相对在低频包含更多的能量信息,对相对深部(长波长)异常有良好的反映,而梯度数据则在高频部分能量较大,反而对相对浅部(短波长)异常比较敏感。分析了重力梯度张量数据与地质体的分形对应关系,为后续处理与解释工作的数据选取奠定基础。2)基于梯度张量矩阵的特征和优势,研究了更高精度的快速平面成像方法,并强调综合利用张量各分量,注重优化张量分量组合,更有效地融合包含信息,提高解释准确性和精度。提出了均衡的张量不变量和均衡的特征值成像方法,其能够均衡不同振幅的深浅地质体异常,提高成像分辨率。为了降低噪声的干扰和传递,方法中包含张量数据的求导是基于拉普拉斯方程的稳定算法。模型数据试验和实测数据结果表明新方法能更准确、清晰地均衡强弱振幅异常,体现场源细节,较常规方法成像分辨率更高并有一定抗噪性。3)研发重力梯度张量数据的相关成像技术,在屏蔽深部背景异常干扰的基础上,综合利用重力梯度数据的多参量参与成像,相互约束,避免了单分量测量误差较大或数据量较少对结果的影响。含噪的理论模型试验和实测数据处理结果表明联合成像方法能够有效地对地质体埋深进行成像,定位深度更为准确,并且消除了虚假边界,分辨率更高,说明方法的适用性和可靠性。4)基于梯度张量数据的分量多、信息量大的特征,联合多分量进行三维密度反演,与重力或其梯度张量单分量结果相比,进一步提高了解的分辨率。并针对大数据量重力梯度张量多分量联合反演提出优化密度反演算法。一种方式是通过引入兰索斯双对角化方法(LB),将反演所用的核函数矩阵进行降阶,避免了共轭梯度法中大的核函数矩阵乘积运算,从而减少反演过程的计算时间。利用加权的广义交叉验证方法在LB算法中讨论最优正则化参数的选取。组合模型试验表明该方法明显提高了计算速度,随着迭代次数值增大,反演残差越小,预测数据与实际观测数据的拟合越好,通过统计拟合差的均方根误差和计算时间选取最为合适的迭代次数。另一种优化算法是将预处理共轭梯度法(PCG)引入到密度反演过程中,降低方程条件数,提高收敛速度。基于GPU改进并行算法来降低预处理分解需要占用的额外时间和内存,并通过模型试验讨论了三种预处理算子的加速能力。结果表明并行PCG方法较常规的共轭梯度算法既能减少迭代次数,又能权衡掉预处理分解计算所需的额外时间,提高计算效率。此外,针对常用无填充的不完全乔列斯基分解在系数矩阵弱对角占优时适用性降低的缺点进行了改进,提出改进的ICCG算法,保证算法稳定性的同时提高计算效率。组合模型试验结果表明,改进的算法自身具有收敛性,三维密度反演计算效率更高,结果具有更高的分辨率。将两种优化算法应用于美国墨西哥湾盐丘的实测FTG数据的三维密度反演中,推断的研究区盐盖的空间形态与地质资料吻合,中心埋深与前人计算结果相近,计算上相比传统密度反演算法提高了速度,证明了方法的有效性及适用性。5)针对航空、地面协同重力处理解释技术,开发了不同高度联合的相关成像及密度反演技术。利用奇异值分解方法对不同高度数据的几种组合方式核函数进行了奇异值谱分析,得知随着不同高度观测面数量增多,其奇异值的衰减速率越慢,表征其有更多较大的特征值参与了成像或反演过程,提升结果的分辨率。构造多个高度观测面的观测数据进行处理,其相当于反映地下场源不同深度的信息,增加了参与成像和反演的信息量,减少成像或反演的多解性,并且在成像及密度反演过程中不需要额外的深度加权和先验信息。通过含噪的组合模型试验表明与传统地面数据结果相比,多个高度面的联合成像及密度反演方法能够有效地提升结果的垂向分辨率,并具有良好的抗噪性。此外,通过组合分析可以为实际航空重力/重力梯度张量数据采集和处理工作提供一定的参考。本文提出的新的高精度解释方法既适用于重力梯度张量数据的快速处理,又普遍适用于重力数据。文中的理论模型和实际数据均表明改进的成像和反演方法,能够分别对场源体的水平分布范围、深度信息和密度分布进行快速解释,均可以获得高精度的结果,为大计量高精度的重力勘探数据的处理与解释提供思路。