重力勘探所观测、研究的是天然地球重力场,由于从地表附近直至地球深部都存在不均匀的物性密度分布,重力勘探具有相对较为经济和勘探深度大的优点。重力梯度测量方法观测地球重力位的二阶导数,相对重力测量能够提供更精细的局部信息,近年来随着现代科技水平、材料科学和测试技术的发展获得了广泛应用,目前已有多个重力梯度测量系统投入商业应用,在区域地质调查、陆地和近海石油天然气勘探中发挥了重要作用。处理和解释方法是整个全张量重力梯度探测任务的关键。实测数据包含多种干扰场,且异常数据是测量区域地下密度不均匀分布的叠加异常,因此数据处理的目的是去除各项干扰,然后从叠加异常中提取或增强地质目标产生的异常响应。数据解释技术实现了从数据到模型的反向计算,基于异常数据发展解释方法估计或反演场源的几何参数及物性参数。本文从地质模型正演出发,对不同模型计算的全张量重力梯度数据进行分析,结合噪声的分布特征,提出去噪、增强目标体信号的新方法,并对处理后数据进行目标异常分析,在数据本身反映出的地质目标特征基础上,采用快速成像和三维反演计算目标体的几何参数和物性分布,针对现有方法的缺点,从算法和约束条件上作出改进,提升解释结果的可靠性。首先,本文从正演计算和实际测量角度阐述了重力梯度数据的特点及相对重力数据的优势,并对测量噪声进行简要分析,为论文开展研究提供了基础和依据。分析结果表明,全张量重力梯度数据的五个独立分量中,不同分量反映地下密度不同方向的分布特征,由于求导等效为高通滤波器,梯度异常相对重力异常包含更多短波长信息,水平分辨率更高,但更容易受高频噪声影响。另一方面,随着深度的增加,梯度异常比重力异常具有更大的衰减速率,对长波长地质体信息反映不足,因此梯度测量很难应用到深部和区域构造的解释中。数据分析结果显示,重力梯度测量对埋深浅、中小尺度地质目标具有较好的目标发现率。在上述分析的基础上,重力梯度数据的信号增强处理中存在的挑战主要是细节信息和高频噪声混杂不易区分,小尺度地质目标引起的弱信号易湮没在背景和噪声中。针对梯度数据处理中存在的问题,将三种在地球物理数据处理中常用的滤波器用于重力梯度数据滤波处理。根据均方误差和异常形态恢复两种滤波效果评估方法的结果,高斯滤波作为一种空间平滑技术对高斯噪声具有很好的压制效果。基于此,在随后的研究中,将高斯滤波和本文提出的新滤波方法进行对比。小波在地球物理数据滤波中较为常用,但常规滤波方案存在几点问题,本文对这些问题可能造成的结果进行了分析,并在应用中针对这些问题,提出采用平移不变量小波对含噪声数据进行分解,用自适应阈值在每个分解层上根据噪声水平估计进行信噪分离,最后根据常用软阈值和硬阈值的特点及存在的缺陷,构建新的混合阈值处理小波系数。上述改进压制了伪吉布斯现象,保留了更多的信号细节,避免了滤波结果出现过平滑,得到了比高斯滤波更好的效果。本文基于异常局部特征提出两种特征增强方法。针对直接向下延拓不稳定、下延深度小的缺点,本文在下延公式中加入正则化项,有效提高了计算的稳定性,抵消了噪声的放大效应。此外,对重力梯度数据反映出的线性地质构造,采用方向滤波的方法进行特征增强,在计算公式中加入高斯滤波,有效地降低了噪声干扰,获得了更清晰、更连续、分辨率更高的构造走向特征。快速成像方法在位场数据处理中应用广泛,具有对噪声不敏感、计算速度快、占用内存小的优势,能够根据测量数据进行实时成像。本文对偏移成像和广义线性反演成像展开研究,针对现有应用中存在的趋肤效应明显、深度分辨率不足的问题,提出深度加权函数约束的成像方法,将DEXP成像中采用的基于构造指数的加权函数和反演中常用的加权函数加入到成像公式中。并分析两种加权函数的作用机制,通过增加关于场源埋深的先验信息对反演中的加权函数进行改进,从而提高了深度方向分辨率。但偏移成像方法在张量数据处理时,仅对T_xx、T_yy和T_zz分量具有较好的处理效果。广义线性反演成像公式不含分辨率矩阵,相比偏移成像方法可更简单地完成计算。此外,模型试验证明,改进的深度加权函数约束的广义线性反演成像对六个张量分量都有较好的成像效果,有效地展现出各分量所蕴含的关于场源的空间分布信息,可为反演和解释提供更多的约束信息,进而改善反演的多解性问题。三维密度反演可实现基于全张量重力梯度数据的目标体物性参数的定量解释,获取场源的空间位置和剩余密度分布,但存在多解性严重的问题。本文从减少多解性出发,首先针对具有陡峭边界的目标体采用聚焦反演方法得到比光滑约束反演结果收敛效果更好的剩余密度分布。其次将已有或计算得到的场源水平和深度方向上的分布范围信息作为几何约束条件、场源剩余密度范围作为物性约束条件加入到反演中。模型试验表明反演结果的水平和深度方向分辨率明显提升,实测数据应用得到了场源分布聚焦、边缘位置清晰、剩余密度合理的反演结果。上述反演方法合理利用现有资料,充分挖掘数据中所蕴藏的信息,对反演过程施加约束,有效提高了反演精度,为地球物理建模和地质解释提供了可靠依据。