为研究甘肃花牛山铅锌矿田地球物理特征，进而寻找花牛山地区铅锌成矿的有利部位，笔者利用有限内存拟牛顿法三维反演技术对研究区的可控源电磁勘探数据进行了计算反演。结合前人的激电法测量成果，可控源技术较好探明了研究区地下的三维电性结构，成功划分出矿区北西走向的花黑滩—双峰山控矿断裂，同时圈定出了成矿带附近的铅锌成矿远景区。可控源电阻率模型显示，研究区铅锌矿产于震旦系洗肠井群千枚岩与大理岩接触带附近，找矿电性标志为中、低阻过渡带部位。

为了提高砂岩型铀矿勘探浅层三维地震资料处理效果，分析了浅层三维地震资料处理存在的问题及难点，并制定一系列针对性处理对策：精细模型法静校正、近地表吸收补偿、串联反褶积、叠前数据规则化和叠后拓频处理。实际数据测试表明，这些针对性对策使得成果数据的主频和频宽均提高50%±，同时信噪比和分辨率均有很大幅度提高。

有限差分法算法是声波数值模拟算法中最广泛的数值计算方法。该方法具有计算速度快、占用内存相对较小、易于编程实现及模拟精度高等优点。规则网格下的有限差分算法相比于近年来提出的新的有限差分算法计算效率最高，消耗内存最少。然而，引入PML边界，导致常规网格的有限差分离散公式复杂，计算过程需要对计算区域和边界区域进行判断，导致计算效率低。针对这个问题，笔者新推导的离散公式，形式简单，整个模拟区域计算代码一致，可以很好地解决这个问题。OpenMP并行算法，语言简洁和可移植性高，通过结合OpenMP并行算法，对模拟算法进一步优化，可以较大提高数值模拟的计算效率。

以地质信息、测井资料为约束条件，构建宽频带初始波阻抗模型，研究参数置换法建立拟线性矩阵方程，对反演解加入硬约束条件，采用非线性预条件共轭梯度数值算法，改进搜索方向，降低系数矩阵条件数，提高收敛速度，实现从带限的地震数据资料中恢复出宽频带波阻抗的空间分布特征。通过砂泥岩互层复杂速度模型数值反演，在5%的随机噪声干扰下，反演得到速度模型也能够描述出储层和逆断层的位置，由于噪音强度分布不同，造成各道反演得到的绝对速度值存在偏差，但最大偏差值仅为真实值的±5%。进一步验证算法可行有效，反演精度高，具有一定的抗噪能力。

利用辽宁数字地震台网2013—2017年间15个宽频带地震台站记录到的震中距在85°到140°之间的且Mw≥5.5的远震SKS波形数据，基于SplitLab软件，使用旋转相关法、最小切向能量法和最小特征值法，计算每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的延迟时间，获得辽宁地区上地幔各向异性参数共398对。结果显示，辽宁地区存在比较明显的上地幔各向异性，快波偏振方向大部分呈NWW方向，与中生代晚期岩石圈伸展形变方向一致；各向异性快慢波延迟时间在0.4~1.2 s之间，可以推测软流圈对各向异性的影响比较小，主要是由残留在岩石圈的古老形变所导致。

为获得更有效的微地震初至自动拾取方法，笔者分析了3种具有代表性的初至自动拾取方法（长短时均值比（STA/LTA）法、偏振分析法、AIC法）的原理及国内外研究进展，对3种方法在实际数据处理中的应用情况进行比较，讨论每种方法的实用性及在实际数据处理应用中存在的优缺点。在综合3种微地震初至拾取方法的基础上，发展了综合法。实际数据处理结果表明综合法能有效地对振幅弱、信噪比低的微地震信号进行初至拾取，提高微地震初至拾取的准确性。

为能获得高信噪比的地震数据，笔者提出了一种基于K-SVD字典学习和主成分分析（PCA）相结合的主成分字典学习算法。与K-SVD算法对误差项直接采用奇异值分解来更新字典原子不同，笔者采用PCA算法分解误差项，并使用第一主成分作为字典原子的更新。通过对复杂模型合成地震记录与实际地震记录进行对比实验，得出该方法较K-SVD算法信噪比大约提高1~1.5 dB，能更好地保护有效信号。

为探究激发极化中赛格尔公式的适用性及饱和效应的问题，笔者分析了赛格尔公式推导过程中所做的近似，通过正演模拟分析赛格尔公式的适用范围；并研究了饱和效应问题。结果表明：赛格尔公式不适合用于高极化地质体或复杂极化地电结构模型计算，特别是电性变化剧烈的地电结构情况；饱和效应在理论上存在，且其饱和值与极化体大小有关系。极化体越大，饱和时所对应的地质体电阻率相对围岩电阻率就越低，饱和效应的存在使得激电异常的极大值可能会偏离富集矿体中心。

为减少反演的多解性，多数情况下期望电阻率和极化率异常具有相同结构。笔者利用交叉梯度算法实现了联合反演。在计算交叉梯度项过程中，提出一种新的离散化网格边界处理方法，提高了交叉梯度项计算的速度和精度。试算结果表明三维电阻率/极化率联合反演能有效地提高同结构异常体的反演效果。

为研究高速铁路对大地电磁数据的影响规律，笔者以京广高速铁路为例，在距铁路不同距离进行长周期大地电磁观测试验，对高铁干扰信号进行研究。结果表明，高铁主要干扰信号为脉冲噪声、阶跃噪声及周期噪声，对大地电磁100 Hz以下频段的数据均会产生影响，>10 Hz的干扰信号影响范围不超过0.5 km；5~10 Hz的干扰信号影响范围不超过3 km；1~5 Hz的干扰信号影响范围不超过5 km；<1 Hz的干扰信号影响范围超过5 km。

为提高测井岩性分类的精度和效率，基于不同岩性在测井响应特征中的差异，笔者利用随机森林算法对测井数据进行岩性自动分类识别，并对不同变量在岩性分类中的重要性予以分析。以松辽盆地大庆长垣南端某铀矿矿区钻孔数据为例，识别研究区钻孔数据的岩性类别，随机森林算法的预测准确率达88.67%，电阻率和自然电位在岩性分类中的重要性较高。结果表明，相较于支持向量机方法，随机森林算法的预测准确率更高，是一种高效且准确的岩性分类方法。

蒙古东戈壁盆地Ⅺ区块构造活动强，沉积体系变化快，研究区具有储层薄、横向变化快的特点，造成Ⅺ区块储层识别难度大。基于研究区最新的钻井、测井和地震的资料分析，开展岩石物理参数特征分析，对Ⅺ区块地震资料采用约束稀疏脉冲波阻抗反演方法，建立符合实际情况的地质模型，综合预测Ⅺ区块下宗巴音组储层发育区。研究结果表明，下宗巴音组下段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ砂组的北部、下宗巴音组中段的北部预测为砂体有利发育区。

为支撑采煤沉陷区地质环境调查与矿山环境恢复治理工作，对山西阳泉矿区典型采煤沉陷区开展综合地球物理勘探技术方法研究与应用示范。通过重力勘探、浅层地震法和瞬变电磁法开展煤田采空区地球物理方法对比应用研究，总结出采用以上3种物探方法相结合的勘查煤田采空区的有效探测模式。探测结果表明，综合地球物理勘查结合地面地质调查能够识别采空区边界和深度等属性信息，为采空区三维地质建模提供数据依据。

将“两宽一高”（宽频带、宽方位、高密度）地震勘探技术应用于松辽盆地长岭凹陷黑82区块中，通过拓宽频带、缩小面元、增加覆盖次数和提高炮道密度等方法进行采集，再经过OVT域叠前时间偏移和叠前反演等技术处理，“两宽一高”新资料与常规三维资料相比，频带从10~85 Hz拓宽为4~100 Hz，信噪比由1.2提高到2，有效提升了地震资料品质，预测河道砂体精度与钻井资料对比吻合度达到90%以上。

微波介电常数是分析和研究微波与介质之间相互作用的重要基础参数之一。笔者设计了一种针对低损耗介质微波介电常数的反演方法。引入并改进了辐射传输方程，将介质介电常数的实部和虚部与其微波亮温相关联。在温度均匀分布且表面光滑的条件下，利用改进的辐射传输方程，构造了低损耗介质微波介电常数的反演模型。基于模拟月壤物质，进行了反演模型的验证。结果表明，反演的介电常数的实部与北京师范大学提供的检测结果吻合良好，虚部与阿波罗14号月壤样品的平均测量值吻合良好。

为满足油田薄层及薄互层开发的需求，采用数值模拟与电路仿真联合的交互式仪器仿真设计方法，开发了高分辨率数字聚焦双侧向测井仪器。通过仪器仿真，形成了纵向分辨率为0.2 m、深浅侧向探测深度分别为1.09 m、0.38 m的双侧向测井电极系，并得到了不同地层条件下测量信号的幅度以及视电阻率测量误差。现场应用效果表明，所设计的双侧向测井仪器的纵向分辨率与探测深度达到了理论指标，曲线重复性满足质量要求。仪器仿真方法有效地沟通了理论设计与仪器实现，不仅有助于0.2 m高分辨率双侧向测井仪器开发，同样也适用于电极型测井仪器设计。

空间自相关法是一种传统的微动勘查方法。笔者在双重圆形观测台阵中不同半径组合方式下，利用空间自相关法分别求出自相关系数以及频散曲线，对比不同半径的频散曲线，结合前人研究成果，总结出大半径组合方式在低频部分的可靠性更高，小半径组合方式在高频部分的可靠性更高，进而提出了分频段拟合贝塞尔函数、分半径平均频散曲线的方法，一定程度上扩宽了可用频率范围，提高了探测精度。通过场地实验证实了方法的有效性。

时间域航空电磁系统采样密集，数据量大，所以在该领域较为实用的数据处理方法主要为一维反演和电阻率成像法。笔者从成像问题出发，建立了庞大的数据-模型训练集，研究并分析了不同结构的神经网络的成像精度。通过对比分析测试结果，获得了在一定条件下适用于航空电磁成像的最优网络模型结构，包含其神经元个数和层数等信息。本文采用早停法训练神经网络，压制数据中噪声对成像结果的影响。

利用非线性共轭梯度反演方法，对采集到的近正交的两条音频大地电磁剖面数据构成的主阻抗数据集进行三维反演。结果显示，山西省河津市地下结构呈现较明显的三层构造特征，推测第一层高阻异常是侵入岩或变质片麻岩，第二层低阻异常是铁矿富存区，高阻的第三层异常反映研究区的花岗闪长岩基底。根据地球物理电性参数资料，铁矿体为低阻，电阻率<10 Ω·m。因此，推测10 Ω·m的电阻率等值面大致勾勒出大地电磁反演结果推测的铁矿的成矿有利区。在两条剖面正交位置下方，矿体规模较小；但在2号线60-100号点和3号线476-492号点的下方1 km深的位置附近发现了新矿体。结果表明，利用大地电磁法寻找类似热液型铁矿这类局部异常体，三维反演是获得可靠结果的必要技术手段；即使是剖面性观测数据，也可以进行三维反演，并取得良好效果。

浑河断裂是辽宁省内一条重要的北东向地震构造带，断裂两侧的地球物理重磁场存在差异。通过浑河断裂的区域重力场与磁场研究，认为浑河断裂既控制了深、浅部岩石地层的发育，同时浑河断裂的重力场、磁场分布随着深、浅部地层岩性发育的差异而有所变化。浑河断裂的重力场和磁场梯度带主要位于抚顺以西至沈阳一带，浑河断裂历史以来有记录的最大破坏性地震位于重力梯度变化较大的沈阳段。综合浑河断裂地球物理场特征及区域地质资料，浑河断裂虽然活动性一般，但抚顺地区的采煤活动对断裂的活动性有一定影响。近些年抚顺地区频发的沉降、滑坡和地裂缝等地质灾害应当引起对浑河断裂活动性研究的重视。

全张量磁梯度测量是当前航空磁测的一个重要发展方向。正演是反演的基础，而长方体又是地下空间剖分的基本单元，故其正演公式具有重要的理论意义。笔者从前人给出的东南下坐标系和北东下坐标系的两种磁场三分量理论表达式出发，分别推导了长方体全张量磁梯度的计算公式。理论模型的两种正演结果对比表明，两种公式的计算结果完全相同，但北东下坐标系更实用。该坐标系下的长方体全张量磁梯度理论表达式更加简洁，文中相同模型体的正演节省约10%的时间。

采用声波时差法恢复地层剥蚀量，其资料易于获取，操作简单易行。在声波时差法原理的基础上，笔者以哈萨克斯坦南图尔盖盆地某区块的一口钻井为例，运用该方法对研究层段的每一个层序的剥蚀量和沉降量进行恢复。与理论原理相对应，笔者详细论述操作步骤，达到指导实际操作的目的。

常规的叠前确定性反演在解决由复杂岩性引起的储层预测问题时，需要在确定性反演基础上再开展随机反演（或模拟）来提升分辨能力。笔者针对以叠前确定性反演结果约束随机岩性模拟存在横向控制难的问题，在基于贝叶斯框架下的反演目标函数中加入空变因子，实现一种横向控制的叠前空变反演方法。在松南断陷龙凤山工区中开展测试应用中，配合一种更为敏感的流体因子预测，实现对孔隙度小于5%的致密薄储层的叠前流体预测。

垂向导数被广泛应用于位场数据的处理和解释中。在波数域中常规垂向导数算子受噪声的影响较大。通常解决方法是在垂向导数算子中引入低通滤波器，来压制高频噪声的干扰。Butterworth低通滤波、Hanning窗滤波以及向上延拓滤波是三种效果较好的低通滤波，但存在滤波参数较难选择的问题。针对这个问题，本文利用相关系数法确定各方法的滤波参数，避免了人为因素对求导结果的影响。模型试验和松辽盆地镇赉地区实际数据处理结果表明，使用相关系数法确定滤波参数后能快速获得较好的垂向导数结果，其中Butterworth低通滤波的导数结果相比其他两种方法的效果要好。

笔者提出了一种改进的Parker-Oldenburg界面反演方法，通过引入纵向磁化率变化和双界面模型约束反演算法，同时采用新的迭代算法来确保迭代收敛性和稳定性。通过理论模型对比测试，验证了本文方法相比于常规Parker-Oldenburg方法具有更高的反演精度。利用松辽盆地区域航磁数据，应用本文方法反演获得松辽盆地居里面深度为18~25 km，在松辽盆地中北部具有明显的居里面隆起，与区域地温梯度分布和地质构造分布有很好的一致性，论证了松辽盆地后期深部构造活动对前期深部构造形态的继承和改造，并揭示了松辽盆地地热开发远景区分布。

为解决含碳地层对物探激电工作的干扰，对含碳绢云母千枚岩和矿石（含大量金属硫化物花岗闪长斑岩）对高低频响应做了研究，发现含碳绢云母千枚岩比值范围在0.84~1.21之间；矿石（含大量金属硫化物花岗闪长斑岩）比值变化范围则在0.91~1.87之间变化。两者比值的算数平均值分别为1.07和1.43，可区分出矿致异常。剖面试验也取得同样效果。该方法的应用可以解决在外围找矿中物探工作的盲点，为相同地质条件物探工作提供参考。

规则地质体的正演异常是进行实际数据解释的依据，因此其正确性至关重要。现有教材和大部分论文中所列出的倾斜台阶重力异常正演公式在一定条件下会出现畸点，从而对构造模型的数据解释会产生困扰。笔者从台阶的重力积分表达式出发，重新推导了倾斜台阶模型的重力异常正演公式，模型试验表明笔者新推导公式不会出现畸点，这为数据解释提供更准确的基础数据。

根据小子域滤波原理，小子域滤波产生异常边界扭曲主要表现为高频干扰，提出小子域滤波与非局部均值滤波联合的方法以克服小子域滤波存在的异常边界扭曲问题。利用小子域滤波良好的边界增强能力和非局部均值滤波高频细节保护能力，在压制小子域滤波缺陷的同时尽可能保护小子域滤波的边界增强效果。通过模拟计算和莱州湾海域实测重力数据处理表明，本文方法在增强异常边界的同时压制小子域滤波产生的边界扭曲效应，获得了更好的重力异常处理效果。与单一小子域滤波相比，本文方法不需要考虑异常边界形态，具有更强的稳定性和普适性。

采用多级中值滤波分离混采数据，可以很好地保持单炮的有效信息；对分离后的单炮数据，采用双曲Radon变换进行地震数据道重建，可以在Radon域获得极高的分辨率从而准确地重建地震数据。单炮道重建时，通过稀疏约束控制Radon变换来提高地震数据的重建精度。双曲Radon变换计算耗时较长，在算子求解时，本文采用快速迭代收缩阈值算法（FISTA），明显加快收敛速度，提高计算效率。模拟数据和实际数据表明，采用多级中值滤波和双曲Radon变换的方法重建混采地震数据可以获得较高的重建精度。

为将混合地震记录分离为单炮地震记录，笔者采用基于反距离加权的迭代分离方法，在非共炮点域对伪分离数据进行混叠噪声的压制，将其变换回共炮点域，得到分离后的单炮地震记录。模拟数据和实际数据的处理结果证明，本方法能够有效地实现混合数据分离。相较于单独使用多级中值滤波方法，本分离方法能更好的保留有效信息。