本文围绕地震波数值模拟及波场特征分析问题，在总结分析前人的研究成果的基础上，应用高阶有限差分法，分别使用声波方程、弹性波方程、双相介质纵波方程、Biot方程、BISQ方程和改进BISQ方程，系统地实现了地震波在地质模型中传播的数值模拟，并对模拟所得的波场快照和单炮记录以及介质分界面上的动力学特征进行分析，从而进一步研究地震波的传播规律和地下介质参数对地震波传播速度和衰减的影响，为地震资料解释提供科学依据。本文首先从基本的适用于单相介质模型的声波方程和弹性波方程出发，使用高阶有限差分算子对波动方程进行离散化，并进行了稳定性和收敛性分析，对典型的地质模型中波的传播进行了数值模拟和波场特征分析。其次本文进一步对适用于双相介质模型的双相介质纵波方程、Biot方程、BISQ方程和改进BISQ方程进行了研究分析。通过对双相介质中地震波传播规律的研究，验证了BISQ理论的正确性和真实性，并结合国际上最新的改进BISQ模型，和Biot模型和BISQ模型进行了模拟对比和分析，从而确定了改进BISQ的可行性和良好的应用价值。最后本文基于Zoeppritz方程和双相介质AVO方程的反射系数和透射系数方程组，推导出了典型的储层—盖层分界面、盖层—储层分界面和两种致密岩层分界面等的双相介质AVO方程组，并推导出了双相介质参数和纵波速度、横波速度、密度、孔隙度和流体类型之间的关系，为双相介质AVO理论走向实用进行了有益的探索。本文同时对地震波在上述分界面上垂直入射的特殊情况提出了反射系数和透射系数的简单表达式，验证了其正确性，具有较好的应用前景。