一、模型研究的目的、必要性和需求分析

　　目的：建立中国地震科学实验场三维速度模型CSES_VM1.0，为认识强震孕育环境和深部动力学过程，开展高精度地震定位等提供重要基础。

　　必要性：中国地震科学实验场自2018年宣布建立以来，一直受到各界的高度重视。地震科学实验场高分辨率壳幔三维速度模型是认识强震孕育环境、深部介质变形和动力学过程，开展高精度地震定位等的重要基础。受以往观测资料和成像方法等限制，现有模型在分辨率和可靠性方面有待进一步提高。

　　需求分析：尽管在地震科学实验场区域已开展了大量的地壳和上地幔速度结构研究，但基于面波等观测资料开展的S波速度研究较多，P波速度研究相对较少。受观测资料和研究方法等的限制，不同研究人员基于走时层析成像或联合层析成像获得的P波和S波速度模型存在较大差异，部分结果在一些区域与人工地震探测结果或地质构造特征明显不一致。研究区深部介质横向变化剧烈，观测台站和地震空间分布极不均匀，初始模型等的选取可能对反演结果产生较大的影响。建立更接近真实模型的三维初始模型，使用更丰富的流动和固定地震台站的近震走时资料，通过走时层析成像有望获得分辨率更高、更可靠的三维P波和S波速度模型。

　　二、模型预期指标和技术路线

　　预期指标：建立总体横向分辨率为0.25°的中国地震科学实验场三维速度模型（CSES_VM1.0）。

　　技术路线：使用接收函数与面波联合反演获取三维S波速度模型，通过平滑处理构建更接近真实模型的三维初始速度模型。利用实验场周边地区流动地震台站和固定地震台站观测的近震到时资料，采用双差层析成像方法，构建总体横向分辨率达到0.25°的中国地震科学实验场三维P波和S波速度模型，并与前人的研究成果进行对比验证。

　　三、模型数据来源和质量分析

　　主要数据来源：

　　（1）川西台阵、小江断裂带台阵、中国地震科学台阵探测-南北地震带南段台阵、西昌台阵、巧家台阵等流动台站的远震波形观测数据和近震走时数据；

　　（2）中国区域地震台网固定台站的远震波形观测数据和近震走时数据。

　　图1 地震台站与震中分布图

　　（a）模型构建涉及的地震观测台站位置分布图。三角形为地震台站，灰色实线为活动断层。（b）走时层析成像使用的近震震中（黑点）位置。（c）接收函数涉及的远震震中（红色实心圆）分布。三角形所在位置代表研究区中心点，由外及内的3个圆形分别代表震中距为90°、60°和30°的位置。（d）为近震资料的时距分布图。蓝色圆点代表P波，红色圆点代表S波。

　　四、研制关键技术方法

　　采用基于程函方程的层析成像方法获取面波频散资料。该方法通过重建面波不同周期的空间走时场，应用程函方程计算各周期走时面的空间梯度，从而得到对应周期空间慢度场的分布，避免了面波偏离大圆路径时对成像结果的影响，在台间距比较密集的区域可以获得与台站间距相当的分辨率和很好的成像效果。

　　利用远震P波波形资料，采用时间域反褶积方法获取台站下方附近的接收函数。采用接收函数和面波频散资料联合反演获取研究区的三维速度模型，并通过适当的平滑构建三维S波初始速度结构，三维P波初始速度模型由S波速度模型乘以1.732获得。

　　采用更接近真实模型的三维初始速度模型和近震到时资料，使用双差层析成像方法（Zhanget al.,2003，2006）反演获得研究区的三维速度模型，并采用检测板测试方法对模型的分辨率进行了测试。检测板测试结果表明，实验成地区主体区域的横向分辨率优于0.25°。

　　五、完成情况与成果

　　（1）获得了中国地震科学实验场横向分辨率为0.25°的P波和S波三维速度模型。图2至图5给出了速度模型不同方式的图示。

　　图2 不同深度的P波速度分布图。灰实线为活动断层。

　　图3 不同深度的S波速度分布图。

　　图4 P波和S波速度三维示意图。左图为P波速度，右图为S波速度。

　　图5 三维P波和S波速度剖面图。左图为P波速度，右图为S波速度。

　　（2）文章成果：吴建平,蔡妍,王薇等. 中国地震科学实验场三维速度模型及其构造意义. 中国科学,即将投稿.

　　六、验证（测试）与精度评价

　　（1）模型分辨率测试

　　为了确定这一地区走时层析成像的分辨能力，采用多种不同的网格对P波和S波速度反演的分辨率进行了测试，结果表明，大多数地区的P波和S波速度结构的横向分辨能力可以达到0.25°×0.25°，在25km之下，S波速度的分辨率能力低于P波速度。图6给出了0km、5km、10km、15km、25km、40km、60km和80km的检测板测试结果。

　　图6 不同深度的S波速度检测板测试结果图。灰色线条为活动断层，红色为正值，蓝色为负值。右下角的图为理论观测值计算时采用的地震和台站分布。

　　（2）人工地震测深剖面初至波走时数据检验

　　人工爆破由于爆破地点和起爆时间精确已知，其观测获得的高精度震相走时观测数据可用于速度模型的可靠性检验。2011年12月至2012年1月，中国地震局地球物理勘探中心在滇南沿镇康—泸西布设了一条近东西向的深地震宽角反射／折射探测剖面，剖面长约600km，沿线共布设11个炮点和400余台地震仪进行爆破和接收。同期，中国地震局地球物理研究所在云南南部地区开展了人工爆破探测，布设了5个炮点。2013年9至11月，中国地震局地球物理勘探中心横跨芦山震源区布设了一条长约410km的人工地震高分辨宽角反射／折射探测剖面，沿剖面设置8个炮点，设了268台地震仪。本文利用镇康—泸西剖面11个炮点、云南南部9个炮点和芦山地震剖面8个炮点的观测资料，通过人工拾取P波初至震相，共获得2300余个清晰可靠的走时数据。炮点位置和观测台站如图7所示。我们采用本文获得的CSES-VM1.0速度模型、SWChina_CVM2.0模型、USTClitho2.0模型和Shen等（2016）给出的P波速度模型通过正演计算，对观测走时与理论走时进行了对比。其中Shen等（2016）的P波速度模型根据与S波的经验关系（Brocher ，2005）获得。图8给出了初至P波观测走时与不同模型的理论走时的残差分布图。上述四个速度模型的走时残差平均值分别为-0.03s，-0.18s，-0.36s和-0.07s，走时残差的均方根值分别为0.33s，0.47s，0.49s和0.48s。CSES-VM1.0速度模型的走时差的平均值和均方差均低于其它模型，表明在该地区CSES-VM1.0的P波速度模型在这些区域优于其它模型。由于人工爆破难以激发清晰的S波，没有对S波速度模型进行检验。

　　图7 用于模型检验的人工爆破位置（红色星号）和地震

观测台站（黑点）分布图。

　　图8 不同速度模型的理论走时与人工爆破观测数据的比较。

　　七、模型使用说明

　　中国地震科学实验场速度模型文件名为CSES_VM1.0.txt，文件采用文本存储方式，格式为：

　　nlat，nlon，ndep（纬度方向格点数，经度方向格点数，深度方向格点数）

　　alat：1~nlat（纬度格点坐标）

　　alon：1~nlon（经度格点坐标）

　　adep：1~ndep（深度格点坐标）

　　之后为P波速度模型数据：Vp(1:nlat,1:nlon,1:ndep)，按以下方式存储：

　　最外层循环：1~nlat

　　第二层循环：1~nlon

　　第三层循环：1~ndep

　　之后为S波速度模型数据：Vs(1:nlat,1:nlon,1:ndep)，按以下方式存储：

　　最外层循环：1~nlat

　　第二层循环：1~nlon

　　第三层循环：1~ndep

CSES_VM1.0.txt