面波,通常指瑞雷波(Rayleigh wave)和勒夫波(Love wave),具有低速度、低频率、高振幅以及频散(相速度随频率变化)的特点。瑞雷波由P波和SV波相互干涉形成,它同时具有纵向(振动方向平行于波的传播方向)及横向粒子运动(振动方向垂直于波的传播方向)；勒夫波由不同形式的SH波干涉而形成,它仅包含横向粒子运动。在浅地表地震炮集记录中,高频面波信号占据了浅地表地震波场能量的主要部分,并包含有丰富的地下剪切波(S波)速度信息。基于对高频面波信号的分析,高频面波(包括瑞雷波和勒夫波)方法已广泛应用于求取浅地表S波速度结构。通过对多道地震信号的处理与分析,面波(包括瑞雷波和勒夫波)多道分析方法(Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW,这里的Surface Waves代指瑞雷波;Multichannel Analysis of Love Waves, MALW)是目前最为广泛应用的高频面波方法。由于具有无损、高精度及高效的特点,面波多道分析方法越来越受到浅地表地球物理及地质工程学界的重视。瑞雷波和勒夫波多道分析方法具有相似的数据处理及反演步骤,具体包括：多道瑞雷波和/或勒夫波野外数据采集；野外数据向频率速度(f-v)域的变换；根据连续的频散能量峰值拾取面波相速度(又称为频散曲线)；反演拾取的相速度获得地下一维S波速度结构；重复前面的工作获得拟二维S波速度剖面图。大量的实例证明了面波多道分析方法的有效性。然而,在遇到一些较为复杂的地球模型时(例如含有低速夹层,断层,空洞等),现行的面波多道分析方法会遇到问题而无法给出准确地下速度结构。本博士学位论文的主要目的是提高高频面波方法对任意非均匀二维模型的成像能力,具体包括改进现行面波多道分析方法中频散曲线的正演算法,使其适用于含低速层的地球模型；改进勒夫波多道分析方法的野外采集系统,尝试新的勒夫波激发方式,并将勒夫波多道分析方法推广至三维数据采集系统；提出反演面波波形获取地下S波速度结构。计算地球模型对应的理论频散曲线是面波多道分析方法(MASW)的一个重要基础。然而,当地下出现低速层时,用传统方法计算瑞雷波频散曲线会出现问题,该问题具体可分为以下两类：当半空间为低速层时,由于它的频散方程中出现了复数矩阵,使其无法在实数域中获得方程的根,从而难以在某些频率范围内计算获得面波理论相速度值；当地层中含有低速夹层时且该层的S波速度低于表层S波速度时,计算得到的频散曲线在其高频部分会趋近该低速夹层的S波速度而非某个与表层S波速度相关的值。然而,基于波动方程的数值模拟结果显示其频散能量的高频部分趋近于表层S波速度的大约91%,即现行的频散曲线计算方法对于该类含有低速夹层的模型无法在高频范围获得正确的相速度。对于第一类问题,本文提出利用频散方程的实部求解瑞雷波相速度；对于第二类问题,本文基于瑞雷波的穿透深度对现行算法进行改进：我们建立一个仅含低速夹层及其上方地层的替代模型,在计算频散曲线过程中,当瑞雷波波长无法穿透该低速夹层时,我们采用替代模型计算其频散曲线。本文通过基于波动方程的数值模拟方法在频率-速度域中验证了这两种解决方案的正确性,通过数值模拟反演算例证明了这两类改进的频散计算方案在频散曲线反演过程中的稳定性。勒夫波仅由SH波形成,而与P波无关,这使得勒夫波频散曲线比瑞雷波更加简单,从而使勒夫波多道分析方法成为一种很有吸引力的获取浅地表S波速度的方法。在勒夫波多道分析方法中通常采用横向震源激发勒夫波信号。然而,横向震源相比垂向震源而言激发难度更大,且不适用于硬地表等实际情况,在一定程度上限制了勒夫波多道分析方法的适用范围。本文提出在勒夫波多道分析方法中采用垂向震源激发勒夫波。本文对垂向震源与横向震源激发勒夫波的效果进行了四组对比试验。通过对比勒夫波波形,野外数据振幅及其频散能量图,本文发现垂向震源可以激发出与横向震源能量相当、质量相似的勒夫波信号。这为将来在采用勒夫波多道分析方法时的震源方式提供了新的选择,拓宽了勒夫波多道分析方法的适用范围。现行的勒夫波多道分析方法基于二维地震采集系统(检波器与震源沿同一测线排列),无法适用于三维地震采集系统。由于勒夫波的粒子振动方向平行于地表且与传播方向垂直,这使得我们很难在三维地震采集系统中直接观测和采集到勒夫波信号。本文提出在地震数据采集时,在每个检波点同时采集两个相互垂直的水平分量(沿线方向和垂线方向水平分量)。通过这两个分量的旋转与合成,我们分别恢复每个采集点的勒夫波分量。在将二维空间域的勒夫波信号按照真实炮检距转换到一维空间域后,我们可以对重获的勒夫波信号进行频散分析及频散曲线反演,从而获得地下S波速度结构。本文采用数值模拟算例和一组实测数据证明了该方法的正确性。瑞雷波和勒夫波多道分析方法(MASW和MALW)均是基于频散曲线的反演获得地下S波速度结构。由于频散曲线正演基于水平层状模型假设,瑞雷波和勒夫波多道分析方法均仅适用于水平层状模型及横向S波速度缓变的地球模型。这被视为目前高频面波方法发展的一个重要局限。另一个目前高频面波方法遇到的问题是频散曲线及其模式的正确识别,特别是对含有软夹层、起伏地表等较为复杂的地球模型。波形反演直接拟合实测地震波波形,不需要拾取及反演频散曲线,适用于大多数地球模型。波形反演不受层状模型假设约束,同时也不依赖于频散曲线的拾取,而从突破了现行高频方法的局限及困难。本文提出在时间域通过反演面波(包括瑞雷波和勒夫波)波形获取浅地表S波速度结构。本文通过检测板模型测试了面波对地下介质的分辨率,并根据该分辨率将反演网格由浅至深依次增大,提出变反演网格。本文采用有限差分作为面波(包括瑞雷波和勒夫波)波形正演计算方法。通过共轭梯度算法更新变反演网格中每个网格节点的S波(或和P波)速度使目标函数收敛,从而获得地下S波速度结构。在地震波波形反演中地震子波效应的处理十分重要。本文提出两种方式来处理这个问题。第一种方式是利用虚实源对比法(Virtual Real Source)从两炮(或多炮)具有相同检波器排列的炮集记录中提取地震子波。第二种方式是对实测数据进行反卷积处理消除数据中的地震子波效应,从而实现不依赖地震子波的波形反演。本文利用一些数值模拟算例和野外实测数据证明了这两种方法的有效性。