傅立叶变换及其反变换建立了信号时域与频域的映射关系。虽然傅立叶变换可以分别从时域或频域的角度分析信号,但无法直接将两者有机结合起来。对于非平稳的地震信号,了解不同时刻的频率特征是至关重要的,因此需要采用时间-频率联合表示进行描述,将一维时域信号映射到二维的时频平面,全面反映地震信号的时频联合特征。本文在分析总结传统时频分析方法各自优缺点的基础上,介绍了分数谱和高阶谱估计时频分析方法。分数阶傅立叶变换作为常规傅立叶变换的一种广义形式,可以解释为信号在时频平面内坐标轴绕原点逆时针旋转任意角度后构成的分数阶傅立叶域上的表示方法。从本质上讲,信号在分数阶域上的表示同时融合了信号在时域和频域的信息,其不仅与常规傅立叶变换有着密切的联系,并且具有常规傅立叶变换所不具备的优点,是具有独特性质的线性时频分析方法,是一种很好的对非平稳信号进行分析处理的时频分析工具,为信号处理领域的研究人员广泛接受。高阶谱估计技术比常规功率谱估计具有以下几个方面的显著优点:首先高阶谱具有对高斯噪声恒定为零的特点,因而可用于提取高斯噪声中的非高斯信号;其次高阶谱含有系统的相位信息,因而可用于非最小相位系统的辨识;再者高阶统计量可用于检测和描述系统的非线性,如检测高斯信号或非高斯信号等。因此,高阶谱估计技术作为一种新的适用于非平稳信号分析和处理的工具,在地震勘探中发挥着重大作用。本文在分析分数谱和高阶谱物理意义及其与常规功率谱差别的基础上,通过对不同类型理论模型合成地震记录的分数谱和高阶谱的计算,分析含油气砂岩分数谱和高阶谱的特征,探索其在地震储层预测中的应用,并针对实际的地震资料计算相应的分数谱和高阶谱,提取地震信号的特征参数或与含油气有关的信息,为地震储层预测提供更加丰富的信息,在进行定性的油气预测方面具有很大的适用价值。本文首先综述了常规时频分析方法如短时傅立叶变换、小波变换、Wigner-Ville分布和Cohen类分布等几种时频分析方法,分析比较了其各自的优缺点。其次对分数谱和高阶谱估计技术的基本理论进行了详细阐述,并将分数谱和高阶谱估计时频分析方法同常规的时频分析方法进行详细对比,通过理论公式和理论模型试算结果的对比,充分认识到分数谱和高阶谱估计时频分析方法对地震信号这类非平稳信号分析处理的优越性。最后将分数谱和高阶谱估计时频分析方法应用到地质沉积旋回体划分、薄层地震勘探和碳酸盐岩孔洞异常检测中来,取得了很好的效果,并得出了以下一些有意义的结论:(1)对分数谱和高阶谱估计的基本理论做了详细阐述,使我们对分数谱和高阶谱估计时频分析方法有着更清楚的认识和理解,具有一定的理论价值。(2)应用分数阶Fourier变换过程中的二阶距推导出的分数谱估计最优阶数求取的实现算法合理有效,大大节省了分数谱估计的计算时间,促进了分数谱估计的应用;(3)结合Wigner-Vile双谱时频分析过程中常用的指数分布核函数和锥形分布核函数的优点提出的联合分布核函数在压制Wigner-Vile双谱时频分布交叉项方面效果显著;(4)将分数谱估计技术应用到地质沉积旋回体划分中来,取得了较好的效果。通过对理论模型和实际地震数据的分数谱分析得知,在分数谱时频分布中,正旋回随着地震信号时间的增大频率逐渐减小,反旋回随着地震信号时间的增大频率逐渐增大。(5)将Wigner-Vile双谱时频分析技术应用到薄层地震勘探中来,提高了薄层地震勘探的分辨率,取得了良好的效果;(6)将直接双谱时频分析技术应用到碳酸盐岩孔洞异常检测中来,并成功的从理论模型和实际地震数据中检测到了孔洞的存在,并通过理论模型加噪声实验发现该方法具有很好的抗噪声能力。