面波是一类主要存在于传播介质强阻抗分界面附近的特殊波型,在陆上地震勘探中主要指存在于地表附近的瑞雷波和勒夫波。目前,建立在面波理论基础上的物探方法已经在解决工程地质和环境问题中发挥日益重要的作用。这类勘探方法主要通过反演面波的相速度频散特征来获得浅地表区域的地层横波速度,由频散曲线正演、频散成像和频散曲线反演三个核心部分组成。为了将面波理论与方法成功应用于石油地震勘探资料,本文对这三个环节都开展了系统研究。在频散理论正演方面,系统梳理了三种面波相速度频散函数计算方法—Thomson-Haskell传递矩阵法、标准δ矩阵法和简化δ矩阵法。在此基础上,提出了基于简化δ矩阵法和隐函数定理的多模式面波群速度频散曲线解析递推算法。建立典型地层模型,计算了相应的瑞雷波和勒夫波相速度及群速度频散曲线,验证了该算法的可行性。此外,还对比分析了不同模型的瑞雷波和勒夫波特征位移随深度变化曲线,指出了特征位移曲线可以间接解释含低速层情况下面波频散图像中存在的模式跳跃现象。在频散成像方面,对常规相移法和频率-波数域多重信号分类法进行了改进,分别提出了互相关相移法和频率-速度域多重信号分类法。通过对工程地震面波数据和石油地震勘探数据的处理,验证了两种新方法的有效性。相对于常规相移法而言,互相关相移法对背景噪声和其它干扰的压制效果明显,提高了面波相速度图像的品质。而频率-速度域多重信号分类法则是一种高分辨率面波频散成像方法。通过与常用的高分辨率线性拉东变换法进行对比,证明了当接收排列较短时,该方法能取得更高分辨率的面波相速度图像。目前完全弹性介质中的面波频散特征研究已较为完善,但黏弹情况下的研究依然较少。基于解析函数零点求解技术,本文给出了完全弹性、常Q黏弹和Kelvin-Voigt黏弹层状介质中勒夫波频散特征方程的统一求解方法。总结了地层速度随深度递增和夹低速层条件下勒夫波频散特征根在复相速度平面上的运动规律和差异.研究还表明,常Q黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似线性增加,而Kelvin-Voigt黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似指数增加。在频散曲线反演方面,根据石油地震勘探自身及其记录中所包含的面波特点,实现了一种层速度与层厚度同时线性化反演策略。该反演策略综合使用了反演参数的对数域控制技术、光滑约束技术和雅克比矩阵元素的解析递推技术,使其能稳定反演的地层数可达20层以上,且反演结果表现出一定的“自动探测”能力。通过与已发表文献中的反演结果对比,验证了该反演策略的可行性和优势。最后进一步对我国东部和西部地区实际地震勘探数据进行了多模式频散曲线反演,获得了两地区的浅地表二维横波速度剖面。