基于全球大地测量观测的地幔滞弹性研究

The mantle anelasticity plays an important role in Earth’s interior dynamics. Until now, only the top 200km of the upper mantle’s anelasticity was relatively well constrained, as for the other parts of the mantle, especially for the lower mantle, the anelastic parameters of them are harder to determine both from the laboratory and the geophysical observations. Since a realistic mantle anelastic model will directly affects the model modifications of the relevant surface observations and their subsequent geophysical explanations, this project will focus on how to constrain the mantle anelasticity. We will analysis a variety of global geodetic observations (Such as GPS, Superconducting gravimeter, tide gauges and broadband seismic data) based on a new array-processing method which has been confirmed to be effective, and analysis the length of day changes and the J2 time series. Upon those datasets, the Q values of the normal modes of the Earth free oscillation (30s to 1 hour), and the Love numbers at the long-period tidal signal periods, the Chandler wobble period and the 18.6 year tidal period will be more precisely estimated. Based on those estimates, we will try to confirm the characteristics of the frequency-dependent of Qs at the free oscillation frequency band, and determine the anelastic parameters (and material-dependent constant α) of the upper and lower mantle. And then we will confirm whether these different period signals are in a same absorption band, and finally give a more realistic 1D mantle anelastic model.

地幔滞弹性对地球内部动力学起着重要作用。迄今，仅200km以上的上地幔区域的滞弹性被较好地约束，地幔的其他部分，特别是下地幔的滞弹性仍未有稳健的约束，无论从实验室数据或实测数据。地幔滞弹性的准确与否，将直接影响相关地表观测结果的模型修正与后续物理解释, 为此，本项目将主要关注如何约束地幔滞弹性。我们拟采用已被证明有效性的新数据分析方法来处理多种全球大地测量数据(如GPS、超导重力、验潮站和宽频地震数据)，并结合日长和J2数据，对地球自由振荡周期段(30秒到1小时)的Q值，以及长周期潮波周期(5.64天到1年)、Chandler晃动周期(约432天)和18.6年潮波周期的Love数进行精确估算。基于这些估值，研究自由振荡频段的简正模的Q满足何种频率依赖关系，确定上下地幔的滞弹性参数(及物质常数α)。然后确定这些不同周期的信号是否在同一个吸收带，并最终给出一个更为接近真实的地幔滞弹性1D模型。

地球是一个滞弹性体，而地幔是地球内部最大的圈层结构，地幔滞弹性特征对研究地球内部结构及解释一些地球物理观测具有重要作用。地幔的滞弹性通常是时间或频率的函数，也即其品质因子被认为是随着ωα增加。地幔滞弹性可影响地震波、地震简正模、地球自转和位移/重力场中的潮汐变化等，因此构建精细的地幔Q模型在大地测量和地球动力学中起到了至关重要的作用。随着全球导航系统、超导重力和地球极移等高精度空天地观测技术的发展，使得研究地幔滞弹性，尤其是下地幔的滞弹性结，成为可能。本项目主要是利用这些全球大地测量观测来研究地幔的滞弹性。取得的成果有：1) 利用1997年以来大地震后的超导重力数据，结合项目合作人提出的频率域AR方法对前10个地球自由振荡径向简正模(0S0, 0S1, 0S2, 0S3…0S9)的频率和品质因子 进行了重新测定和估计，形成了一个目前较为完善的 值数据集; 并得出在0.3-2.8mHz和3-10mHz频带范围内，无法使用单一吸收带来表示耗散吸收的结论，且0Sn模态的耗散吸收模型的参考值为Q0=160，α=-0.52。2）利用精细处理后的GNSS数据和申请人提出的OSE数据分析方法，对9个长周期固体潮Love数进行了估计，根据所得到的稳健估值，反演了地幔滞弹性参数，并利用吸收带模型拟合出地幔物质参数 的估值为0.189±0.70。3）利用OSE方法，研究发现18.6年潮汐仍满足潮汐理论中的二阶零次球谐函数空间分布，这一结论是经典潮汐理论的重要补充。4）并首次采用解卷积的方式确定了该6年信号的Q值，研究发现其 值不能小于200，这一结果也为本项目构建地球吸收带模型提供了重要约束。在以上研究的基础上，本项目构建了较为精细地幔滞弹性1D Q模型。我们预期未来有望构建较为精密的地幔3D Q模型，可为研究地球内部介质分布、应力水平以及形变机制等提供更为丰富的资料。