叠前地震数据拥有丰富的地球物理信息和良好的保真性,能够更准确地反演地球介质弹性参数。叠前AVO反演通常建立在单界面假设的Zoeppritz方程基础之上,利用反射系数或地震波振幅随入射角的变化关系对弹性参数进行估计。反射率法能够充分考虑各种传播效应,在模型参数与叠前地震反射特征之间建立更加合理的关系,采用反射率法开展反演有助于更加准确地揭示介质弹性特征。针对常规AVO反演不能考虑多次波、透射损失和薄层调谐效应对反演的影响,论文在反射率正演模拟的基础上,研究了基于局部优化算法的叠前参数估计方法。改进了反射率法中慢度积分策略以压制截断效应,提高了叠前波形记录正演的精度;比较了反射率法与Zoeppritz方程合成的叠前地震记录差异,并讨论了纵横波速度与密度在不同入射角下关于反射率法精确合成叠前地震记录的敏感性。推导了反射率正演算子关于各弹性参数的梯度矩阵解析表达式,为实现局部优化的叠前波形反演奠定了基础。在此基础上,详细推导了单薄层反射系数的精确表达式,讨论并分析了薄层纵横波速度、密度和厚度对薄层频变反射特征和薄层反演的影响;在梯度算子的基础上进一步推导了反射率法的近似Hessian矩阵,实现了基于Gauss-Newton法的叠前波形反演和叠前谱反演方法,并实现了对薄层纵横波速度、密度和厚度信息的同步反演,数值测试验证了其可行性和合理性。针对VSP观测系统中波场能量不平衡导致波形反演精度不高的问题,论文提出了分离波场联合反演的策略,引入不依赖初始模型的全局算法对弹性参数进行高精度地估计。文章利用反射率法能够实现部分波场模拟的优势对VSP记录的上下行波进行单独正演模拟,并改进检波器响应公式提高了正演算法的效率。详细论述了上行波场、下行波场和全波场对速度和品质因子Q的敏感性,明确了不同参数对VSP记录中的上行波场、下行波场和全波场反演目标函数的贡献程度。进一步改进了NSGA-II算法中拥挤距离的计算并加入自适应策略,实现了高效率的VSP上下行波联合波形反演。测试表明了联合反演比直接利用VSP全波场记录和上行波、下行波记录进行参数反演拥有更高的精度,且具有良好的抗噪性。