模型驱动和数据驱动是利用地震资料实现地下介质参数估计的有效途径。模型驱动是指考虑地下介质地质地球物理特征，选择合理的模型参数和边界条件建立地震波反射或散射特征方程，利用地震反演方法实现地下介质参数估计的过程。数据驱动是指基于信号理论，选择合适的数据信号变换方法，将观测数据作为地震信号实现地下介质参数估计的过程。本文深入研究了基于模型驱动的叠前地震反演方法，即以地震纵波资料为基础，结合实际地质地球物理问题，考虑地下介质的非均质性、各向异性等，研究了基于模型驱动的地震波正问题解析方法，发展了不同条件下叠前地震反演策略和方法。模型参数化和地震波反射或散射方程是基于模型驱动的叠前地震反演的基础。本文基于孔隙弹性理论，建立了孔隙流体参数与介质纵横波模量间的直接关系，推导出基于纵横波模量的地震波反射系数近似方程和弹性阻抗方程，为实现纵横波模量叠前直接反演和流体识别奠定了基础；岩石模量和泊松比是地层脆性评价的重要岩石力学参数，推导出基于杨氏模量和泊松比的地震波反射系数近似方程，为开展基于叠前反演的地层脆性评价奠定了理论基础；利用弹性波逆散射理论、波恩近似及稳相法，推导出基于孔隙流体参数的非均匀介质地震波散射系数方程，并利用该方法推导了非均质复杂介质（如非均匀各向异性介质、非均匀粘弹介质等）地震波散射系数方程。在叠前地震反演方法方面，针对非均质储层初始模型构建难等问题，本文发展了对初始模型依赖较小的平滑背景约束叠前地震AVO反演和AVA同步反演方法，实现了基于这两种方法的孔隙流体参数反演，增强了地震反演方法在非均质储层流体识别中的适用性。以弹性阻抗方程为基础，提出了基于贝叶斯理论的叠前地震EVA反演方法，克服了常规方法弹性参数提取中存在的不稳定性问题。利用非均匀介质参数地震波散射系数方程，在贝叶斯反演框架下，提出了非均匀介质参数地震波散射反演方法，该方法将非均匀介质看作均匀背景介质和扰动介质的叠加，通过先反演扰动介质参数后叠加背景介质参数的方法实现非均匀介质参数估计，并利用该方法实现了非均匀孔隙流体参数和非均匀裂缝介质参数反演，探索了其在泥页岩储层地应力评价中的应用。