天然气水合物是一种具有巨大开发潜力的新型绿色能源,广泛分布在大陆边缘和高纬度冻土带。天然气水合物与其围岩不同的物理性质使得地球物理方法勘探成为可能,似海底反射与速度异常是其最重要的地球物理响应特征。似海底反射能够指示天然气水合物的存在,但仅仅能确定天然气水合物下界面,不能精确地预测水合物的分布及含量,因此应当寻找比之更为有效的手段或方法。速度是地下岩层特征最重要的物理参数,与孔隙度、饱和度等密切相关,精确估算地下沉积层和储层的速度是评价和预测天然气水合物资源量的关键。速度建模主要有叠加速度分析、偏移速度分析和地震层析成像,相比前两者,地震层析成像能建立更精细的地下介质速度模型,更好地揭示地下地层结构、地质构造形态和储层特征。本文主要研究了反射波走时层析成像,其主要内容有：(1)反射走时数据拾取,走时数据是层析成像的基础,论文针对目标海域地质情况复杂、特殊地质体发育等情况,采用多域联合拾取和绕射波压制的思路,提高了拾取的精度和准确度；(2)模型建立与离散化,考虑到反射走时层析成像既要确定地层速度在纵横方向上的变化,又要确定沉积层界面的起伏,采用不规则网格单元来离散地下介质模型,保证了计算的精度；(3)射线追踪正演模拟计算,走时层析成像需要利用射线追踪来计算旅行时和射线路径,是层析速度建模至关重要的一环。将基于不规则网格单元,GMM波前扩展和双线性旅行时插值方法有机结合运用至反射波的射线追踪,在确保高精度的结果同时保证了计算的高效率；(4)反演问题求解,在反演中,选择了抗噪性强的阻尼LSQR方法,对于射线及数据覆盖不均匀以及速度与反射界面深度两个参数量纲不统一的情况,采取的策略是引入正则化方程以及对数据和参数进行归一化处理,这些措施能够缓解反演方程的病态程度,并能提高成像的精度。研制了二维反射走时层析成像软件,具有反射走时拾取、模型建立、正反演计算以及图形显示等功能。用理论模型数据对所研究方法进行了测试,设计了若干不同的海底沉积层理论模型,合成了这些模型的地震记录,对地震层析成像方法和软件进行了测试。在测井资料的约束下,对某海域一条地震测线进行了处理和地震层析成像应用,建立了沿该测线的海底速度模型。