地震是活动断层快速运动的产物,世界上绝大多数地震发生于主要的板块边界断层内。在大陆和海洋地壳内,断层可以处于震间闭锁状态从而不断地累积应力并最终产生大地震,也可以发生持续性的蠕滑并伴随小地震,或者间断性的滑动并伴随低频震颤事件。在俯冲带区域,不同深度的俯冲板块界面可能会发生地震、幕式震颤与慢滑移、无震蠕滑等不同断层行为。理解控制这些断层行为的断层区物理状态和力学性质对于理解常规地震和慢地震的物理机制以及地震灾害评估非常重要。本论文首先发展了三种先进的地震定位和层析成像新方法用于提高地震和震颤事件的定位精度以及断层区的速度模型分辨率,然后将新方法应用到三个不同的板块边界断层区帮助我们更好地理解了断层区的物性结构变化与不同断层行为之间的关系。本论文发展了三种基于地震体波走时的地震定位和地震层析成像新算法。(1)我们发展了一种三重差定位方法,可以提高地震和震颤事件定位精度。该方法通过联合使用台站对到时差(同一地震事件到两个台站的到时差)和双对到时差(两个地震事件到两个台站的到时差)数据可以同时提高事件的绝对位置和相对位置。(2)我们将三重差定位方法进一步发展为三重差层析成像方法来联合反演事件位置和速度模型,从而可以进一步改善事件位置精度,并同时确定高精度的地震源区的深部速度结构和源区以外的浅层速度结构。(3)我们发展了Vp/Vs模型一致性约束的双差层析成像方法。该方法通过利用S-P数据以及Vp/Vs模型一致性约束可以得到更可靠更高分辨率的Vp/Vs模型。我们使用合成和实际数据验证了这三种新方法的可靠性和实用性。美国和加拿大西海岸地震危险性评估中的一个关键性问题是我们对Cascadia大型逆冲断层上未来将会发生的大地震的破裂范围缺乏直接的观测或者物理约束。测地学模型显示,该俯冲板块的界面在大约20千米深度以内处于震间闭锁状态,30-50千米深度为幕式震颤和慢滑移事件(ETS)的发生区域,在闭锁区和ETS区之间存在一个过渡带。闭锁区累积的弹性应变能将会通过大地震的形式释放,但大地震破裂能否通过下方的过渡带还不清楚。我们通过分析布设在Cascadia最南端Gorda板块上的海底地震仪和陆地上的地震仪所记录到的地震数据,利用新发展的三重差地震定位和层析成像算法,得到了俯冲板块界面附近高精度的地震位置以及地震波速比模型。结果显示,从闭锁区到过渡带,板块界面附近的波速比存在明显变化。我们推测这种变化很可能与孔隙率和流体含量的变化有关。将我们的结果与一个最新的电阻率模型相结合分析,我们认为,闭锁区和ETS区具有高孔隙率和高流体含量,而过渡带的孔隙率要低一个量级。结合断层力学模拟的结果,我们认为板块界面附近的孔隙率和流体含量随着深度的变化反映了断层流变性的变化,浅部的孕震区和深部的ETS区之间的过渡带很可能是塑性变形区,因此未来大地震的破裂可能很难穿过过渡带,从而大大降低了该地区的地震危险性。位于东太平洋海隆的Gofar转换断层,在一些特定的区域能够每5-6年准周期地发生6级左右的地震,而这些大震的破裂总是不能穿过另外一些特定区域(称为破裂边界区)。与此同时,断层上小地震的分布也有明显的时空变化。为了更好地理解该断层上的地震行为,我们利用布设了一年的海底地震仪数据和新发展的波速比模型一致性约束的双差层析成像方法,得到了沿着断层走向的高精度速度模型。结果显示,断层区内不同尺度的物性结构变化可能控制了该断层上大震的孕育和破裂传播,以及小震的分布。6级主震发生在一个8千米长的凹凸体上,该凹凸体很可能是由较为完整的岩石组成,因此具有较高的强度。在该凹凸体的两侧存在着不同尺度的破碎区,这些破碎区可能富集流体,强度较弱,但这些破碎区能否停止主震的传播可能与它们的大小有关。此外,小地震的分布与断层结构的变化也存在一些明显关系。结合前人的研究,我们认为,沿着Gofar转换断层走向强烈的物性结构变化很可能控制着断层的力学性质和地震行为。近十多年来,在美国加州圣安德列斯断层深部广泛观测到了一种低频震颤事件。研究认为这种震颤事件的产生代表了断层深部的脆性滑动,很可能与较高的孔隙流体压有关。然而,流体的来源以及断层区中流体的分布情况尚不清楚。与此同时,许多震颤事件特征沿着和垂直断层走向方向存在明显变化,但其控制机制也不清楚。我们通过三重差定位和层析成像方法联合反演Parkfield地区的地震和震颤事件的地震数据,得到了 SAF中段在整个地壳内精细的地震剪切波速度结构,并同时改善了震颤事件的位置。我们的结果显示,震颤事件源区具有超低的速度异常,表明存在高孔隙流体压。我们的结果揭露了从上地幔顶部延伸到上地壳的流体通道,这些流体很可能源于断层东北侧下方的蛇纹石化的地幔楔物质的脱水。断层区孔隙流体压的变化可能控制了中下地壳内震颤事件和低频地震的各种特征以及上地壳断层的地震耦合分段性。