A inversão sísmica é uma etapa essencial na modelagem e caracterização de reservatórios que permite a estimativa de propriedades da subsuperfície a partir dos dados de reflexão sísmica. os métodos convencionais usualmente possuem um alto custo computacional ou apresentam problemas relativos à não-linearidade e à forte ambiguidade do modelo de inversão sísmica. Recentemente, com a generalizaçãodo aprendizado de máquina na geofísica, novos métodos de inversão sísmica surgiram baseados nas técnicas de aprendizado profundo. Entretanto, a aplicação prática desses métodos é limitada devido a ausência de uma abordagem probabilística capaz de lidar com as incertezas inerentes ao problema da inversão sísmica e/ou a necessidade de dados de treinamento completos e representativos. Para superar essas limitações, um novo método é proposto para inverter dados de reflexão sísmica diretamente para modelos da subsuperfície de alta resolução. O método proposto explora a capacidade das redes neurais convolucionais em extrair representações significativas e complexas de dados espacialmente estruturados, combinada à simulação estocástica geoestatística. Em abordagem auto-supervisionada, modelos físicos são incorporados no sistema de inversão com o objetivo de potencializar o uso das medições indiretas e imprecisas, mas amplamente distribuídas do método sísmico. As realizações geradas com simulação geoestatística fornecem informações adicionais com maior resolução espacial do que a originalmente encontrada nos dados sísmicos. Quando utilizadas como entrada do sistema de inversão, elas permitem a geração de múltiplos modelos alternativos da subsuperfície. Em resumo, o método proposto é capaz de: (1) quantificar as incertezas das previsões, (2) modelar a relação complexa e não-linear entre os dados observados e o modelo da subsuperfície, (3) estender a largura de banda sísmica nas extremidades baixa e alta do espectro de parâmetros de frequência, e (4) diminuir a necessidade de dados de treinamento anotados. A metodologia proposta é inicialmente descrita no domínio acústico para inverter modelos de impedância acústica a partir de dados sísmicos pós-empilhados. Em seguida, a metodologia é generalizada para o domínio elástico para inverter a partir de dados sísmicos pré-empilhados modelos de velocidade da onda P, da velocidade da onda S e de densidade. Em seguida, a metodologia proposta é estendida para a inversão sísmica petrofísica em um fluxo de trabalho simultâneo. O método foi validado em um caso sintético e aplicado com sucesso a um caso tridimensional de um reservatório brasileiro real. Os modelos invertidos são comparados àqueles obtidos a partir de uma inversão sísmica geoestatística iterativa. A metodologia proposta permite obter modelos similares, mas tem a vantagem de gerar soluções alternativas em maior número, permitindo explorar de forma mais efetiva o espaço de parâmetros do modelo quando comparada à inversão sísmica geoestatística iterativa.