高斯束偏移是介于波动方程偏移与Kirchhoff积分偏移之间的一种折中方法,因其同时具有较高的精度和效率,近年来备受关注。本文以探索高斯束偏移新理论和应用为目标,以射线中心坐标系、全局笛卡尔坐标系高斯束为基础,系统地研究了常规高斯束偏移、高斯束逆时偏移、地震数据的高斯束分解与重建,以及高斯束偏移在压制鬼波方面的应用。高斯束逆时偏移结合了高斯束的高效、灵活性和逆时波动方程偏移的高精度,能很好地处理焦散点、大倾角等成像问题,并且具有面向目标成像的能力。为了实现多分量数据的处理,本文基于前人的研究提出了多分量高斯束叠前逆时偏移,在波场分离的基础上实现PP波和PS波成像,数值试验表明方法具有较高的精度。全局笛卡尔坐标系高斯束是一种新的数学方法,相比于射线中心坐标系高斯束,其不需要繁琐的坐标转换,便于在规则网格计算。通过考虑光滑、插值等算法,本文将该理论推广应用到地震波传播和成像中。首先实现全局笛卡尔坐标系高斯束正演模拟,分析表明新方法能很好地处理焦散问题,准确模拟较复杂介质中波场的传播过程。然后通过全局笛卡尔坐标系高斯束合成格林函数,进而实现逆时偏移。最后评价方法的适用性。全局笛卡尔坐标系高斯束为进一步研究欧式高斯束提供了基础。为了检验高斯束在地震数据分解、重建中的应用效果,并分析其对后续偏移的影响。本文通过平面波分解滤波器把信号分解为局部平面波,然后构建高斯束来表征不同类型的局部平面波,迭代更新使残差最小,完成记录的重建。在此基础上,分析含噪声和缺失道的情况下,地震数据的高斯束重建效果,并对重建数据进行高斯束深度偏移。测试表明,重建数据的偏移能得到满意的成像结果。地震数据必须同时包含准确的低频和高频信息,以便获得一个更加连续的、包含有岩性信息的成像剖面,增强地质可解释性。鬼波的存在导致地震记录频率与角度有关的效应,引起振幅畸变。本文通过在共炮道集高斯束偏移算法中加入炮点和检波点的鬼波补偿算子来消除鬼波的影响,并给出稳定求解的算法。数值试验表明,压制鬼波能恢复地震资料的低频信息,消除虚假的高频信息,使偏移剖面构造连续性增强,分辨率提高。