模型的建立与描述是地震资料分析与处理的基础，合理的模型参数化方式对于地震正反演的各个方面都有很好的效果，其中射线追踪在正演模拟、层析成像及偏移等研究领域中都占有很重要的地位。本文针对地震波走时与射线路径计算，设计了一种将离散模型连续化的最小二乘模型参数化方法，分别对速度模型和走时模型进行模型参数化，然后进行梯度速度模型验算及误差分析。计算结果表明，该模型参数化方法使走时计算精度从10^-2提高到10^-3，使射线路径的计算精度提高了14.33%。最后通过经典Marmousi模型和Sigsbee 2A模型实例验证，充分证明了该模型参数化方法的有效性及普遍适用性。

地震折射波勘探是工程与环境地球物理中应用最为广泛的方法之一。作为一种简洁方便又经济实惠的勘探方法，它可为工程地质提供近地表地层起伏变化和速度横向变化以及潜水面变化资料等。随着工程地质勘查和城市地质勘探工作的发展，工程地震折射波法数据处理与解释变得尤为重要。本文主要介绍了浅层地震折射波法的发展历程、应用条件，并总结和讨论了几种主要折射波解释方法的原理。在此基础上，比较并讨论了各种方法在应用中的优势和不足，阐述了近年来国内外浅层地震折射波法的发展现状及趋势，并着重介绍了作为研究热点的折射层析成像方法。研究表明：当探测深度较浅且分界面足够平整、界面倾角较小时，最方便的解释方法是截距时间法；当勘探目标的深度达到25 m时，t₀差数法最为适用；勘探目标埋深超过25 m时，应当使用广义互换法。随着勘探精度要求越来越高，使用折射波走时层析成像技术可以满足纵横向速度变化的近地表地层，包括大倾角地层、隐伏层、界面起伏层等。

常规探地雷达大多数是单极化雷达，单极化雷达只能获得单极化数据，对复杂环境中管道准确快速地识别比较困难。为了解决此问题，本文采用了全极化探地雷达识别管道的方法，提取了单一管道目标、多个管道目标中任何一个管道目标和受其他目标影响的管道目标的极化属性。结果表明，全极化探地雷达技术对处于极化属性受到影响环境下的管道目标均能较好地识别。因此，全极化探地雷达能够获得更加全面的目标体极化信息，有效地解决了复杂环境中管道准确快速识别比较困难的问题。

遥感图像分类是提取图像有效信息过程中重要的一部分，为了探寻最优的分类方法，许多机器学习算法逐步应用于遥感分类中。极限学习机（extreme learning machine，ELM）以其高效、快速和良好的泛化性能在模式识别领域得到广泛应用。本文采用训练速度快、运算量小的极限学习机算法与支持向量机（support vector machines，SVM）算法和最大似然法进行分类对比，对高分辨率遥感图像进行分类，分析极限学习机算法对于遥感图像分类的准确度等性能。选取吉林省长春市部分区域的GF-2遥感数据，将融合后的影像设置为原始数据，利用3种方法进行分类。研究结果表明，极限学习机算法分类图像总体分类精度达到85%以上，kappa系数达到0.718，与其他分类方法相比分类准确度较高，且极限学习机运行时间比支持向量机运行时间约短2 480 s，约为支持向量机运行时间的1/8，因此具有良好的性能和实用价值。

与时间域偏移方法比较，叠前深度偏移成像方法能够适应剧烈横向速度变化、陡倾角反射的地震资料。本文通过研究Kirchhoff叠前深度偏移方法成像原理，首先建立初始速度模型；然后在初始速度模型中加入了目标地质体——盐丘作为层位，对初始速度模型进行优化，在层位的约束下通过多次迭代计算，对优化前后的两个速度模型求取旅行时差更新初始速度模型；最后利用更新后的初始速度模型进行Kirchhoff积分法叠前成像。叠前时间偏移和模型约束下的Kirchhoff积分法叠前深度偏移成像结果显示，后者成像具有更高的信噪比和分辨率。

随着地球物理设备和探测技术的不断发展，快速处理大规模地球物理数据的需求也随之增长。为了解决三维重力数据密度反演的耗时问题，提出一种并行的预处理共轭梯度算法来提高计算效率。本文分别采用两种不同的预处理算子通过组合模型数据反演进行测试比较，并利用迭代残差和计算用时共同评价其加速效果。结果表明：对称逐次超松弛预处理方法比对角预处理方法反演计算速度快，密度结果更贴近实际模型；与传统串行的共轭梯度算法相比，本文并行预处理快速算法可以获得近19倍的加速比。将该算法应用于美国Vinton盐丘的实测重力数据中，反演结果能够很好地圈定出岩体的位置，验证了本文并行预处理共轭梯度法在三维重力数据快速反演中的高效性和可行性。

在位场数据处理中，垂向导数具有重要的物理意义。其在一定程度上可以划分不同深度和大小异常源产生的叠加异常，且导数的阶次越高，这种分辨能力就越强，但通常认为高阶导数的换算是不稳定的。本文在Tikhonov正则化求位场垂向高阶导数的基础上，结合迭代法进行逐次逼近，提出了位场高阶导数的Tikhonov正则化迭代法，并且得到Tikhonov正则化迭代法的递推公式。通过对该方法的滤波特性分析可以看出，该方法计算的位场垂向高阶导数具有一定的稳定性及保幅性。模型试验和实际数据的处理表明，该方法计算结果较常规FFT求导法有更高的稳定性和实用价值。

钻孔雷达是探地雷达的一种。传统的钻孔雷达可以确定目标地质体的深度，却无法判定目标地质体的精确方位；定向钻孔雷达不仅可以确定目标地质体的深度，还可以精确地确定目标地质体的方位。本文研究的定向钻孔雷达包括1个发射天线和4个接收天线。本研究通过增加移动窗口，进行窗口内的方位识别计算来实现残差法的改进。传统的残差法只能对一个目标进行方位识别；改进后的残差法可对井眼周围任意多个目标进行方位识别，并且利用4个接收天线所接收到波形的不同来确定目标地质体的精确方位，并开发了三维成像算法。最终利用模型得到合成数据，求得方位角，结合方位角进行三维成像，三维成像结果中井眼的正东方向和正南方向都有一个明显的异常，与原模型吻合良好。

为了计算全球尺度电磁感应的响应，本文介绍地磁测深频率域三维正演。正演算法采用球坐标系下的交错网格有限差分方法，从Maxwell方程的积分形式出发，采用PARDISO对离散后的方程组求解，避免了迭代求解的散度校正。为了验证本文结果的正确性和精度，与前人的有限元和有限差分方法进行了对比，一维层状模型的三维交错网格有限差分数值结果和解析解相对误差小于5%，双半球模型的计算结果与前人的计算结果完全吻合。三维"棋盘模型"计算表明磁场分量对异常体的大小和位置具有很好的分辨能力。

在位场数据边界识别传统方法理论的基础上，前人研究了各种场源边界增强技术来提高信噪比和定位精度，但仍然存在受噪声影响大、场源边界不够收敛等问题。本文在传统边界识别方法的基础上进行改进，利用小波变换与传统方法相结合来增强对噪声的压制能力，并且提出了幂次变换法对识别出的边界进行有效收敛。将改进方法与传统方法应用于地质体的边界识别；同时选取3种传统数值计算方法，结合模型数据、四川盆地重力异常数据及朱日和地区磁异常数据进行对比分析。结果表明：小波结合幂次变换法能够有效识别出研究区域内地质体的边界，能很好地起到压制噪声的作用；并且识别出的边界收敛，提高了边界识别的精度，在边界识别中取得了良好的效果。

在航空电磁探测方法应用中，地下探测环境复杂，地下介质物性参数存在各向异性特征。如果采用常规各向同性介质模型，在资料解释过程中会产生严重的偏差。本文基于矢量有限元法开展三维任意各向异性频率域航空电磁响应模拟计算研究。首先，将总场分解成一次场和二次场，对空气介质的均匀全空间进行一次场解析计算，同时利用矢量有限元法对二次电场的双旋度方程进行求解。为提高求解速度，采用共享内存直接求解器PARDISO对大规模稀疏矩阵并行计算，大大提高了三维模型的计算速度。之后开展了4种典型目标模型的三维各向异性介质模拟：围岩各向同性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型；围岩各向同性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型；围岩各向异性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型；围岩各向异性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型。对比分析了不同模型在不同旋转角度情况下，磁场实虚分量的变化特征，进而总结了各向异性参数对航空电磁响应的影响规律和识别方法。

通过对CE3玉兔号月球车粒子激发X射线谱仪（APXS）获取的数据进行处理，获得测点的累积特征X荧光计数率谱线，经小波滤波，消除放射性涨落对X荧光谱线的影响。由能量刻度获得了月球车着陆点月壤元素X射线特征能量峰，由此分析了着陆点月壤元素的成分，得知测量点月壤元素成分包括Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb。研究结果为月陆地质演化提供了有利的参数制约。

三塘湖盆地是我国西部典型的火山岩油气盆地。本文基于1：5万高精度航磁资料，结合区域地质、区域重力、地面踏勘和物性资料，对三塘湖盆地进行了航磁综合解释；详细分析了磁场和重力场特征及其与区域构造的对应关系，圈定了盆地火山岩分布范围，采用欧拉反褶积方法计算了磁性体埋深，初步揭示了盆地磁性基底起伏情况；结合盆地火山岩油气成藏模式，开展了航磁油气远景预测。结果表明，三塘湖盆地中央坳陷内有隐伏火山岩存在的次级凹陷中心具有寻找火山岩油藏的良好前景：汉水泉凹陷区中的2个次级凹陷中心、条湖凹陷区北段次级凹陷中心应作为油气勘探重点区域；石头梅凸起和岔哈泉凸起区可作为重要油气勘探方向；方方梁凸起及其以南区域可作为下一步油气勘探工作的预研区。研究结果可为盆地油气资源后续勘探开发提供指导。

本文根据最新的航磁资料，将东昆仑-阿尔金山地区按照不同的磁异常面貌特征进行了分区描述，其总体展布以北东和近东西向为主，磁异常具有明显的分区、分带性。同时辅以卫星重力资料，通过解析延拓、任意水平方向导数计算等处理，得到大量与断裂相关的地球物理场信息，并结合地质资料综合分析，揭示了研究区内断裂构造尤其是深大断裂在磁场上的特征。这些特征主要以不同磁场分界线、磁异常梯度带和串珠状异常等形式呈现，明显的表现为磁场分区、分带的界线。在此基础上，根据航磁资料解释和实际应用结果对深大断裂与成矿的关系进行了探讨。本文实例揭示已知的中小型矿床多位于深大断裂附近。

全波形反演方法作为一种高分辨率成像手段在跨孔雷达反演中得到有效应用，但其仍受局部最小问题影响。一个有效的解决方法是为反演提供一个准确的初始模型。但在应用真实雷达数据时，由于地下介质未知且存在低频数据缺失的情况，全波形反演往往难以获得理想结果。为此，使用对包络目标函数求导的方法，详细推导了包络波形反演的梯度公式。该方法与传统全波形反演方法在原始数据低频成分缺失情况下的反演结果对比表明，该方法能够有效还原缺失的低频信息并且对低频缺失数据有更好的反演能力，可以直接为地下介质提供定量解释。

对基于矢量网络分析仪的单发单收探地雷达系统进行扩展，组建了可实现信号多通道发射和多通道接收的步进频率探地雷达系统。该系统主要由计算机、矢量网络分析仪、三维直角坐标仪、开关控制转换器、同轴开关以及多次覆盖极化天线阵列构成。系统信号发射通道和信号接收通道均可扩展至6个通道，可满足一般天线阵列测量需求。多次覆盖天线阵列采集共中心点（CMP）数据，每个测点可获取2个共极化模式数据和4个交叉极化模式数据，数据叠加后噪声可得到有效压制，系统信噪比可获得较大提升；同时应用Pauli分解方法获得伪彩色剖面图以对目标物体进行散射机制的分类。对该多输入多输出步进频率探地雷达系统进行系统测试和实验的结果，验证了其可靠性。

轻非水相流体（LNAPL）泄漏后会对土壤和地下水造成严重污染，为了准确探测出LNAPL泄漏范围，本文将GPR天线-目标极化的瞬时属性分析方法应用于轻非水相流体污染土壤探测的研究中。采用注入柴油的石英砂砂箱在实验室建立污染土壤模型，利用探地雷达对该污染土壤分别进行天线方位为0°、90°的测量。LNAPL土壤污染物形状、大小、结构并不规则，因此可以通过0°和90°方位天线测量来分析天线-目标极化特征，了解目标物的走向、形状等地下介质信息。通过对预处理后的包含天线-目标极化特征的信息进行瞬时属性分析，LNAPL污染范围可以被清晰地识别，提高了GPR探测能力。

针对高效率、高精度快速移动平台联合探测技术，发展由此带来的海量数据综合信息处理、解释和地质建模一体化所需的大型软件平台技术，可为实现复杂环境条件下有效实施大面积资源勘探调查、实现重大找矿突破目标提供切实可行的技术保障。采用引进和自主研发的"红蓝军"双轨路线，基于已有的地震数据处理解释基础，完善了高端软件平台地震和非震数据分析功能的联合，形成了具有跨操作平台、数据融合、二次开发、数据共享管理等功能的综合研究一体化分析软件平台，填补了国外软件产品在地震-非震数据联合分析方面的空白，为地球深部探测数据分析提供技术支撑。

为了解决构造识别中多个断层不能同时识别倾向的问题，提出了利用断裂构造重力异常水平导数的分布特征实现的倾向成像技术，即断裂水平导数变化率较小的一侧指示断裂的倾向；由此可直接标识出断裂的特征，避免了以往该类方法复杂的运算。将这种技术应用到松辽盆地的实测重力异常的处理中，获得了松辽盆地的构造特征。松辽盆地东西两侧具有明显的重力异常差异，但已有的电法、地震资料难以揭示这种差异的原因。笔者以地震数据为约束，利用重力数据进行松辽盆地地层界面的反演，获得了莫霍面及以下的界面特征；认为松辽盆地重力异常差异的原因是松辽盆地莫霍面下方10 km存在一个界面，且由于太平洋板块的俯冲造成该界面在松辽盆地发生了较大的起伏，从而呈现异常的变化。

本文利用面积广、勘探深度大的重磁数据通过增强型局部相位边界识别方法和优化欧拉反褶积法获得东海陆架盆地的构造特征，为油气勘探提供基础资料。增强型局部相位边界识别法是重磁数据一阶和二阶水平导数的比值函数，能有效地均衡不同深度地质体的边界响应，从而同时显示不同深度构造的边界，提高对较深层构造的分辨率；优化欧拉反褶积法有效地降低了背景异常的干扰，从而可获得更加准确的构造反演结果。理论模型研究表明，增强型局部相位边界识别法可更加准确和清晰地划分边界信息，优化欧拉反褶积法可获得更加准确和收敛的反演结果。综合利用增强型局部相位边界识别和优化欧拉反褶积法对东海陆架断裂构造分布进行划分，获得了分析区域构造背景和评估油气潜力的基础资料。

为了评估观测质量，本文结合大柏舍地震台电测深资料，采用水平层状介质模型分析了该台站对称四极装置深井地电阻率观测时影响系数随电极深度和观测极距的变化。分析结果表明：大柏舍台现有的深井地电阻率观测水平测道虽然能有效地抑制来自地表的干扰，但是由于观测极距较小，不能很好地反映深部介质电阻率的变化信息；垂直测道因电极埋深位于地下水位变动层位，观测数据受地下水位波动影响较大，较难识别来自深部介质的信息。为有效地记录可能的孕震信息，水平测道极距AB/2取250~350 m、埋深H>150 m能满足需求，并建议增加NS向水平测道观测。

内蒙古头道桥地区出露了一套经高压变质形成的岩石组合。本次研究通过岩相学和矿物化学分析，根据矿物组合的不同，识别出蓝片岩、绿片岩两种不同类型的岩石类型。其中，蓝片岩的矿物组合为角闪石（蓝闪石、蓝透闪石）+绿帘石+钠长石+绿泥石+石英+赤铁矿±多硅白云母±方解石±榍石；绿片岩的矿物组合为绿泥石+钠长石+石英±绿帘石±角闪石（阳起石、镁角闪石、蓝透闪石、冻蓝闪石等）±多硅白云母±赤铁矿。确定了蓝片岩的峰期变质级别为绿帘-蓝闪片岩相，峰期变质温度为400~600℃，压力为1.2~1.4 GPa。绿片岩的峰期变质级别为绿帘-角闪岩相。结合前人研究成果，认为蓝片岩和绿片岩的形成与额尔古纳地块和兴安地块的碰撞拼合有关。

古城低凸起是塔里木盆地东部地区的重要勘探领域，古城6、8、9井的相继成功证实了其良好的勘探前景。塔里木盆地多年勘探实践表明，断裂对储层的形成和成藏有着重要的控制作用，对于油气发现具有重要意义。本文立足于本区二、三维地震资料，从分析断裂剖面的几何特征入手，建立了古-中生代的断裂发育样式，结合多窗口倾角扫描技术识别了隐蔽走滑断裂的平面特征，系统剖析了不同演化阶段断裂的变形机制，详细研究了构造演化对油气成藏的影响。研究表明：古城地区主要发育7类不同断层的构造样式，包括张性正断层、张扭性负花状构造、正"Y"字形构造、反"Y"字形构造、压扭性正花状构造、近直立的共轭走滑断层及张扭性走滑正断层；平面上主要发育NW向、NE向和NNE向3个方向的断裂。根据断裂的几何要素和动力特征，将断裂活动期次分为早加里东期、中加里东期、晚加里东-早海西期和印支-燕山期。其中：中加里东期断层奠定了本区堑垒相间的构造格局，是油气和下部流体向上运移重要通道；印支-燕山期形成的"羽状"断裂带是晚加里东-早海西期断裂再次活化形成的，距离其在3.0 km以内的井普遍钻探效果较差，对成藏有着重要的破坏作用。

深地震反射技术是探测大型成矿带和矿集区深部结构、揭示成矿背景的重要方法。西藏娘热矿集区位于冈底斯成矿带中段，拥有众多铁、铜等多金属矿床。本文通过对其附近的岩浆流体通道等地下结构进行探索，揭示成矿与断裂形成的相辅相成过程。布设了横过矿集区130 km长的深地震反射剖面并进行了层析静校正、去噪、预测反褶积等数据处理，获得了娘热矿集区上地壳结构的反射图像。结合本区地质、地球物理资料，对矿集区上地壳结构进行了研究，指出：区域内存在的7条断裂与冈底斯成矿带矿脉分布具有一定的空间关系；一些如亮点构造的特殊现象控制了岩浆活动的上升通道，与矿床接触关系密切，具有研究价值。

为了查明第二松花江河源区水体环境状况，通过测定二道松花江及其主要支流沉积物中重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的质量分数，探讨了沉积物中的重金属浓度特征，并采用潜在生态风险指数法对该河流沉积物中重金属的潜在生态风险进行了评价。结果表明：二道松花江及其主要支流沉积物中重金属元素分布不均匀，As、Cd、Cr、Cu、Hg质量分数平均值分别为4.47×10^-6、0.158×10^-6、35.81×10^-6、10.57×10^-6、0.040×10^-6，总体处于较低水平；沉积物中重金属潜在生态风险总体上处于轻微生态危害程度，但在金银别河处于极强生态危害程度，以Hg的生态风险为主。

冀东地区位于华北地台东部燕山台褶带的东段，是我国主要的金矿产出地之一。区内花岗岩大量分布，包括都山、蛇盘兔花岗岩基以及青山口、高家店、贾家山、峪耳崖、罗文峪等岩株。本文对高家店和蛇盘兔岩体进行LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年和岩石地球化学特征研究。定年结果表明，高家店岩体的成岩时间为（198.8±0.8）Ma，蛇盘兔岩体成岩时间为（184.7±1.0）Ma，岩体形成时代都为早侏罗世。研究区内的岩石为弱过铝质I-A过渡型高钾钙碱性花岗岩类，Na₂O+K₂O质量分数高，富集大离子亲石元素（LILE）和轻稀土元素（LREE），亏损高场强元素（HFSE），且δEu集中于0.14~0.82，具有明显负铕异常的特性，表明成岩物质来源于壳源，形成于后碰撞环境。