近日，精密測(cè)量院與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)及國(guó)際同行開(kāi)展合作，發(fā)展了SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相探測(cè)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(jī)制研究提供了關(guān)鍵信息。相關(guān)研究成果3月4日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)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(dòng)力學(xué)過(guò)程最復(fù)雜的區(qū)域之一，對(duì)于地球磁場(chǎng)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(guò)去幾十年里，地震學(xué)觀測(cè)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(dá)50%，縱波速度下降可達(dá)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(jī)制是地幔礦物成分與核幔物質(zhì)、能量及角動(dòng)量交換等基礎(chǔ)問(wèn)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(jī)制。已有地震學(xué)觀測(cè)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(wèn)。研究團(tuán)隊(duì)聚焦于這一科學(xué)問(wèn)題，發(fā)展了SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相探測(cè)核幔邊界超低速區(qū)的新方法，有效地?cái)U(kuò)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(diǎn)延伸震相及其相關(guān)震相的射線(xiàn)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(jī)制示意圖

天然地震激發(fā)的向下傳播的橫波（S波）穿過(guò)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(kāi)外核后以地幔縱波（P波）形式傳播，最終被地表臺(tái)站記錄形成SKKKP震相（圖1a）?；跇?biāo)準(zhǔn)地球參考模型，射線(xiàn)理論計(jì)算的SKKKP波的可觀測(cè)震中距應(yīng)小于67度（即小于B焦點(diǎn)的震中距）。然而，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，SKKKP波的可觀測(cè)震中距能夠延伸至90度。研究團(tuán)隊(duì)搜集了2000年至2020年間143個(gè)震源深度大于300千米、體波震級(jí)大于6級(jí)的全球地震事件在北美洲、歐洲及中國(guó)臺(tái)陣記錄的波形數(shù)據(jù)，開(kāi)展了到時(shí)、振幅、偏振、慢度、頻率等多指標(biāo)特征分析，共篩選出7900余道SKKKP波的事件臺(tái)站對(duì)。通過(guò)計(jì)算系列理論合成地震圖，并與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(diǎn)延伸震相產(chǎn)生的原因。

基于上述方法，研究團(tuán)隊(duì)不僅在太平洋和非洲下方的大型低速省周?chē)l(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(cè)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(dòng)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(jī)制：當(dāng)俯沖板塊進(jìn)入下地幔時(shí)，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(diǎn)較周?chē)蒯r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(guān)研究成果以“Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs”為題在學(xué)術(shù)期刊《自然—地球科學(xué)》上發(fā)表，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生蘇玉龍為論文第一作者，精密測(cè)量院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室倪四道院士為論文通訊作者。合作者包括孫和平院士團(tuán)隊(duì)、美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所及亞利桑那州立大學(xué)學(xué)者?；凇八到Y(jié)合”政策，實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科大地空學(xué)院開(kāi)展了長(zhǎng)期緊密的合作，在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)方面取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展，近年來(lái)雙方合作在Science、Nature子刊、PNAS等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表的系列論文深化了地球內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的資助。

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