随着勘探目标区变的更复杂，地震勘探方法必须考虑地球介质的三维非均匀影响；而为了更好发展三维地震资料处理和成像方法，必须正确认识地震波在复杂的三维地下构造的传播路径及运动学和动力学特征。只有这样准确地分析油气储集体所产生的反射地震波场特性，才能更有效地依据地震记录对储层进行识别和圈划。有限差分法可容易处理介质纵向和横向非均匀，是一种较有效的复杂介质构造的地震波模拟方法，但就现行计算机的计算速度和内存而言，尚不能应用三维有限差分法解决勘探规模的地震波模拟问题。因此必须发展新的高效的地震波模拟方法。现行的地震资料处理主要是基于分析和利用一次反射波，而多次波和表面波等其它波相均被视为噪音。因此就研究地下油气储集体的地震响应及验证地质建模而言，正确地模拟复杂介质构造的一次反射波已满足需要。本文应用波动方程的单程波算法发展了一个三维复杂构造的地震波模拟方法。这一方法可正确地模拟地震勘探中最关心的一次反射波。它最重要的应用是生成零偏移距叠加剖面；在这一计算中该方法所需的计算量比双程波方法计算一个单炮计录还要少许多倍。二维复杂构造下双程波有限差分法的单炮记录与本文单程波模拟结果的比较表明，本文建议的单程波算法有很高的精度。这一方法在程序实现上可大量地借用现行的深度偏移方法和程序系统，易于实现并行计算。除了所需计算量很小外，这一方法对速度模型不象双程波算法那样敏感，而这一点对地质模型的地震波模拟尤为重要。因为实际上我们仅能得到近似的地下速度构造，由较小的速度差异而引出的较多差异的地震响应将给判断地质建模优劣带来困难。 基于计算效率和计算精度的双重考虑，本文在介质速度结构较复杂时采用精度较高的显式短算子波场延拓方法，而在介质速度结构相对简单时采用计算效率较高的分裂步相移方法，建议了一个将结合显式短算子法与分裂步相移方法的三维单程波计算策略。文中进一步发展了显示短算子的单程波算法，提出了一个加权二次规划的显式短算子设计方法，这一算子设计方法更好地保证了显示短算子算法的稳定性，使得可用更短的算子取得较高的精度，从而使三维显式短算子单程波算法有更高的计算效率和精度。 本文算法已应用于实际地震勘探工程，完成的东部某油田地质模型的三维地震模拟为解释人员正确认识该地区的地震特征很好的帮助。