中國科大在地球核幔邊界超低速區(qū)結(jié)構(gòu)的合作研究中取得重要進展

我校地球和空間科學(xué)學(xué)院和中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的科研團隊及國際同行開展合作，發(fā)展了SKKKP B焦點延伸震相探測核幔邊界超低速區(qū)的新方法，揭示了全球核幔邊界大尺度高速異常區(qū)域內(nèi)存在中小尺度超低速區(qū)，為超低速區(qū)的形成機制研究提供了關(guān)鍵信息。相關(guān)研究成果以“Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs”為題，于北京時間2024年3月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上。

作為地球內(nèi)部最重要的邊界之一，核幔邊界層連接著液態(tài)外核與固態(tài)地幔，是物性結(jié)構(gòu)與動力學(xué)過程最復(fù)雜的區(qū)域之一，對于地球磁場演化、地球自轉(zhuǎn)變化與地球參考框架等方面的研究具有重要意義。過去幾十年里，地震學(xué)觀測顯示核幔邊界上方存在多尺度的非均勻結(jié)構(gòu)，包括大型低速?。↙LVP）、中小尺度的超低速區(qū)（ULVZ）、更小尺度的散射體等。作為核幔邊界上方物理性質(zhì)最極端的異常結(jié)構(gòu)，超低速區(qū)的橫波速度下降可達50%，縱波速度下降可達25%，其厚度變化范圍從幾公里到幾十公里，橫向尺度變化范圍則在幾十公里到上千公里之間。超低速區(qū)的結(jié)構(gòu)及形成機制是地幔礦物成分與核幔物質(zhì)、能量及角動量交換等基礎(chǔ)問題研究的重要內(nèi)容。

超低速區(qū)的空間分布特征可以揭示其形成機制。已有地震學(xué)觀測結(jié)果顯示，大多數(shù)超低速區(qū)分布在大型低速省的內(nèi)部和邊緣，但核幔邊界高速異常區(qū)域是否廣泛存在超低速區(qū)仍有疑問。研究團隊聚焦于這一科學(xué)問題，發(fā)展了SKKKP B焦點延伸震相探測核幔邊界超低速區(qū)的新方法，有效地擴展了核幔邊界高速異常區(qū)域的采樣范圍。

天然地震激發(fā)的向下傳播的橫波（S波）穿過核幔邊界轉(zhuǎn)換為液態(tài)外核縱波（K波），在核幔邊界內(nèi)側(cè)發(fā)生兩次反射，然后在離開外核后以地?？v波（P波）形式傳播，最終被地表臺站記錄形成SKKKP震相（圖1a）?；跇藴实厍騾⒖寄Ｐ?，射線理論計算的SKKKP波的可觀測震中距應(yīng)小于67度（即小于B焦點的震中距）。然而，實測數(shù)據(jù)顯示，SKKKP波的可觀測震中距能夠延伸至90度。研究團隊搜集了2000年至2020年間143個震源深度大于300千米、體波震級大于6級的全球地震事件在北美洲、歐洲及中國臺陣記錄的波形數(shù)據(jù)，開展了到時、振幅、偏振、慢度、頻率等多指標特征分析，共篩選出7900余道SKKKP波的事件臺站對。通過計算系列理論合成地震圖，并與觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)核幔邊界上方的超低速區(qū)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致SKKKP B焦點延伸震相產(chǎn)生的原因。

基于上述方法，研究團隊不僅在太平洋和非洲下方的大型低速省周圍發(fā)現(xiàn)了超低速區(qū)，還在之前未被充分研究的核幔邊界高速異常區(qū)域內(nèi)探測到了超低速區(qū)，包括中美洲、亞洲中西部、阿拉斯加和格陵蘭島等區(qū)域（圖1b）。該研究結(jié)合已有地球動力學(xué)模擬結(jié)果，揭示了核幔邊界高速異常區(qū)域內(nèi)的超低速區(qū)形成機制：當俯沖板塊進入下地幔時，其頂部洋殼可以和下覆板片逐漸分離并下沉到核幔邊界，由于洋殼物質(zhì)的熔點較周圍地幔巖石更低，因此可能發(fā)生部分熔融形成超低速區(qū)（圖1c）。

基于“所系結(jié)合”政策，我校地空學(xué)院與大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室開展了長期緊密的合作，在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動力學(xué)方面取得了多項重要進展，雙方合作近年來在Science、Nature子刊、PNAS等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表的系列論文深化了對地球內(nèi)部運行機制等科學(xué)問題的認識。

圖1（a）新發(fā)現(xiàn)的SKKKP B焦點延伸震相及其相關(guān)震相的射線路徑；（b）新震相顯著拓展了在核幔邊界的采樣區(qū)域；（c）超低速區(qū)形成機制示意圖。