王巍等-Nature：地球內(nèi)核振蕩的地震學證據(jù)

地球的固態(tài)內(nèi)核位于地球最深處，主要成分為鐵鎳合金和少量輕元素，其半徑約占地球半徑的1/5，總質(zhì)量的2%。內(nèi)核是由液態(tài)外核冷卻凝固而形成，這個過程會同時釋放熱量和輕物質(zhì)，從而推動外核的對流運動，激發(fā)和維持著地球磁場。

由于內(nèi)核藏在地球最深處，目前直接探測它的手段極其有限，結(jié)構(gòu)和運動特征研究被認為是全球地震學研究的最前沿（Tkal?i?，2015）。固態(tài)內(nèi)核被液態(tài)外核包裹，受重力約束而懸浮于地球最深處，科學家們一直猜測內(nèi)核可能存在相對于地表的“轉(zhuǎn)動”。地球動力學家最先通過三維地磁發(fā)電機模擬推測出內(nèi)核可能存在相對于地球自轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)更快的差速旋轉(zhuǎn)，即超速旋轉(zhuǎn)（super-rotation，Glatzmaier and Roberts，1995）；隨后，地震學家通過觀測幾十年來穿過地球內(nèi)核的地震波PKIKP走時的系統(tǒng)性變化，證明了內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)的存在（Song and Richards，1996）。作為地磁發(fā)電機的邊界條件和能量來源，地球內(nèi)核對于理解地磁場的形成和演化有著極其重要的意義，而內(nèi)核的運動狀態(tài)更成為了近三十年來地球物理學家們的研究焦點。

隨著地震學觀測的積累和研究方法的創(chuàng)新，地震學家對于地球內(nèi)核運動狀態(tài)的認識逐漸深入。最近，中國科學院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理重點實驗室王巍副研究員與美國南加州大學John Vidale教授、美國康奈爾大學龐冠寧博士后、猶他大學Keith Koper教授和美國南加州大學博士生王若妍等合作，對1990-2023年間在加拿大（Yellowknife Array，YKA）和美國（Eielson Array，ILAR）的地震臺陣記錄到的南三明治島（South Sandwich Island，SSI）的重復地震（圖1）記錄開展了詳細分析，揭示了近20年來內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的振蕩軌跡，明確給出了內(nèi)核振蕩運動模式的地震學證據(jù)。

圖1 （a）重復地震、臺站分布和研究中使用的地震震相在地球中的傳播路徑；（b）重復地震的位置和深度分布

重復地震是指幾乎在同一個位置發(fā)生、震級接近，同時震源機制幾乎一樣的地震。這樣的重復地震在同一臺站上的記錄幾乎完全一致（圖2）。他們通過對比發(fā)現(xiàn)，當?shù)卣鸩]有通過內(nèi)核的時候，重復地震在YKA和ILAR臺陣上的記錄幾乎完全一致；但是內(nèi)核存在差速旋轉(zhuǎn)，不同時間發(fā)生的重復地震輻射的地震波經(jīng)過內(nèi)核時的路徑會發(fā)生變化，從而會引起地震波到時和波形的變化。特別是穿過內(nèi)核的地震波PKIKP（見圖1a）的尾波，它是由內(nèi)核中分布的小尺度異常體的散射所產(chǎn)生（Wang and Vidale，2022），其波形受路徑上介質(zhì)變化的影響尤為顯著，對于內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)也更加敏感（圖2）。反之，如果地震對的PKIKP和其尾波的波形一致，則PKIKP經(jīng)過內(nèi)核的路徑幾乎一樣，進一步得知內(nèi)核處在完全相同的位置。

圖2 重復地震對的波形比對圖。圖中顯示了 PKIKP和其尾波波形隨著時間推移2003年重復地震和2009年重復地震波形不同，到2020年以后再相同的變化過程

通過分析重復地震對的PKIKP和其尾波波形相似性隨時間的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)記錄相同波形的重復地震對中，第一個地震在2003-2005年和對應的第二個地震在2015-2023之間的重復地震對之間間隔時間隨著時間推移逐漸變短（圖3和圖4c），基于此，他們推測出內(nèi)核處于振蕩狀態(tài)（圖4）。通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核大約在2008年左右相對改變旋轉(zhuǎn)方向，且兩個時間段的旋轉(zhuǎn)速率不同，即內(nèi)核在2003至2008年之間超速旋轉(zhuǎn)（super-rotate）和2008年至2023年之間的慢速旋轉(zhuǎn)（sub-rotate），同時超速旋轉(zhuǎn)速率大約為慢速旋轉(zhuǎn)的2~3倍。

圖3 重復地震波形相似性比對圖。直線連著兩個地震對，紅色代表著波形完全一致的地震對

圖4 內(nèi)核振蕩模式的概念圖和對應的波形匹配關系。圖中點A和C表示內(nèi)核在不同時間處于同一位置，對應的重復地震產(chǎn)生的通過內(nèi)核的PKIKP波形一致；B表示內(nèi)核處于反轉(zhuǎn)的時刻，因為該時刻內(nèi)核相對A和C的位置不同，重復地震產(chǎn)生的通過內(nèi)核的PKIKP波形也就不一致。其中A、B和C三個點對應圖3對應的位置

該項研究成果提供了內(nèi)核振蕩最直接的地震學證據(jù)。該研究中僅使用波形相似度作為觀測量，避免直接測量地震波到時，有效規(guī)避了學術(shù)界關于內(nèi)核旋轉(zhuǎn)模型和內(nèi)核邊界變化模型之間爭論的核心議題——重復地震定位誤差的影響，從而得到了迄今為止最準確和精細的內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的軌跡和相對速率，為研究內(nèi)核的增長、外核的對流、地磁場的發(fā)展和演化等提供了重要的地球物理約束。

研究成果于2024年6月12日在線發(fā)表于國際著名學術(shù)期刊Nature（王巍，John Vidale*，龐冠寧，Keith Koper，王若妍. Inner core backtracking by seismic waveform change reversals [J].Nature, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07536-4）。成果受中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201904，IGGCAS-202204）資助。

編輯：劉強