地震体波走时层析成像是壳幔精细速度结构成像的重要途径。基于高频近似射线理论的地震波走时反演是建立在一定的模型参数化和正演射线追踪基础之上的。不同的成像方法主要区别在于其模型参数化和正演射线追踪方法的不同。　　在对三维地球介质进行模型参数化时，针对传统的网格结构和层状结构在描述复杂地质模型时遇到的很大困难，我们采用大小不等、形状各异的地质块组成的集合体来描述三维复杂地质模型，并用三角形面片来描述地质块之间的物性间断面，理论上可以描述任意复杂的三维地质模型。为了描述三维块体内部非均匀的速度分布，我们对三维地质体的每个块体内部速度场单独定义，分别建立一套独自的矩形网格节点，并在节点上定义速度值，三维非均匀地质模型中任意位置点处的速度由该点落在的矩形网格8个节点的速度通过三线性插值定义。三维复杂非均匀地质模型参数化时，速度网格参数与模型参数相互独立，这有利于三维复杂地质模型中非均匀速度分布与界面参数的联合反演。　　为适应任意非均匀速度分布的地质模型，基于费马原理，我们发展了逐段迭代射线追踪方法。该方法属于弯曲法的范畴，通过对射线路径点采用一阶显式增量修正，相对于传统的迭代法，射线追踪更加的高效省时。联合逐段迭代法与伪弯曲法，提出了一种“连续三点”的射线追踪扰动修正方案，可以适应三维复杂非均匀介质且存在速度间断面的层状模型和块状模型。二维和三维模型试验显示了射线追踪扰动修正方案的适用性，且相对于传统的试射法和弯曲法具有更高的射线追踪效率。　　基于块状建模与快速高效的逐段迭代射线追踪方法，采用最小二乘、共轭梯度、模拟退火等几种常用的线性以及非线性反演算法，我们首先进行了水平层状均匀模型中介质速度与界面深度的反演。三维均匀层状模型中地震波走时反演的实现，进一步验证了我们在正演过程中采用的射线追踪扰动修正方案的高效性与稳定性，也为三维复杂地质模型的地震波走时反演做了算法上的准备。　　三维复杂地质模型的地震波走时反演过程中我们采用阻尼最小二乘反演算法，其中偏导数矩阵的求取极为关键，推导获得了地震波走时对三维非均匀块状模型中立方体速度网格顶点位置处速度值的偏导数，以及走时对三角形面片顶点位置处深度值的偏导数。为了验证地震波走时反演方法的有效性，我们还进行了合成模型试验，这包括:带有起伏界面的三维均匀层状模型的速度反演，以及带有三角形面片的三维模型起伏界面深度反演。走时反演合成模型实验中，通过在已知速度分布和界面参数的三维模型上进行射线追踪获取计算走时数据，再加入随机噪声来近似获得观测走时数据。合成模型试验验证了三维复杂地质模型中地震波走时反演方法的有效性。