在陆地与浅海石油和天然气地震勘探中,长波长静校正对于获得高质量的叠加和偏移剖面起着至关重要的作用,并影响到后续的地质解释、储层预测及描述。获取准确的近地表长波长静校正需要高精度近地表速度模型。初至波走时层析成像广泛应用于近地表速度反演。然而,走时层析成像是病态反演问题,存在解的非唯一性问题。为了使反演过程稳定,目前最常用方法是利用吉洪诺夫正则化约束走时反演。但是当地下岩石交界区域存在尖锐边界时,吉洪诺夫正则化方法会产生平滑的反演模型,模糊尖锐的界面特征。总变分正则化方法通过对模型参数的梯度施加稀疏约束来产生具有尖锐界面的块状模型,保留反演结果中的边界信息。然而,总变分正则化方法存在数值求解不稳定,反演收敛性严重依赖于参数的选取,反演模型中易产生阶梯状人造假象等问题。本论文将一种改进的总变分正则化方法应用于走时反演,以保留模型中的尖锐边界并提高速度反演的准确性。理论模型测试表明,与使用传统的吉洪诺夫正则化的走时反演相比,改进的总变分正则化走时反演方法得到了具有更高分辨率的模型,并且比总变分正则化方法产生更少的人造假象。在实际地震资料应用中,新方法得到的近地表速度模型提供了更准确的长波长静校正值,并使得叠前时间偏移剖面的反射层能量更加集中。本论文进一步将该方法拓展到三维走时反演,并应用于实际数据。共中心点叠加剖面表明新方法提高了长波长静校正的精确性。初至波走时层析成像具有非线性程度弱、对初始模型依赖程度低、计算效率高等优点,可以很好地约束浅层速度结构。但是当地下结构中存在隐藏低速层或者小散射体时,走时反演无法刻画复杂近地表的精细结构。初至波波形反演基于波动方程理论,考虑了地震波在非均匀介质中遇到速度异常时的散射现象和波前复原效应,大大提高了对速度异常体的分辨能力。利用地震初至波波形信息,可以恢复近地表结构的中、高波数特征,但是它需要准确的初始模型以避免预测数据和观测数据之间的周期跳跃。地震走时和波形联合反演方法具有保留走时反演和波形反演的优点,同时克服它们各自的缺点的潜力。在联合反演中,将地震初至波走时和波形数据放在同一方程组中同时反演,利用共轭梯度法迭代求解非线性反演问题。本论文将走时与波形联合反演方法应用于地下浅层隧道和空洞探测,对隧道进行速度反演。联合反演将隧道顶部的混凝土墙成像为高速异常,并将内部空气填充的空洞解释为低速异常。作为对比,传统的全波形反演也应用于该数据。联合反演方法预测的速度异常的位置与隧道的先验埋深信息一致。理论模型测试和实际数据应用表明,联合反演更好地恢高速混凝土异常体顶部的速度值以及空间位置。联合反演方法另一个应用是玉门油田近地表复杂区域成像。该区域地质结构复杂,地形起伏急剧变化,单独的走时反演和波形反演都很难得到精确的反演结果。实际地震数据反演结果表明,走时与波形联合反演同时拟合两种类型的数据,有助于约束浅层的速度结构,减少浅层区域人造假象的产生。全波形反演技术广泛应用于油气勘探中。然而,在目前的大多数应用研究中,只有纵波速度被反演重建。这是因为在多参数全波形反演框架内的密度和速度耦合在一起。在小孔径的情况下,纵波速度与密度有着相同的传播模式,从而增加了反演问题的非线性程度。重力梯度数据反演是重构高精度密度模型的有效方法。在全波形反演中结合重力梯度反演可以建立全张量重力梯度数据与地震数据间的信息互补,实现相互修正速度模型与密度模型的目的。本论文开发了三维地震全波形和重力梯度数据联合反演方法,以反演地下高精度的速度与密度模型。由于速度与密度存在相关性,联合反演利用交叉梯度约束来增强密度和速度模型之间的结构相似性。本论文通过三维检测板模型和SEAM(SEGAdvanced Modeling)Phase 1盐丘模型验证了联合反演算法的有效性。我们将联合反演应用于马来西亚近海地区的实际数据,表明联合反演的速度模型显著地提高了叠前深度偏移剖面质量。此外,联合反演的密度模型突出显示了地下断层的位置。