地球物理反演是指通过地球物理观测数据反推地下场源的空间分布情况,提供地下目标体的赋存状态(形状、产状、空间位置)和岩石物性参数(密度、磁性、电性、弹性和速度等)等特征信息,已经成为矿产和油气资源勘探中最为重要的定量解释工具之一。然而,随着浅层资源的枯竭,我国找矿找油工作的重点正向深部资源转移,单凭一种地球物理数据很难精准地推测出地下异常体的属性信息。鉴于单一物性反演方法存在的局限性和表现出的多解性,开展多种地球物理方法综合解释是提高反演解释的必由之路,而联合反演是多种地球物理数据综合解释的最有效方法之一,是解决多种勘探方法反演结果结构不一致、多种数据利用率低和反演多解性严重等问题的理想方案。本论文针对反演多解性严重、多物性参数结构耦合困难以及计算慢内存占用量大等难点问题,开展了多种物性参数的联合反演算法的研究,旨在已有的联合反演方法基础上,开发优化改进的联合反演方法,更加有效地降低反演多解性,改善反演准确性、效率性和稳定性,形成一套有效而全面的多物性多约束联合反演算法,促进联合反演的实用化进程。交叉梯度联合反演方法不需要依赖不同物性参数间的岩石物性关系,而是假设同一地下区域不同物性参数的空间结构分布完全或者部分相同,因此适用于多种地球物理方法的综合解释。本文基于交叉梯度耦合方法开展了不同物性参数的二维联合反演研究,构建了双物性单约束联合反演目标函数,在交叉梯度函数为零的恒等式约束条件下采用高斯-牛顿法进行同步迭代求解,实现了重磁电震方法间的双物性单约束二维联合反演算法。在此基础上,将归一化算子引入到交叉梯度函数中,用来克服不同物性参数间差异的影响,提出了基于归一化交叉梯度约束的多物性参数联合反演算法;针对二维多物性参数联合反演计算效率低和内存消耗大的难点问题,通过引入数据空间方法,将模型计算从模型空间通过恒等式转换到数据空间进行数值求解,从而有效降低了内存消耗,提高了计算效率。模型试算表明每种地球物理方法都存在各自的局限性,采用多物性参数联合反演的策略可以对单一反演结果取长补短,有效地降低反演结果的多解性和改善不同模型的结构一致性。同时,将交叉梯度函数中的不同量级、不同单位的模型参数转换成相同数量级、无量纲的模型参数,可以有效地消除联合反演因直接耦合不同模型参数所引起的反演结果偏差。此外,数据空间联合反演方法具有计算时间短、消耗内存少等优点,表现出较强的稳定性和适用性。正则化技术可以有效降低反演多解性和提高反演稳定性。不同的正则化方法表现出不同的反演效果,本文研究了多种正则化方法的理论,推导了其函数项对应的模型加权矩阵,实现了不同正则化下的二维联合反演算法,并提出了基于弹性网正则化交叉梯度二维联合反演算法。模型试算表明,L2范数解总是过于平滑,L1范数解总是过于稀疏。然而,L2范数和L1范数的凸组合弹性网正则化方法,不仅可以增强稳定性以保持局部区域的平滑,而且能有效地捕捉反演解的小尺度细节,增强稀疏性以保持尖锐的边界。实例结果表明,相比于现有的平滑约束联合反演方法,可以有效地改善异常体下部大面积发散的现象,平滑区域出现了精细的异常体尖锐边界。为了便于地质解释,将联合反演得到的模型整合成(红-绿-蓝)模式的RGB合成图,通过RGB合成图对研究矿区地层序列和断层定位进行定量解释。针对三维联合反演中灵敏度矩阵存储量过大和传统共轭梯度法容易出现连续搜索步长小的问题,提出了一种数据空间和改进的共轭梯度法相结合的三维联合反演算法,该算法不需要形成和存储灵敏度矩阵,有效地降低了反演计算时间和内存消耗量,并将该算法分别应用到重力和重力梯度同物性的三维联合反演以及重力及重力梯度和磁法不同物性的三维交叉梯度联合反演中,首次给出了三维数据空间下改进的共轭梯度法联合反演的公式推导过程。此外,在重力几何格架快速正演算法的基础上,将几何格架等效关系式进行修改,给出了重力梯度和磁法的几何格架关系式,开发出三维重力梯度和磁法的快速正演计算方法,进一步提高了反演的计算速度。模型试算表明,改进的共轭梯度法可以降低反演的迭代次数,提高反演的收敛速度;基于数据空间和改进的共轭梯度法相结合的算法可以避免存储灵敏度矩阵,更加有效地提高计算效率和降低内存消耗量;相比于单独反演,基于交叉梯度约束的联合反演可以获得结构一致性更高的模型结果。实例结果表明,本文提出的算法不仅可以恢复出结构一致性更高的模型,而且可以在普通计算机下快速获得地下模型,表现出较强的稳定性和适用性,基于数据空间和改进的共轭梯度法的三维联合反演算法将会是今后大数据联合反演发展的重要技术手段。