利用大量地核反射震相約束東亞下方尖銳內(nèi)核邊界 |章浩東/崔天宇等-JGR

地球固態(tài)內(nèi)核與液態(tài)外核的邊界（內(nèi)核邊界）是地球內(nèi)部的一階間斷面，該邊界性質(zhì)對理解地球內(nèi)核增長、外核對流和地磁場驅(qū)動力具有重要科學意義。現(xiàn)代地震學已經(jīng)揭示內(nèi)核邊界并非完全橫向均勻，存在局部小尺度地形起伏和糊狀層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，由于地震觀測數(shù)據(jù)的限制，前人對于東亞下方的內(nèi)核邊界研究仍聚焦于零星分散的局部區(qū)域，缺乏對東亞地區(qū)內(nèi)核邊界結(jié)構(gòu)整體的認識。

中國科學院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室博士畢業(yè)生章浩東與博士生崔天宇、導師艾印雙研究員利用中國數(shù)字地震臺網(wǎng)2009-2018年期間記錄的1014個寬頻帶地震臺站數(shù)據(jù)，拾取到4272條具有清晰地球內(nèi)外核反射震相對（PcP和PKiKP）波形記錄（圖1），分析了地核反射震相的走時殘差分布和波形相似性，獲得了東亞地區(qū)下方內(nèi)核邊界精細結(jié)構(gòu)的新認識。

圖1?地震數(shù)據(jù)。（a）地核反射震相的射線路徑（震源用黑色五角星表示，深度為100 km）。內(nèi)核邊界反射震相PKiKP和外核邊界反射震相PcP的射線路徑分別用紅色和藍色表示；（b）地震與臺站分布圖。圖中分別標注出地震（紅色五角星）、臺站（黑色三角形）和PKiKP震相的大圓路徑（橙色實線）；（c）按震中距排列的事件3垂直分量波形圖。該地震圖顯示出318個臺站記錄到的包括P、S、PcP、ScP和PKiKP（紅色虛線標示）多個清晰震相信號

波形對比和正演模擬計算表明，東亞下方地核反射震相的波形高度相似，暗示該區(qū)域內(nèi)核邊界的厚度不超過2千米（圖2）。此外，經(jīng)過地球曲率和地幔不均勻速度結(jié)構(gòu)校正后，地核反射震相的走時殘差相較于一維PREM模型的均值為-0.25秒，表明東亞下方的外核厚度與PREM模型的預(yù)測值基本一致。這些結(jié)果指示著東亞下方的地球內(nèi)核邊界整體上是尖銳的，即物質(zhì)在外核與內(nèi)核之間是由液態(tài)迅速變化為固態(tài)，也可能存在局部地區(qū)小尺度地形起伏（圖3）。東亞下方內(nèi)核邊界的整體認識有助于增加對地球內(nèi)核的生長模式和半球差異性，以及理解外核對流模式。

圖2 PKiKP波形受不同內(nèi)核邊界參數(shù)影響。（a）存在糊狀層內(nèi)核邊界的密度剖面圖。該剖面穿過內(nèi)核邊界（紅色虛線），以兩個參數(shù)描述：表示糊狀層厚度，表示相對于PREM模型（藍色線所示）在內(nèi)核邊界處糊狀層的密度躍變值；（b） 理論PKiKP波形。通過一系列具有糊狀層的內(nèi)核邊界模型生成的合成波形（紅色波形）與尖銳內(nèi)核邊界PREM模型的波形（藍色波形）的對比，其中黑色波形表示觀測到的PKiKP波形

圖3 本研究地核反射震相觀測數(shù)據(jù)的解釋模型：外核厚度變化或核幔邊界/內(nèi)核邊界的地形起伏。紅線表示在內(nèi)核邊界（ICB）反射的PKiKP射線路徑，而藍線表示在核幔邊界（CMB）反射的PcP射線路徑；它們由地震（紅色五角星）激發(fā)并被臺站（紅色三角形）記錄

研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊JGR-Solid Earth（章浩東#，崔天宇#，艾印雙*. Using Extensive Core-Reflected Phases to Constrain Sharp Inner Core Boundary beneath East Asia [J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129(10): e2024JB028698. DOI: 10.1029/2024JB028698.）。研究受到中國科學院先導專項B類項目（XDB18000000）和國家自然科學基金項目（41125015）的共同資助。

編輯：劉強