地球核幔邊界超低速區結構研究取得進展

中國科學技術大學地球和空間科學學院、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院以及國際同行，發展了SKKKP B焦點延伸震相探測核幔邊界超低速區的新方法，揭示了全球核幔邊界大尺度高速異常區域內存在中小尺度超低速區，為超低速區的形成機制研究提供了關鍵信息。3月4日，相關研究成果以Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs為題，在線發表在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上。

作為地球內部最重要的邊界之一，核幔邊界層連接著液態外核與固態地幔，是物性結構與動力學過程最復雜的區域之一，對于地球磁場演化、地球自轉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，地震學觀測顯示核幔邊界上方存在多尺度的非均勻結構，包括大型低速省、中小尺度的超低速區、更小尺度的散射體等。作為核幔邊界上方物理性質最極端的異常結構，超低速區的橫波速度下降可達50%，縱波速度下降可達25%，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。超低速區的結構及形成機制是地幔礦物成分與核幔物質、能量及角動量交換等基礎問題研究的重要內容。

超低速區的空間分布特征可以揭示其形成機制。已有地震學觀測結果顯示，多數超低速區分布在大型低速省的內部和邊緣，但核幔邊界高速異常區域是否廣泛存在超低速區尚存疑問。該工作聚焦于這一科學問題，發展了SKKKP B焦點延伸震相探測核幔邊界超低速區的新方法，擴展了核幔邊界高速異常區域的采樣范圍。

天然地震激發的向下傳播的橫波穿過核幔邊界轉換為液態外核縱波，在核幔邊界內側發生兩次反射，進而在離開外核后以地幔縱波形式傳播，最終被地表臺站記錄形成SKKKP震相。基于標準地球參考模型，射線理論計算的SKKKP波的可觀測震中距應小于67度（即小于B焦點的震中距）。然而，實測數據顯示，SKKKP波的可觀測震中距能夠延伸至90度。該團隊搜集了2000年至2020年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據，開展了到時、振幅、偏振、慢度、頻率等多指標特征分析，篩選出7900余道SKKKP波的事件臺站對。研究通過計算系列理論合成地震圖，并與觀測數據進行對比分析，發現核幔邊界上方的超低速區結構是SKKKP B焦點延伸震相產生的原因。

基于上述方法，該研究在太平洋和非洲下方的大型低速省周圍發現了超低速區，并在之前未被充分研究的核幔邊界高速異常區域內探測到超低速區，如中美洲、亞洲中西部、阿拉斯加和格陵蘭島等區域。該研究結合已有地球動力學模擬結果，揭示了核幔邊界高速異常區域內的超低速區形成機制，即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，同時，洋殼物質的熔點較周圍地幔巖石更低，因而可能發生部分熔融形成超低速區。

研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項的支持。

論文鏈接

（a）新發現的SKKKP B焦點延伸震相及其相關震相的射線路徑，（b）新震相顯著拓展了在核幔邊界的采樣區域，（c）超低速區形成機制示意圖。