近日，精密測量院與中國科學技術大學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鍵信息。相關研究成果3月4日在線發(fā)表在國際學術期刊《自然—地球科學》（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)與動力學過程最復雜的區(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。

（a）新發(fā)現(xiàn)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(qū)域；

（c）超低速區(qū)形成機制示意圖

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）。

相關研究成果以“Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs”為題在學術期刊《自然—地球科學》上發(fā)表，中國科學技術大學博士研究生蘇玉龍為論文第一作者，精密測量院大地測量與地球動力學國家重點實驗室倪四道院士為論文通訊作者。合作者包括孫和平院士團隊、美國伍茲霍爾海洋研究所及亞利桑那州立大學學者?；凇八到Y(jié)合”政策，實驗室與中國科大地空學院開展了長期緊密的合作，在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動力學方面取得了多項重要進展，近年來雙方合作在Science、Nature子刊、PNAS等學術刊物發(fā)表的系列論文深化了地球內(nèi)部運行機制等科學問題的認識。

該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01394-5