地球内核浅层的各向异性和衰减结构研究

Using global seismic networks, especially networks from high latitudes, we will study the anisotropy and attenuation structure of the Earth's inner core near the inner core boundary(ICB). We will use PKP refracted and reflected waves, study both their differential travel times and waveform changes, to examine the anisotropy and attenuation of the inner core in different locations. The data from high latitude networks will greatly improve the data coverage in north-south direction, which are poor in previous studies. We will also use three-dimentional ray tracing method to invert the anisotropy structure and a direct soultion method to model waveforms from earthquake fault-plane solution. These methods will reduce the uncertanties of one-dimensional ray tracing and empirical source time function. The results will greatly improve our understanding of the inner core structure, and will have important constrains on the composition, formation and evolution of the inner core.

本课题将利用全球地震台网，尤其是近年来的靠近极地的高纬度地震台网接收到的PKP折射和反射波，通过分析穿过地球内核不同位置、不同方向的PKP波的到时差和波形变化，来研究内核边界附近的各向异性结构以及衰减结构的变化。高纬度地震台网的增加将极大的补充之前内核研究中南北方向的采样不足；而我们将采取的三维射线追踪和直接从震源机制进行波形拟合的方法，极大的减少了射线路径以及使用经验震源波形的偏差，从而使研究得出的内核结构更加可靠。研究结果将对内核的成分组成、形成和演化过程有十分重要的参考意义。

地球的内核在地球演化过程中起重要作用。液态外核的凝固释放出的热能和轻元素提供了地磁场发电机的动力，同时也影响着核幔边界的物质和能量交换，从而影响地幔的动力学过程。虽然地球内核的各向异性速度结构已经有一定共识，但关于内核的精细结构、半球变化特征以及它们和内核的物质组成、演化的关系我们并不了解。 同时，对核幔边界存在的大小不一的各种不均匀结构（如LLSVP， ULVZ， D“等），由于地震观测手段，方法和数据的限制，我们对它们的具体几何形态、空间分布及物理参数的了解有限，从而限制了对这些异常体的成因和动力学的认识。.在本研究项目执行过程中，针对以上问题我们进行了两个方面的研究。对于内核，我们选择了内核边界附近的浅层区域，研究了内核的速度结构，特别是内核的衰减结构，以便用更多的参数来约束内核的物理性质。通过对数据覆盖均匀的三个区域的速度各向异性，以及衰减各向异性的对比，我们认为，在内核的浅部，其结构呈现区域性变化，而不是简单的半球变化。 此外，速度和衰减的各向异性并不总是相关的。因此，内核的形成可能受多种因素（如内核偏心生长，地磁场作用力，核幔边界热结构等）影响或多期次形成。.对于核幔边界，我们采取了有别于直达波的P波散射波，研究了通常不能被采样的核幔边界的各种不均匀结构：通过分析南极台网记录到的PKP前导波的到时和能量，我们研究了太平洋异常北部的不均匀结构，描画了这些结构的横向变化特征，即中间散射强度大，两边强度小。 我们认为这些散射体是不同的古俯冲板块，或同一板块在核幔边界的分异造成；我们还分析了USArray记录到的短周期PKKP散射波的慢度，并将它们进一步转化成核幔边界的速度分布。结果发现非洲LLSVP西北边界存在高达6-10%的P波速度降低的ULVZ，且降低的幅度和距LLSVP边界的距离有一定相关性。澳大利亚台网记录到的PKP前导波则呈现的特定震相，经由波形拟合，我们认为它是由太平洋异常东部边界上一个几十公里形态的ULVZ引起，且位置与地面热点重合。我们的结果表明，ULVZ的变化，无论是由部分熔融或富含铁的后钙钛矿引起，其程度应该受LLSVP影响；地面热点是从核幔边界起源；核幔边界也受地核组分和温度影响。.总之，我们研究了地球内核浅部的速度和衰减结构，提出了内核结构的非半球分布；并由PKP波散射波研究了核幔边界的不均匀结构，讨论了ULVZ同LLSVP的关系。