精密测量院在地球核幔边界超低速区结构的合作研究中取得重要进展

近日，精密测量院与中国科学技术大学的科研团队及国际同行开展合作，发展了SKKKP B焦点延伸震相探测核幔边界超低速区的新方法，揭示了全球核幔边界大尺度高速异常区域内存在中小尺度超低速区，为超低速区的形成机制研究提供了关键信息。相关研究成果3月4日在线发表在国际学术期刊《自然—地球科学》（Nature Geoscience）上。

作为地球内部最重要的边界之一，核幔边界层连接着液态外核与固态地幔，是物性结构与动力学过程最复杂的区域之一，对于地球磁场演化、地球自转变化与地球参考框架等方面的研究具有重要意义。过去几十年里，地震学观测显示核幔边界上方存在多尺度的非均匀结构，包括大型低速省（LLVP）、中小尺度的超低速区（ULVZ）、更小尺度的散射体等。作为核幔边界上方物理性质最极端的异常结构，超低速区的横波速度下降可达50%，纵波速度下降可达25%，其厚度变化范围从几公里到几十公里，横向尺度变化范围则在几十公里到上千公里之间。超低速区的结构及形成机制是地幔矿物成分与核幔物质、能量及角动量交换等基础问题研究的重要内容。

超低速区的空间分布特征可以揭示其形成机制。已有地震学观测结果显示，大多数超低速区分布在大型低速省的内部和边缘，但核幔边界高速异常区域是否广泛存在超低速区仍有疑问。研究团队聚焦于这一科学问题，发展了SKKKP B焦点延伸震相探测核幔边界超低速区的新方法，有效地扩展了核幔边界高速异常区域的采样范围。

（a）新发现的SKKKP B焦点延伸震相及其相关震相的射线路径；

（b）新震相显著拓展了在核幔边界的采样区域；

（c）超低速区形成机制示意图

天然地震激发的向下传播的横波（S波）穿过核幔边界转换为液态外核纵波（K波），在核幔边界内侧发生两次反射，然后在离开外核后以地幔纵波（P波）形式传播，最终被地表台站记录形成SKKKP震相（图1a）。基于标准地球参考模型，射线理论计算的SKKKP波的可观测震中距应小于67度（即小于B焦点的震中距）。然而，实测数据显示，SKKKP波的可观测震中距能够延伸至90度。研究团队搜集了2000年至2020年间143个震源深度大于300千米、体波震级大于6级的全球地震事件在北美洲、欧洲及中国台阵记录的波形数据，开展了到时、振幅、偏振、慢度、频率等多指标特征分析，共筛选出7900余道SKKKP波的事件台站对。通过计算系列理论合成地震图，并与观测数据进行对比分析，发现核幔边界上方的超低速区结构是导致SKKKP B焦点延伸震相产生的原因。

基于上述方法，研究团队不仅在太平洋和非洲下方的大型低速省周围发现了超低速区，还在之前未被充分研究的核幔边界高速异常区域内探测到了超低速区，包括中美洲、亚洲中西部、阿拉斯加和格陵兰岛等区域（图1b）。该研究结合已有地球动力学模拟结果，揭示了核幔边界高速异常区域内的超低速区形成机制：当俯冲板块进入下地幔时，其顶部洋壳可以和下覆板片逐渐分离并下沉到核幔边界，由于洋壳物质的熔点较周围地幔岩石更低，因此可能发生部分熔融形成超低速区（图1c）。

相关研究成果以“Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs”为题在学术期刊《自然—地球科学》上发表，中国科学技术大学博士研究生苏玉龙为论文第一作者，精密测量院大地测量与地球动力学国家重点实验室倪四道院士为论文通讯作者。合作者包括孙和平院士团队、美国伍兹霍尔海洋研究所及亚利桑那州立大学学者。基于“所系结合”政策，实验室与中国科大地空学院开展了长期紧密的合作，在地球内部结构与动力学方面取得了多项重要进展，近年来双方合作在Science、Nature子刊、PNAS等学术刊物发表的系列论文深化了地球内部运行机制等科学问题的认识。

该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01394-5