地震层析成像是研究地球内部非均匀结构和地球动力学的主要工具之一。本文详细地讨论了射线走时层析成像、有限频率走时层析成像以及波形层析成像方法及其应用。射线走时层析成像简单、快速，但忽略了地震波的有限频率特征。针对这种情况，本研究推导了一种新的有限频率走时敏感核，并发展了相应的有限频率走时层析成像方法。这种敏感核能够捕捉到复杂介质中射线路径周围结构对地震波传播的影响。然而，射线走时层析成像和有限频率走时层析成像方法在构造敏感核的时候都需要预先确定射线路径，而且通过射线追踪所确定的地震波传播路径并不一定是全局走时最小路径。数值求解声波或弹性波方程能够准确地模拟地震波的传播，并能够提供大量、准确的波形数据。因此，本文又提出了基于声波或弹性波方程的波形层析成像方法。相比于射线走时和有限频率走时层析成像方法，波形层析成像采用了更加准确的正演算法。为了有效地实现波形层析成像，本研究提出了三种不同的求解波动方程的有限差分方法。这三种算法均使用了近似解析离散化算子，具有高精度、高效率、低存储、低数值频散、易并行以及提供信息丰富等优点。在应用方面，本研究首先利用射线走时层析成像和有限频率走时层析成像对1995年日本神户地震(M7.2)震源区域的地壳结构进行了研究。成像结果显示神户地震的主震及其余震主要发生在低速度（Vp, Vs）、高泊松比(σ)以及低Vp×Vs区域。这表明神户地震震源区域有流体存在，而这些流体主要来自俯冲的菲律宾板块脱水和地表渗透水。利用相同的手段，本文对2011磐城地震(M7.0)和福岛核电站区域进行了成像研究。结果表明磐城地震的发生与太平洋俯冲板块脱水和2011东日本大地震所引起的应力场变化有关。福岛核电站下方和磐城地震震源区域类似的结构预示着福岛核电站所在地未来有发生大地震的可能。对比走时层析成像和有限频率走时层析成像的结果发现，这两种方法能够得到基本一致的结果。最后，利用波形走时层析成像方法和射线走时层析成像方法研究了日本2008岩手-宫城地震(M7.2)震源区域的结构。岩手-宫城地震及其余震主要发生在高低速结构交界处，这与地幔楔里上涌的熔融岩浆及流体有关。