全波形反演(FWI)是近年来发展起来的一种较为热门的地震成像技术。相比于常规的地震反演方法,该方法可以利用到更多的地震波场数据,具有更高的反演精度。虽然近年来该方法得到了长足的发展,但是由于三维弹性全波形反演过高的时间成本,目前对该方法的研究仍然多集中于二维以及声波领域。而实际的地质情况是三维的,所以二维反演方法可能会存在一些问题。例如:在不知道地质构造走向的情况下,二维反演可能会得到错误的反演结果。随着人们对油气勘探以及工程勘探的精度要求越来越高,二维正反演方法已经越来越难以满足实际的勘探需求。因此,需要将全波形反演方法扩展到三维。并行化算法是将弹性全波形反演方法从二维扩展到三维的一个有效方法,它可以极大的提高程序的计算效率。三维弹性波正演是反演的基础,因此要研究并行化的三维弹性波全波形反演方法必须从研究并行化的三维弹性波正演模拟开始。本文首先对基于MPI并行化的三维弹性波数值模拟方法进行了研究。文章从弹性波动方程出发,对高阶交错网格有效差分法的实现过程进行了研究,之后在数值频散、稳定性条件、震源加载和边界条件等方面做了具体的对比分析。最后,通过对整个模型区域进行域分解,基于MPI实现了并行化的三维弹性波数值模拟。本文还通过一个均匀半空间模型和双层模型对该方法在面波模拟方面的效果作了验证。接着通过一个三层模型和倾斜断层模型对该方法的可行性和有效性作了进一步验证。在并行化正演模拟的基础上,本文对并行化的基于共轭梯度法的弹性波三维全波形反演方法做了研究,并通过时频域混合反演方法进一步提高了三维反演的效率。时频域混合反演方法即在时间域中进行正演而在频率域中进行反演。该方法既可以利用时间域正演效率更高的优点,又可以利用频率域反演多尺度的优势,保证了反演过程的高效性和稳定性。最后,文中通过对小尺度异常体模型,双层模型和倾斜断层模型的反演结果进行分析研究,证明了该反演方法的有效性和可行性。