现如今,油气勘探的重心逐渐转向复杂构造区域,基于均匀介质假设的地球物理方法已经难以满足勘探需求,面向复杂地质体的非均匀介质全波形反演凸显了解决实际问题的优势,已经发展为勘探地球物理领域的热点课题之一。全波形反演有效的利用了地震全波场的信息,具有最高分辨率的特征,但是在走向实际应用的过程中还存在诸多亟待解决的问题,开展非均匀介质地震全波形反演方法研究具有重要的理论意义和实际价值。地震波在非均匀介质弹性体中的传播是地震反演的基础。基于微扰理论将非均匀介质弹性波场分解为入射波场和散射波场,以微扰与入射波场的相互作用为源求解波动方程解析散射波场辐射模式。不同波模式的耦合导致了弹性参数反演间的串扰,影响反演精度,基于亥姆霍兹定理的弹性波场矢量分解是解决弹性参数串扰问题的有效手段。假设密度为常数,建立弹性参数随空间坐标变化的非均匀介质弹性波方程,基于亥姆霍兹分解建立波模式的耦合关系,定义应力方程并考虑耦合项的影响,建立非均匀介质弹性波波场矢量分解系统。在非均匀介质波动方程的基础上开展全波形反演方法研究。首先阐述了全波形反演的理论基础,分析了方法存在的问题和实现遇到的困难。为提高全波形反演的效率,解决三维情况下能算的问题,搭建了适用于全波形反演的多级异构并行平台,并发展了源波场重建算法有效的缓解了数据的海量吞吐。全波形反演方法依赖于三大输入数据的质量,即地震子波的精确性、地震数据中的低频成分和初始速度的准确性。在求取地震子波方面,基于源波场重建原理研究了一种基于波动方程的震源子波重建方法,模拟地震波沿地表传播的逆向过程反推地震子波;在地震数据低频延拓方面,发展了频移包络反演方法,建立频移包络目标函数,地震数据频带向低频移动,弥补低频数据的缺失并减少了包络反演方法的计算量;在初始速度建立方面,发展了弹性参数反射波全波形反演方法,针对横波速度反演时的串扰噪音,基于非均匀介质弹性波矢量分解方程将梯度的核函数分解为四个子核,横波子核的单参数反演减弱了梯度中的高波数噪音。全波形反演方法可以在时间域实现也可以在频率域实现,频率域可实现单频反演,在频率选择上具有较强的灵活性,而时间域全部频率同时反演,存在低波数速度恢复缺失的问题。通过推导梯度算子与数据频率的关系式,提出构建卷积目标函数更有利于时间域全波形反演恢复低波数速度。为保证全波形反演的成功,推导了地震数据频率与成像角关系的显式表达式,据此选择多尺度反演策略,降低反演陷入局部极小值的几率。弹性参数同时反演会遇到不同波模式带来的串扰噪音,依据非均匀介质弹性波场的分解理论,研究了弹性参数反演策略,提出分步反演的方法减弱弹性参数间的耦合效应。综上所述,本文从非均匀介质地震波传播的正问题出发,研究了弹性波场矢量分解方法,为减弱反演中的串扰噪音问题奠定基础;搭建了适用于三维全波形反演的多级异构并行平台结合源波场重建方法,提高了计算效率,优化了存储;提出了基于波动方程的地震子波重建方法,降低了数据匹配的误差,发展了频移包络反演方法,为反演提供可靠的初始速度,建立卷积目标函数消除了时间域的低频压制效应,降低了全波形反演落入局部极小值的可能性,提高了反演精度;基于非均匀介质弹性波矢量分解方程,建立弹性参数反演策略,最终形成一套稳定的全波形反演方法,并通过模型测试和实际数据的检验,结合测井数据验证全波形反演在陆上三维数据应用的效果。