南北地震带三维精细速度模型与快速地震定位方法研究

We aim at constructing three-dimensional (3-D) high-resolution subsurface structures of the South-North Seismic zone in China and thereafter precisely locating earthquakes based on the 3-D velocity models. For the purposes of accurately constructing 3-D velocity structures of the crust and upper-mantle at different scales and precisely locating earthquakes in the research area, we will develop multi-scale seismic tomography method and high-precision earthquake location technique. Numerical methods solving the eikonal equations in Cartesian coordinates and spherical domain will be firstly developed to precisely determine the travelling paths of seismic waves in complex media. Using the newly developed tomographic method and taking advantage of the abundant seismic data in the study area, we will build 3-D high-resolution velocity models of the investigated area. Furthermore, on the base of the Wasserstein metric distance, we will develop a new waveform inversion earthquake location method. An accurate and efficient earthquake location software applicable to 3-D velocity models will be developed by the end of this project. This project will reveal more details of the Earth’s interior and dynamic process and shed new lights onto the mitigation of geological hazards in this region.

本项目将深入研究地球深部三维速度结构成像方法及震源定位技术，发展高分辨率多尺度地震层析成像和基于三维速度模型的高精度、快速震源定位新方法，并实现中国南北地震带地壳和上地幔三维速度结构的反演成像及地震震源定位。不同坐标系下的高精度程函方程数值求解算法将为区域地震层析成像和远震层析成像提供精确的理论走时及射线传播路径，进而为精确、快速地震定位提供重要基础。通过发展成像和定位新方法以及利用丰富的地震数据资料，本项目将建立南北地震带地壳与上地幔三维精细速度模型，研究开发一套基于三维速度模型的快速、高精度的地震定位新系统，并进一步寻求基于W2度量理论的波形反演地震定位新突破。该项目的完成，有望获得南北地震带地壳与上地幔三维精细速度结构模型和一套实用的快速高精准震源定位系统，为研究地球深部精细结构和动力学机制提供新的地震学证据，为地震灾害预警和速报提供新技术。

项目紧密围绕南北地震带三维精细速度模型建立与快速地震定位方法研究而开展。研究了迎风差分格式数值求解三维非均匀介质中的程函方程和地震波传播方程，以程函方程和地震波传播方程数值求解方法为基础，发展了适用于强烈非均匀介质地震走时成像和地震定位软件，并将本项目发展的地震成像正反演方法和地震定位软件应用于南北地震带实际数据成像和地震重定位。通过这些内容的研究，取得了一系列重要研究成果，主要包括：（1）通过远震走时成像，得到了南北地震带壳幔P波速度和径向各向异性模型；（2）采用基于波动方程的伴随成像方法获得了南北地震带速度结构和径向各向异性模型；（3）利用区域地震走时层析成像得到了南北地震带关键构造区域的速度结构和方位各向异性模型；（4）采用基于程函方程的走时反演噪声频散数据得到了滇西地壳-上地幔顶部S波速度结构；（5）发展了基于程函方程的地震定位新方法，并挑选高质量走时数据对南北地震带关键构造区域的地震进行了重定位；（6）首次提出了基于辅助函数和Wasserstein度量的波形定位方法，极大地提升了地震定位精度。这些成果大都以论文形式在国内外学术刊物上发表或已提交相关学术刊物，目前已发表SCI论文共34篇；专利5个（已获授权3个），软件著作权2项。这些成果的获得，有力推进了地震学，尤其是地震波形成像、地震精定位方法与技术的新发展，并有望广泛应用于其它地区地壳-上地幔结构的高分辨率成像以及地震精定位研究，对于深入认识地震发生的构造背景以及地震孕育和发展过程的深部构造环境具有重要科学和现实意义。