微震定位是微地震监测技术中最需要解决的问题之一。目前，仅使用P波时差计算震源位置可能会因为多解性产生较大的误差。为了提高定位精度和降低多解性，笔者提出一种基于偏振约束的P波时差震源定位方法。首先根据P波的偏振特征求取震源方位角和倾角，然后用计算的偏振参数对P波时差进行约束来构造目标函数，最后使用粒子群算法求解目标函数进行定位。在理论模型上的测试结果表明，本文方法能极大地降低多解性的问题，经过偏振约束后的定位平均误差从78.5 m降低到0.77 m；在符合本文方法使用条件的实际工区中的测试结果也表明本文方法是一种有效的微震震源定位方法，且该方法仅需少量检波器就能很好地进行定位，结果表明最少只需要5个检波器就能将定位误差控制在1 m以内。

叠前反演在求取储层弹性参数和油气储层预测方面具有重要作用。传统的叠前反演忽略了相邻道之间的相关性，多道叠前反演方法充分考虑了道间的关联性，增强了反演结果的横向连续性。现有的多道反演算法倾向于将整个地震数据重新排列成一列进行反演，占用计算机大量内存且计算量大。基于地震反射系数的强稀疏性，笔者将相对于普通稀疏正则化方法精度更高、抗噪音性更好的全变分正则化技术引入多道叠前弹性反演，采用基于L1范数约束的全变分正则化目标函数对反演参数进行横纵向约束，避免了重新排列地震道，提高了计算效率和反演精度，同时也降低了对内存的需求。通过理论模型测试和实际运用，从反演的精度、横向连续性和抗噪能力分析，验证了所提方法的正确性和可靠性。

相比整数阶波动方程，分数阶黏声波方程能够更准确地表征常Q模型中地震波的传播特点，有效分离波的振幅衰减与相位频散效应，是模拟地震波的衰减特性以及发展稳定的衰减补偿逆时偏移方法的基础。传统黏声波方程采用的近似频散关系降低了方程的精度，笔者根据更为精确的频散关系推导了一个新的分数阶黏声波方程，分别与前人提出方程中的振幅衰减项与相位频散项对比，结果表明在小Q值介质中新方程更精确。该方程含有空间变分数阶拉普拉斯算子，在Q值剧烈变化的介质中需要正确处理该算子，避免在计算时产生周期性干扰。笔者提出了帕德逼近的方法将变分数阶算子近似为常分数阶算子。在层状模型与复杂模型中，对比了传统空间平均值法以及泰勒展开法，帕德逼近法提高了计算效率且保证了良好的近似效果。

主流薄储层预测方法对钻井资料依赖度较高，适用于钻井较多且分布较为均匀的开发区块，而对于勘探程度低、钻井少且分布不均匀的地区预测精度较低，难以满足岩性精细勘探的需求。笔者通过对薄储层的测井、地震频谱特征精细分析，采用连续小波变换和阻尼因子对原始地震数据合理拓频并重塑的基础上。首先，应用包含低频信息的纯波数据进行常规反演，提取低频地质信息并对常规测井模型进行修正；然后，以频谱整形的高频数据和低频反演修正的模型作为地震输入，实现地震数据高低频信息的融合，完成分频迭代反演。该方法在提高地震资料纵向分辨率的同时，充分利用地震资料的低频信息弥补高频数据反演过程中导致横向分辨率变差的问题，有效提高了薄砂体纵、横向识别精度，实现了在勘探程度低、钻井资料少地区对薄储层刻画的需求。通过在准噶尔盆地东部北43井区的应用，准确落实二叠系10 m以上储层，预测吻合率达到83%以上，能够为井位部署提供有利依据。

南海浅层气藏作为我国油气勘探的重要研究领域，其储层具有广泛发育、地质成因复杂、储层类型多样的特点。受松散储层低地震速度、强非均质性以及测井难以准确获取储层参数等因素影响，常规地震储层分析方法难以实现有效识别和预测。在叠前时间偏移地震资料基础上，对比不同类型储层地震响应特征，通过地震正演定量分析不同期次砂体叠置对地震反射振幅的影响，采用多地震属性融合的办法对有利储层进行识别和预测。结果表明：含水砂体为第四类AVO(Amplitude Variation with Offset)异常特征，含气砂体为第三类AVO异常特征，叠置砂体的厚度、横向变化及复杂组合形式会影响地震振幅特征，砂体识别需要考虑振幅调谐作用，南海浅层超浅层含气区利用多属性分析技术进行识别，结果显示与L1井相比，L2井及L3井气藏特征更为明显，本地震综合分析方法对储层的识别和预测结果与实际钻井数据吻合较好，为目标区浅层气藏勘探提供了参考。

针对遗传算法易陷入局部最优等缺陷，笔者将单纯形法与遗传算法相结合，设计了一种全局优化算法。利用单纯形法对遗传算法的个体进行单纯形搜索，避免算法陷入局部最优，使得算法能够全局收敛。并采用全局优化算法对一维地电模型和实际电阻率测深曲线进行反演，求解精度高，验证了算法的有效性和可靠性。

随着能源需求的不断增长，古生界及以下深部地层的找油找气工作成为持续增产的新出路，乌恰-阿图什构造带是塔里木油气勘探的重点区块之一。该区域地下结构复杂，且受地形、地表条件等诸多因素的影响，致使地震资料深部的分辨能力有限。时频电磁法具有勘探深度大、高信噪比、不受地表条件影响等优势。笔者探讨了带约束的时频电磁法在该区域晚古生界油气勘探的适用性。选取了该区域内采集的时频电磁数据，依据电测井资料明确了电性标志层、构建约束模型后反演获得了电阻率及极化率剖面，依据上述剖面绘制了晚古生界地层展布等值线及顶面构造图。而后使用极化率剖面作为参考，明确了一个油气有利区。结果表明，乌恰-阿图什构造带受到基底卷入断裂F1的控制，在断裂两侧发育分别具有逆冲叠瓦与深部垂向堆垛的构造特征。晚古生界顶界面以F1为界，具有北西高、南东低的分布特征。在F1下盘5.42 km深度发现了一高极化率异常，判定为有利区，在后续的钻井资料中得到了验证。

随着我国产业转型与城市化进程的加快，许多化工类企业迁移后留下了潜在的污染场地。高密度电阻率法在污染场地调查及监测中发挥越来越重要的作用，然而由于其装置类型多样，如何选择合理有效的装置类型对勘查效果至关重要。笔者基于污染场地的常见类型，采用高密度电阻率法构建了有机和无机污染物在地下地层中的单体、水平平行、垂直平行、低阻屏蔽、随机分布和扩散模型，应用三种常用装置进行了二维正演模拟和反演计算。通过对比，发现针对实际的污染场地，最小可识别污染体至少要大于两倍以上电极距，且深度越深识别精度越差。在特定条件下，偶极-偶极装置勘探效果明显优于其它装置，尤其对异常体横向边界的识别精度更高。本研究所开展的高密度电阻率模拟实验对于在污染场勘查，选择何种装置类型以及提升解释人员对异常体的识别具有借鉴意义。

在隧道物探资料采集中，由于地形陡峻，导致常规地面物探设备及人员难以到达隧道中线位置，出现了大段物探资料缺失的问题。针对隧道物探资料采集中因地形陡峻导致的数据缺失问题，笔者试图探讨半航空瞬变电磁法在隧道勘察的适用性。通过正演算法，模拟了感应电动势三分量的平面特征变化，发现在单侧测量时，电磁场的z分量不出现场值反转现象，探讨了K、H型模型中间层厚度以及电阻率变化对电磁响应值的影响，结果显示，在相同地电参数下，z分量响应值显著高于x、y分量，在晚期，y分量的相对异常小于x和z分量。最后对依照一条公路隧道勘察一条隧道的电阻率剖面图和钻探结果进行分析，结果对应良好，证明了半航空瞬变电磁法在隧道勘查中可作为一种有效手段。

滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞穿越富水砂化白云岩不良地质体地层，涌水涌砂灾害频繁发生，给施工安全、难度和进度带来了挑战。应用高密度电法对滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞改线段进行物探勘察，结合前期勘察及施工地质资料，查明扯那苴隧洞改线段砂岩与白云岩的分界线，并推断出断层构造和岩溶破碎带的空间展布。通过钻孔岩芯编录、钻孔声波测试和钻孔电视成像进行物探成果验证，与高密度电法探测结果基本吻合，表明高密度电法适用于隧洞砂化白云岩不良地质体勘察，具有优质、高效的特点，在砂化白云岩隧洞勘察中探测地质构造、岩性界线和岩溶发育情况是一种有效的物探手段，为隧洞改线论证提供了科学依据。

浅层地温测量是众多地下供暖管线探测方法中较为直接的探测手段。浅层地温数据的解释手段有很多种，而利用测温数据差商得到地温梯度进行数据处理解释具有很多优势，它能抑制背景温度场的差异，且对同源热噪声不敏感。笔者基于温度场的拉普拉斯方程，以热源正上方观测点的温度和热源外表面的温度作为边界条件，推导出水平圆柱体状热源的地温梯度公式。通过模拟供暖管道的地温梯度响应，并在加入噪声的情况下，利用相关成像法对热源的中心位置进行定位。经过模型试验和实际供暖管线探测效果对比，分析了该方法的优缺点和适用性。

2008年的汶川地震是迄今为止中国最具破坏性和影响范围最广的地震之一。尽管自地震已经过去15年，北川羌族自治县因其异地重建计划仍受到许多学者的关注。目前，对于异地重建还缺乏定量研究方法。相对于传统的变化检测方法，基于深度学习的方法提供了更高的准确性和客观性。本研究的主要目标是使用搬迁后的北川羌族自治县作为研究区，构建一个多时相的北川县变化检测数据集，并创新性地提出一个基于动态变化的建筑检测框架。首先，在北川县的建筑数据集上评估不同模型的性能，以验证BIT模型的高准确性。然后，预测2008年至2016年期间北川县的重建情况，并可视化预测结果。最后，对2008年至2020年期间北川县的恢复和发展过程进行可视化和定量分析。结果显示，BIT模型在北川县的建筑数据集上实现了最高的准确性，平均交并比（MIoU）为83.40%。此外，统计结果显示2008—2016年灾后重建的建筑物面积为8.44 km²。到达2020年灾后重建的建筑物面积为10.59 km²。研究提出的用于震后城市重建的快速多时相提取方法，可为当地政府进行城市规划提供科学依据。