全球陆地资源经过长期的开采,现很少有较大油气的发现。近年来海上油气储量的发现成为新增能源的重要来源。随着我国海域油气勘探程度的不断提高,勘探的难度也不断加大,还面临着一系列重大的技术挑战。海底OBC采集技术、宽方位／多方位采集以及多震源激发技术等多种新型技术被用来解决勘探中遇到的难题。目前国外海上勘探技术依然领先于国内,先进的采集技术很多已经投入到实际生产中。而针对我国海域的实际勘探情况,如何将这些先进的采集技术应用到实际生产中成为了现阶段需要解决的问题。海上外业试验成本高、耗时费力,而且得出的参数不具有完备性。而基于三维波动方程的并行数值模拟能够模拟复杂介质中波的传播特征,对各种不同的观测系统采集以及处理技术进行理论研究,为实际海上OBC采集提供理论基础和优化的采集参数。本论文针对目前海底电缆OBC采集中所采用的先进技术,主要开展三维正演模拟研究、海底OBC波场特征分析以及多震源激发与混合波场分离的研究,重点解决以下三个问题：1)针对海上气枪震源子波频带宽、主频高,海底OBC采集采用宽方位长排列的Patch观测系统而导致正演模型较大等问题,实现适用于海底OBC采集的高精度和高效率的三维正演并行算法；2)针对目前对海底OBC地震波场(特别是海底斯通利面波)传播认识存在的不足,通过正演模拟了解海底OBC采集得到的波型以及传播特征；3)实现多震源随机激发下的二维和三维海底OBC混合炮集的分离以及实际海上混合数据的分离；通过研究,本论文取得的主要成果有：1)基于波动方程有限差分数值模拟,能够模拟海底OBC采集的多波多分量数据,其中包括水听器分量、Vx速度分量、Vy速度分量以及Vz速度分量,并且基于旋度和散度求取纵波分量和转换波分量,其中分离后的纵波分量与水听器分量相似。针对海上气枪主频高、海底OBC采集通常采用宽方位长排列的Patch观测系统导致三维正演模型较大等难点,将FCT技术应用到有限差分中,正演时可以适当的增大网格大小,而FCT有限差分能够压制由网格较大引起的数值频散,取得与高阶有限差分相同的精度。2)基于MPI消息传递的并行模式可以实现三维波动方程的并行化计算,一方面将所需内存分布到不同的计算节点上,另一方面各个进程同时进行计算,提高计算效率；在并行计算过程中,可以任意选择参与并行计算的方向以及并行计算的进程个数。随着计算进程的增加,每个进程分配的计算网格点数减少,单个进程占用内存减少,正演计算时间明显减少,同时加速比随着进程数的增加而增加。但是由于串行部分的存在以及交换进程数的增加带来通信时间上的增加,故加速比增加速度逐渐变小；单个方向上并行,满足每个进程的交换进程最少(最多为2个),三个方向上并行,满足每个进程的交换信息数最少。3)海底OBC采集时,海底电缆会接收到斯通利面波。斯通利波的传播速度不仅小于海水和海底的纵波速度,同时也小于海底的横波速度,斯通利波只沿着海底界面滑行,其振幅随着与海底距离的增大而快速衰减。当海底为均匀介质时斯通利波没有频散现象,而当海底为层状介质时,斯通利波会产生频散现象。4)基于波场快照以及炮集记录波场特征分析可知,水中激发海底OBC接收的地震波场特征复杂,地震波类型很多。当震源距离海底较近时,地震波通过海底界面时主要存在的波型有海水中的直达P波、海底界面产生的反射P波、海底滑行折射P波、透射P波、透射SV波、转换折射波(PS首波)、斯通利波等。震源离海底界面较远时,斯通利波同样存在,但是能量相对来说较弱。5)多震源激发的波场是非相干波场,主要受多震源参数(震源个数、震源位置以及随机激发时间)的影响；单炮之间的距离较大时,各个炮激发的波场能明显的分开；单炮距离较小时,只要随机激发时间恰当,各个震源的波场仍然没有明显的干涉,为非相干波场；随着混合炮中震源个数的增加,地震波场也变得更加复杂。多震源混合激发得到的混合炮,经过最小二乘求逆可以得到伪分离记录,伪分离记录从共炮点道集分选到其他道集时,次震源混叠信号就会转化为随机分布的噪声。只要采用去噪的方法将随机混叠噪音去除,即可实现多震源混合炮集的分离。基于迭代的多级中值滤波去噪法,较大窗口能够去除混叠噪音,但丢失了较多的细节信息,逐渐减小中值滤波窗口大小可以提取更多的细节部分,但同时小窗口的去噪能力也在下降。本论文的创新之处主要表现在以下三个方面：1)实现了从空间X、Y和Z三个方向同时并行的三维任意偶阶空间精度的正演模拟并行算法,可以任意选择空间并行计算方向以及并行计算的进程个数；在并行算法实现过程中,引入了进程坐标系的概念,使得每一个参与计算的进程对应一个进程坐标,通过进程坐标来判断边界条件的使用；同时引入虚拟进程方便模型边界处的数据交换。2)通过数值模拟丰富了对海底OBC波场类型以及传播特征的认识,尤其是海底斯通利面波的存在以及传播特征；详细推导了海底斯通利波的表达式,并根据固液边界条件,给出斯通利波频散方程,从理论上证明了斯通利波的存在；利用Radon变换求取斯通利波的相速度频散曲线,可以得到斯通利波的传播速度。3)实现了多级中值滤波迭代去噪法进行多种二维观测系统的多震源激发的OBC混合波场分离,并在此基础上进行了三维多震源激发下的海底OBC混合炮的分离。最后将该方法应用到渤海中部石臼坨凸起区带采集到的混合数据中,经过分离后的单炮记录清晰,具有实际应用价值。