地震波场数值模拟是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效手段，对于认识和研究地震波在介质中的传播具有重要作用。随着勘探精度的不断提高和勘探目标难度的加大，需要对更为复杂的介质、更为复杂的速度场中地震波传播问题进行研究。因此，研究适于复杂介质及复杂模型的地震波数值模拟方法显得尤为必要。在地震勘探中，地震波场数值模拟方法可分为两大类，即波动理论法和射线理论法，其中射线追踪数值模拟是一种快速的正演方法。论文采用射线追踪方法研究各向异性介质和复杂模型中地震波的传播规律。针对各向异性介质，论文从试射射线追踪方法和各向异性介质的基本理论出发，在前人的研究基础上，分析了横向各向同性(VTI)介质中速度及角度的群相关系，推导了VTI介质中的Snell定律，并引入透反射系数及球面扩散效应计算地震波在传播过程中的能量分配及衰减，更客观合理地模拟了地震波在各向异性介质中的传播问题。针对复杂模型，论文从快速步进法(FMM)射线追踪的原理及分区多步思想出发，在已有的工作基础上，系统推导了一阶、二阶迎风差分格式，引入角点计算、Vidale差分及双重网格技术，研究了堆排序技术，并引入旅行时线性插值(LTI)射线追踪的技术计算射线路径及界面窄带旅行时。通过模型测试，对不同差分格式及堆排序下的结果进行了对比分析，结果表明改进后FMM射线追踪的计算精度和效率更高且适应能力更强。编程实现了分区多步FMM，并能够实现不同观测系统下复杂模型的初至波、一次或任意次透射、反射、转换波的模拟，更有利于研究地震波在复杂模型中的传播规律。论文针对VTI介质及复杂模型分区多步FMM射线追踪的相关问题，在以下技术方面有改进：一、在VTI介质试射射线追踪过程中，论文引入了能量分配及衰减理论，加入VTI介质透反射系数的计算及球面扩散效应，实现了地震波传播过程中的能量分配及衰减，使模拟的地震记录更为真实客观。二、FMM的计算精度和效率与差分格式及网格剖分的大小有关，为同时保证计算效率和精度，作者在FMM实现过程中加入角点计算，对改进一阶差分进行细化补充，引入Vidale差分方法和双重网格技术，模型测试结果表明改进后FMM在效率相同的情况下精度提高了10倍左右，且适应能力更强。三、在FMM射线追踪过程中引入旅行时线性插值(LTI)射线追踪的技术计算射线路径及界面窄带的旅行时，模型测试结果表明该方案是有效的，并在分区多步FMM中得到实现。