速度是描述地下介质构造和储层特征的重要物性参数，从地震资料中构建精确的速度模型对于其他地震处理手段和地震资料解释均起着至关重要的作用。传统的地震资料处理所采用的速度建模方法包括叠加速度分析、层析成像和偏移速度分析等。近年来，随着我国海上油气田勘探程度的增加和海上地震采集和处理技术的快速发展，勘探目标逐渐趋向于深水区和复杂地层。在这种情况下，传统的速度建模方法越来越不能满足地震资料处理与解释对速度模型精度和分辨率的要求。全波形反演是一种高分辨率、高精度的速度建模方法，通过将初始模型所对应的理论地震记录向实际采集资料匹配，从而对速度模型不断更新，最终获得可以正确描述地下介质速度分布情况的深度域速度模型。但是由于该技术本身一些固有的局限性以及在应用中所存在的问题，目前在工业生产中还没有形成一套成熟的技术体系。本文针对全波形反演在深水区地震资料中的应用进行了深入的研究。针对目前在深水区地震资料速度建模时全波形反演所面临的几个问题和难点，相应提出了几种解决方案。本文提出了一种联合高效率频率域全波形反演算法，大幅度提高了全波形反演的计算效率。全波形反演一般是采用一种局部优化迭代算法来实现模型的更新，为了保证模型的反演精度，往往需要进行多次迭代。另外，为了和实际采集所得到的炮集资料相对应，在每次迭代中需要对参与反演的所有炮集所对应的震源激发位置做波场传播正演模拟，从而导致反演的计算时间成本和内存需求量巨大。本文首先引入了三种提高计算效率的方法：震源编码技术、主成分分析方法和变网格法。震源编码方法通过在正演中将不同位置的多个震源组合成超级炮，从而减少了参与正、反演的炮集总数。然而在编码过程中产生的串扰噪声会降低最终反演的质量。本文提出一种频率组编码策略，利用一个行正交矩阵对反演的频率组和震源进行编码，从而有效压制了串扰噪声的影响；主成分分析方法通过波场残差矩阵的奇异值分解和积累能量分析，将原始观测数据矩阵和震源矩阵投影至低维空间中，从而降低了正、反演中的计算成本；变网格法通过对应不同的反演频率求得合适的网格间距，使得全波形反演采用较少的模型维度即可获得可靠的反演结果，从而降低了其计算耗时和内存需要。对于上述三种方法，本文对比了它们在不同反演频率尺度下的优缺点，进而将它们联合引入到频率域全波形反演理论中，充分发挥各个方法在不同频率尺度下的优点，在保证反演质量的同时大幅度地提高全波形反演的计算效率。本文提出和改进了一种基于稀疏约束的地震资料低频成分重构方法，提高了全波形反演在应用时的稳定性。在应用中，全波形反演通常是基于波恩近似转换为局部优化问题并采用一种局部优化算法实现，因此该反问题在求解时的非线性性较强。另外，由于在波场匹配过程中观测地震记录的复杂性，模型在迭代更新过程中容易陷入局部极小点。因此，为了保证反演的稳定性，全波形反演往往需要较为精确的初始速度模型或信噪比较高的地震低频资料。本文结合压缩感知理论和稀疏反演方法，利用地震反射系数在时间域的稀疏特性，在频率域通过有限带宽恢复低频带宽能量，从而满足全波形反演对观测数据中低频信息的要求，同时也降低了其对初始速度模型的依赖程度，提高了算法的稳定性。本文提出了一种多尺度频率域全波形反演算法，提高了速度模型深部的反演精度和质量。在模型迭代更新过程中，全波形反演需要利用观测地震资料中的潜波和折射波等信息来重构模型中的低波数成分，而这些信号通常在中、远偏移距位置才能观测到。对于海上的常规拖缆采集方式，拖缆长度一般在6~8km，因此较深层介质所对应的潜波和折射波信号无法采集获得或能量较弱，这导致全波形反演的有效反演深度变浅，进而其重构得到的速度模型难以满足深水区地震资料处理的要求。本文提出一种基于反演约束的频率域剥层法，首先利用反演迭代中所求得的模型更新量在空间上的变化率进行分层，然后基于该分层求取一组深度权重因子对模型更新，从而改善了模型深部的反演效果。在地震资料处理中，往往不能将全波形反演作为一个独立的速度建模技术使用。它通常需要采用一些预处理、质量评价等辅助手段。预处理可以为全波形反演提供符合其要求的观测地震资料和初始速度模型，同时还可以为其实现参数的优化选择和反演的稳定性分析；质量评价包括偏移成像和叠加等，这些不仅是地震处理的必要环节，还可以用来验证全波形反演结果的优劣。本文以全波形反演为核心，提出了一套面向深水区拖缆地震资料的二维速度建模处理流程。该流程主要包括以下几个步骤：第一步，对原始地震资料进行带通滤波、几何扩散补偿、多次波压制、二维传播转换等处理；第二步，采用速度分析和层析成像等方法构建初始速度模型；第三步，根据资料特征以及反演目标确定合理、有效的反演策略并对相关参数进行优化选择；第四步，利用全波形反演重构深度域速度模型；最后，通过叠前深度偏移和叠加处理来验证全波形反演的模型好坏。本文将该处理流程先后应用于一套拖缆地震资料和一套斜缆地震资料，取得了较好的效果。