地震速度建模一直以来都是地震资料处理解释中的关键步骤,速度模型描述了地震波在地下介质中传播时的速度变化情况,直接影响偏移成像的质量,是地震数据解释和地质解释中最基础、最重要的参数之一。近年来,随着全球经济的迅速发展以及地球物理勘探技术的日益成熟,油气勘探的目标已经由陆地和浅水海域逐渐转向海洋深水区,深水区含有丰富的油气资源,而这些地区目标层一般比较深且地质条件复杂,这也给油气勘探带来了新的挑战。传统的速度建模方法,例如叠加速度分析、射线层析成像和偏移速度分析等,在精度和分辨率上往往不能提供高质量的速度模型,无法满足这些复杂地区的地球物理与地质解释的需求,全波形反演作为近年来兴起的速度建模技术,是一种高精度、高分辨率的地下介质速度反演方法,它利用了地震资料中的振幅和相位信息,通过最小化模拟数据与实际数据之间的误差来不断更新地下介质的速度,最终为叠前深度偏移提供高精度的速度模型。尽管全波形反演技术理论上的优越性明显,但由于该技术本身的局限性,在实际应用中仍然存在很多问题,例如非线性较强、有效反演深度浅、计算效率低、占内存较大、对初始模型和低频信息依赖性强等,本文对频率域全波形反演技术在海洋实际资料中的应用进行了研究,并针对应用中遇到的问题和困难提出了相应的解决方案。本文提出了一种基于全变差约束和深度权重法联合的全波形反演算法,不仅提高了模型深层的反演效果,还可以降低反演的非线性,有效重构了介质中的不连续界面。由于海洋实际数据采集常常是拖缆采集的方式,偏移距有限,因此来自深层介质的潜波和反射波信号一般能量较弱或是没有被接收到,进而导致了深度反演效果较差。且实际地下介质比较复杂,速度变化不连续,常常存在高速体和速度突变界面,这也大大增强了反演的非线性性,影响反演结果的精度。深度权重法可以对介质进行逐层反演,在实际资料中浅层信号的权重要明显高于深层信号,逐层反演可以逐渐增大深部信号在反演中的权重,进而提高深层的反演效果;全变差约束是一种非平滑约束,能有效处理解的不连续性,重构介质中的不连续界面,保留高速体的边缘信息,将全变差约束和深度权重法联合应用到频率域全波形反演算法中,结合两种技术的优势,不仅能增大有效反演深度,改善深层的反演效果,更能提高地下介质中速度不连续界面和高速体的重构效果,从而提高了全波形反演的精度。全波形反演对初始速度模型具有很强的依赖性,初始模型精度较低时,会出现周期跳跃现象,使反演陷入局部极小值,不能得到正确的反演结果。本文提出一种基于Hinge损失函数的垂向全变差约束全波形反演方法,将模型垂直方向的全变差分量的Hinge损失函数的一范数和全变差约束项同时作为目标函数的正则化约束项,约束模型垂直方向的模型更新量,并采用逐渐增大阈值的循环迭代反演策略,反演过程中不断减小全变差约束项的权重,将较小阈值的反演结果作为较大阈值反演的初始模型,最终不仅可以精确重构速度不连续界面,保留高速体的边界信息,而且大大降低了对初始速度模型的依赖程度。正演是全波形反演的核心部分,选择一种合适的正演模拟方法决定了全波形反演的精度和效率。频率域全波形反演中,频率域正演需要对大型的系数阻抗矩阵求逆,三维情况下,矩阵求逆需要巨大的计算资源,现有的计算机硬件水平有时甚至无法求解,因此,本文提出混合域的三维多尺度全波形反演算法,采用时间域正演,然后通过离散傅里叶变换从时间域波场中抽取单频波场进行频率域反演,这种方法简单易于实现,对计算机内存需求小,结合了时间域正演和频率域反演两种方法的优势。全波形反演每次迭代优化都要进行多震源的正演模拟,尤其是在处理实际问题中,巨大的计算量增大了计算成本,降低了计算效率,本文在研究过程中,将基于MPI的并行策略和震源编码技术联合应用到全波形反演算法中,将模型分成多个区域,不同的CPU模拟不同区域的波场,对于区域边界的波场不同CPU要彼此通信交换边界处的波场数据,同时采用随机相位编码技术进行多震源同时激发正演模拟,这种算法大幅度提高了计算效率,且能有效压制串扰噪声带来的影响。全波形反演技术作为一种高精度的速度建模方法,对数据质量和初始模型的精度要求较高,实际应用中,并不能独立使用,常常要与其他数据处理技术结合应用,才能获得理想的反演效果。本文基于前人研究的基础上,提出一套适用于海洋拖缆数据的全波形反演速度建模流程,主要包括以下几个部分:第一步,对原始数据的预处理,包括带通滤波、几何扩散补偿、多次波压制、二维传播转换、傅里叶变换以及数据归一化等等;第二步,震源子波的估计,消除子波不一致而导致的波形差异对反演结果的影响;第三步,利用其他速度建模手段为全波形反演建立初始速度模型,目前常用的方法主要有偏移速度分析、走时层析成像、拉普拉斯域全波形反演等;第四步,确定全波形反演参数,并根据实际数据设置观测系统;第五步,使用全波形反演方法进行速度建模;第六步,通过克希霍夫叠前深度偏移检验全波形反演结果的准确性。本文将这一流程分别应用于一套海洋拖缆数据和一套海洋“犁式”缆数据的速度建模中,从最后叠加剖面的对比中验证了全波形反演技术在实际应用中的可行性和有效性,同时也说明了本文所采用的实际数据处理流程在实际中是可行的。