混合震源采集技术(也称多震源混合采集)具有改善成像质量、提高采集作业效率的优势,自形成伊始就受到了学者们和各大油气公司的青睐。但混合震源采集引入的混合噪声、混合震源观测系统中比传统采集可记录更多信息的道集的缺失以及其它随机噪声严重影响了地震数据的信噪比;在常规震源混合采集理论上发展的变频震源采集技术具有以更简单、更保真的方式实现宽频采集的优势,但采用一般方法分离混合波场时,分离信噪比将受到影响;由于震源激发方式和采集成本的制约,海洋混合震源采集的发展速度远慢于陆地。鉴于混合震源采集技术发展中遇到的上述限制,本文对混合震源采集技术作了系统研究:针对海洋混合采集开展了混合震源采集基本理论、波场分离方法以及变频震源混合采集技术的研究,并首次在国内开展了海洋混合震源采集及混合数据处理研究,为未来海洋混合震源采集技术的产业化提供了理论支持与技术储备。本文分别从观测系统和数学物理两个角度阐释了混合震源采集的基本原理,通过引入合成震源算子和面源的概念,类比地阐释了混合震源算子和混合震源的原理。并解释了震源密度比和采集时间比两个重要参数,二者分别量化了混合震源观测系统提高空间采样率和采集效率的优势。按照混合算子的类型将混合震源采集分为“适定型混合震源采集”和“欠定型混合震源采集”,从数学角度分析了两类采集方式的数据混合形式以及对相应波场分离方法的影响。同时阐述了海洋多船混合震源和单船混合震源观测系统,并对两类观测系统开展了正演模拟。分别从理论和震源数据响应的角度介绍了“伪分离”的概念,其在波场分离及后续常规处理中有规则化数据及校验混合震源编码的作用。本文提出将混合噪声的去除、缺失道集的插值以及随机噪音的衰减描述为同类反问题,将其统一在一个稀疏反演框架内同时求解,在改善混合震源数据信噪比的同时提高了数据的处理效率。将统一在同一反演框架内的此三类问题纳入L1范数约束的正则化模型,并将快速迭代收缩阈值算法引入正则化模型的求解中,该算法在保留了收缩阈值算法实现简单的优点的同时提高了运算效率,通过模拟数据和实际数据的分离结果验证了算法的有效性。本文提出基于压缩小波变换的变频震源混合波场分离方法,在震源频谱重合度较高的情况下,获得了高质量的分离信噪比,同时提高了分离效率。受采集装备或者采集环境的约束,宽频采集将复杂化震源端或整个观测系统,在常规震源混合采集基础上发展的变频震源采集,通过利用多个主频不同的窄频带震源代替单独使用宽频震源,可以在采集装备技术复杂程度更低的条件下解决宽频采集问题。本文分析了变频震源混合采集在海洋和陆地宽频采集中的应用及发展趋势。变频震源混合采集可进一步拓展为分散式混合采集,其在具备前者优势的同时还具有作业简单、高效采集的特点。然而,当变频震源混合波场数据采用一般方法分离时,分离信噪比将在一定程度上低于常规震源混合采集,针对变频震源混合采集子震源时频差异性的特点,本文提出了基于压缩小波变换的波场分离方法,通过模拟算例证明其具有高质量的分离信噪比及高效运算的优势。鉴于混合震源编码直接影响后续波场分离质量,本文重点研究了影响混合震源编码的两个主要因素,即激发时间的随机延时范围和最小激发时间间隔,并结合我国首次海洋拖缆混合震源2D、3D采集的观测系统和作业任务,研究出了最佳混合震源编码的设计方法。通过与传统采集数据的常规处理方法的融合研究,针对我国首次采集到的海洋混合震源数据,研究设计了一套混合波场数据处理模式,开展了混合震源数据预处理、分离及偏移成像。并在同等的计算机硬件、软件及参数条件下,与同一地区的传统震源采集数据开展了同步处理,通过偏移成像结果对比,本文提出的混合采集数据分离方法及数据处理模式的正确有效性得到了进一步证实。本文提出了混合波场分离中预先衰减直达波噪声的新方法,提高了分离信号的保真度,减少了有效信号能量的遗漏,将分离信噪比提升至了传统方法的一倍左右。