西太平洋三维地震波速结构的高分辨率全波形反演模型构建及其地球动力学意义

《Geophysical Journal International》：Seismic Structure Beneath Western Pacific and Adjacent Regions from Seismic Full-Waveform Inversion

本研究针对西太平洋复杂构造域缺乏高分辨率连续三维地震速度模型的难题，通过优化SPECFEM3D_GLOBE软件在新一代神威超级计算机上的性能，利用1228个地震事件在3687个台站记录的三分量波形数据，开展了40-100秒、17-40秒和10-60秒三个频带的全波形反演，成功构建了覆盖西太平洋主要构造单元的高分辨率径向各向异性速度模型FWP24。该模型显著提升了太平洋板块俯冲板片形态的成像精度，揭示了菲律宾海板块、卡罗琳海板块和翁通-爪哇高原周边海域更细致的地幔结构，为研究板块俯冲动力学和地幔演化过程提供了重要约束。

　　

西太平洋地区作为全球最复杂的地球动力学实验室之一，汇聚了欧亚板块、太平洋板块、菲律宾海板块和澳大利亚板块等多个板块的相互作用。这里发育着全球最典型的俯冲系统，包括千岛-日本海沟、伊豆-小笠原-马里亚纳海沟和汤加-克马德克海沟等，为研究板块俯冲动力学提供了天然实验场。然而，由于计算能力和台站分布的限制，以往的地震层析成像研究多局限于特定区域，导致西太平洋整体构造特征被割裂，不同分辨率模型间的数据整合困难，制约了对大尺度地幔动力学过程的深入理解。

针对这一挑战，中国海洋大学的研究团队在《Geophysical Journal International》上发表了最新研究成果。他们通过优化全球谱元法模拟软件SPECFEM3D_GLOBE在新一代神威超级计算机上的运行效率，实现了对西太平洋构造域的高分辨率全波形反演（Full Waveform Inversion, FWI）。研究团队以全球伴随层析模型GLAD-M25为初始模型，系统处理了1994-2023年间1228个地震事件在3687个台站记录的三分量地震图，通过三个频带（40-100秒、17-40秒和10-60秒）的36次迭代反演，最终构建了名为FWP24的径向各向异性地震波速模型。

关键技术方法包括：（1）优化SPECFEM3D_GLOBE软件在SW26010pro众核处理器上的并行计算性能，实现12.8倍加速；（2）采用动态小批量优化和地理加权策略解决地震事件和台站分布不均问题；（3）使用归一化相关系数作为体波失配函数，多锥频率相关走时作为面波失配函数；（4）通过点扩散函数（PSF）和异常恢复测试评估模型分辨率。

模型优化与验证

研究团队对SPECFEM3D_GLOBE中的八个计算密集型函数进行了众核优化，采用双缓冲和细粒度任务分组策略，使计算速度提升3.8-30.5倍。通过对比优化前后合成地震图（图4c）验证了模拟结果的准确性和一致性。射线路径覆盖分析（图3）显示，中国大陆地震台网贡献了主要射线密度，菲律宾海板块、卡罗琳海板块和翁通-爪哇高原周边海域射线覆盖尤为密集，保证了这些区域反演结果的可靠性。

反演策略与模型评估

研究采用三阶段多频带反演策略：第一阶段（40-100秒）进行16次迭代，面波失配降低超过60%；第二阶段（17-40秒）进行8次迭代，体波失配降低约30%；第三阶段（10-60秒）进行12次迭代，体波失配进一步降低35%。相位测量统计（图9）显示，FWP24模型在所有频带均表现出更好的相位拟合性能，相位差分布更集中于零值附近。波形拟合对比（图10-12）表明，FWP24在射线密集区域显著改善了对实际观测波形的拟合效果。

分辨率测试结果

点扩散函数（PSF）测试（图14）显示，在射线覆盖密集区域，模型扰动恢复更加准确。异常恢复测试（图15）进一步证实，在500公里深度引入的±1%高斯速度扰动，在中央反演区域能够被有效恢复（恢复参数R≈1），而太平洋洋盆下方等边缘区域恢复效果较弱，客观反映了模型在不同区域的分辨能力差异。

三维速度结构特征

FWP24模型的水平切片（图17-18）清晰揭示了西太平洋地区三维速度结构的空间变化。在75公里浅部深度，低速度异常平行于海沟分布在弧后区域，与高度水化、部分熔融的弧后地幔楔特征一致。随着深度增加，俯冲的高速度大洋板片形态逐渐清晰，特别是在地幔转换带（MTZ）内显示出复杂的板片结构。

主要俯冲系统对比分析

通过七个垂直剖面（图19-22）的系统对比，FWP24模型相比GLAD-M25、REVEAL和MITP08等现有模型，在多个关键构造区域显示出显著优势。在桑吉赫-哈马黑拉俯冲带，模型清晰揭示了由摩鹿加海板块双向俯冲形成的倒U形构造（图20b-b'）。在马里亚纳海沟，FWP24刻画了近90°的高角度俯冲板片，延伸至地幔转换带并进入下地幔，板片呈现独特的滴状形态，与地幔动力学数值模拟结果相互印证。

在汤加-克马德克俯冲带（图21c-c', d-d'），FWP24揭示了从北向南俯冲角度的显著变化：南部太平洋板块以较浅角度俯冲入地幔，而更南部位俯冲角度变陡，暗示其间可能存在板片撕裂构造。在菲律宾海板块下方地幔转换带内，模型识别出多个高速异常体，可能与东亚海俯冲消亡后的滞留板片有关（图20a-a'）。日本俯冲带下方（图21e-e'），太平洋板块以较低角度俯冲并滞留于660公里间断面上方，板片形态更加清晰锐利。

模型的地球动力学意义

FWP24模型对理解西太平洋构造演化具有重要价值。华北克拉通下方太平洋板片呈现明显的分段特征，为研究克拉通破坏机制提供了新的地震学约束。菲律宾海板块下方地幔转换带内广泛分布的高速异常，可能记录了东亚海俯冲消亡后的古板片残留，为板块重建研究提供了重要证据。汤加-克马德克俯冲带的南北差异则暗示了太平洋板块内部的复杂变形过程。

研究结论表明，通过新一代神威超级计算机实现的大规模全波形反演，显著提升了西太平洋地区地震速度结构的成像分辨率。FWP24模型不仅清晰揭示了主要俯冲系统的三维几何形态，还识别出许多先前模型未能分辨的细微结构特征，为深入研究板块俯冲动力学、地幔对流和区域构造演化提供了宝贵的数据支撑。该研究展示了超级计算在地球深部结构探测中的强大潜力，为未来全球尺度高分辨率地震成像奠定了基础。