针对海上崎岖海底、复杂地下构造精确成像所面临的挑战,为了提高海上地震勘探作业的采集质量和采集效率,设立了南海深水区地震采集新技术研究的项目,建立符合南海深水区崎岖海底、复杂地下构造等地质特征的三维地震地质模型,研究符合靶区地质构造特点的海上拖缆全方位地震采集观测系统,设计和优选采集参数,以提高海底和复杂目标的成像质量,从而为野外海上地震采集提供理论指导和参考。近几年,人们为了得到更准确的储层成像,对于浅海地区的海底电缆(OBC)多波多分量地震勘探也越来越重视。常规的海底电缆观测系统分为"Patch"和"Swatch",电缆和炮点的布设均为平行线形,根据海上拖缆全方位地震采集观测系统的设计思想,本文将全方位地震采集的设计理念引入到海底电缆的采集设计中,研究基于环绕形的炮点分布和平行线形的电缆分布的OBC全方位地震采集观测系统设计,分析OBC全方位采集的关键技术,指导野外的地震资料采集。本文围绕海上全方位地震采集观测系统设计的基本流程,主要开展了以下几个方面的研究：1)对国内外地震地质建模研究现状和发展趋势进行了调研,分析了研究工区概况,建立了靶区三维地震地质模型,提出了针对研究工区的模型建立的具体研究思路和方法；2)对海上全方位观测系统的采集参数进行了论证和优选,采集参数是观测系统设计的具体体现,研究采集方向、分辨率、面元大小和偏移距等参数的最优选择；3)研究了海上拖缆全方位地震采集观测系统的设计,针对不同的勘探目标设计不同航行路径的全方位采集观测系统,研究了观测系统的设计原则、设计目的和设计方法；4)研究满足奈奎斯特条件下的海上拖缆全方位随机采样理论,从激发效率的角度评价全方位地震采集观测系统；5)使用射线法和单程波波动方程照明法评价、优化采集观测系统,射线法主要用于评价目标的照明量、覆盖次数、方位角的均匀性等,波动方程法主要用于炮集记录的计算,进而从反射能量的角度评价观测系统；6)研究了海上OBC全方位地震采集观测系统的设计方法,并对OBC三分量采集中的两个关键技术进行了分析。结合上述研究内容,通过对海上拖缆和OBC全方位采集观测系统的研究和分析,本论文形成了以下主要研究成果：1)海上全方位地震采集观测系统的设计研究结果表明,海上全方位地震采集观测系统的路径设计主要分为三种：圆形路径、螺旋形路径和特殊路径,其中特殊路径采集观测系统又分为“大丽花”形采集路径和“大风车”形采集路径。2)目前海上拖缆地震采集炮间距大于奈奎斯特采样间隔,资料的频谱存在不同程度的混叠,要提高资料分辨率,需要减小炮间距来增加空间采样率。在海上拖缆地震采集炮间距无法满足奈奎斯特采样定理的情况下,炮点随机分布得到随机采样的地震数据可以降低地震资料的混叠效应。海上拖缆常规采集是几何平行的(激发和接收点分布沿平行线),实现几何平行的随机采样是不自然的,使用环绕型采集能够很好的实现随机采样。环绕型观测系统采集使用圆形几何拖缆来采集数据,圆形几何路径的中心点可以被设计成规则的或是随机的,规则中心点采集的炮点分布是不规则的(伪随机),随机中心点采集的炮点分布是随机的,两种中心点采集的地震数据都可以降低混叠效应,相比之下随机中心点采集的数据抗混叠效果更好。3)海上拖缆全方位地震采集观测系统的评价结果表明,在观测系统的均匀性方面,海上拖缆全方位地震采集观测系统明显优于常规平行观测系统。由于崎岖海底的影响,导致不同采集观测系统在海底和目标层上反射点分布不均匀,影响成像效果。靶区给定常规地震采集观测系统的照明分析结果表明,常规采集观测系统在复杂构造尤其是凹陷部位,照明效果不理想,简单构造与复杂构造之间的照明能量差较大,照明能量均匀性较差。靶区给定全方位地震采集观测系统的照明分析结果表明,全方位观测系统在简单构造和复杂构造之间的照明能量差较小,照明能量分布均匀。特殊路径采集观测系统可以实现对特定目标的定向采集。4)海上OBC全方位地震采集关键技术的研究结果表明,海底电缆3D3C地震勘探所采集到的资料存在着倾角误差,造成地震数据的X、Y和Z分量的混叠,严重影响了后期的处理成像效果,需要对其进行水平面矫正,以消除沉放所带来的误差,提高成像质量。如果在三分量的X分量和Y分量某道的直达波时间段给定一个时间窗,则X分量和Y分量对应采样点数据满足线性关系。在不考虑方位角自身因素影响的条件下,方位角的误差随着信噪比的增加而减小。在实际资料信噪比已知的情况下,可以求出方位角的角度误差范围。在信噪比较低时,接近坐标轴方向计算出的方位角角度误差最小,随着信噪比由低变高,最小角度误差的区域由接近坐标轴的方向向各象限45度角度方向分散。本论文的创新点主要体现在：1)首次从理论分析的角度给出了海上全方位地震采集观测系统的采集路径公式；2)应用射线照明和单程波波动方程照明技术评价全方位采集观测系统；3)将随机采样理论应用到海上环绕形(圆形、螺旋形等)全方位地震采集观测系统的设计中,分析了环绕形地震采集的抗假频特性；4)研究了海上OBC全方位地震采集中的两个关键技术。