随着地震勘探目标日益复杂化和勘探要求日益精细化，地震勘探的数据量和计算量在不断增加，这使得人们对高性能计算提出了更高的要求。全波形反演方法能够利用完整的波场信息，因此具有精确刻画模型细节的潜力，这将是未来地震勘探的发展趋势。然而，由于全波形反演和波形正演数值模拟庞大的存储量和计算量限制，该方目前还无法在实际地震资料中得到广泛应用。因此，发展高性能计算在地震勘探全波形反演中的应用是十分必要的，一旦克服了运算方面的困难，全波形反演将会得到令人满意的结果。由于在频率域进行波形数值模拟时不同频率计算具有独立性，并且便于实施由低频至高频的多尺度波形反演策略。因此本文采用了二维频率域全波形正、反演理论基础，在前人的基础上推导了各向同性介质中频率域二维声波波动方程差分格式，推导了梯度法反演的雅克比矩阵、梯度方向和近似海赛尔矩阵的计算公式等。从上述理论中可以看出，庞大系数矩阵的存储限制和巨大规模的带状系数矩阵的求解问题是制约频率域波形数值模拟和波形反演方法广泛应用的瓶颈。鉴于上述问题，本文采用了坐标格式来存储大型的稀疏的带状系数矩阵，并调用经过GPU技术加速的迭代解法函数库来求解线性方程组，同时将MPI技术应用到频率域波形正演的各频率独立计算和频率域波形反演的多右端并行求解中，实现了频率域波形正、反演并行算法。最后通过几个理论模型的频率域波形正、反演算例验证了该并行算法的有效性以及计算效率。