温联星研究组
 
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本研究组发表“地球内核及其边界研究”综述

2018-04-11

近日,中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星研究组在《地球物理学报》上发表了综述文章“地球内核及其边界的结构特征和动力学过程”。

地球内核位于地球的最中心,其半径为 1221 km。尽管地球内核占整个地球体积的比例不到 1%,但其在地球演化和地球磁场的形成中扮演着举足轻重的角色。地球固态内核是随着地球的冷却从液态外核逐渐凝固而形成的。内核增长过程中会释放潜热并抛出轻物质,驱动外核对流,进而构成了地磁发电机并产生了地球的磁场。其中,内核增长过程中释放出的潜热为外核对流提供了热能,而释放的轻元素则在地球重力场作用下由地球内核表面上浮至地球外核顶部,为外核对流提供了化学驱动力。因此,研究地球内核表面凝固过程是了解地球外核对流和地磁发电机物理机制的关键。同时,因为内核边界是外核成分的固液平衡相面,所以内核的凝固过程记录了当时外核底部的热力学和化学状态。因而,研究地球内核内部的地震学结构对认识地球内核凝固的历史,即地球外核对流和地球演化的历史,具有决定性的作用。同样,对当今地球内核表面的研究有助于我们了解当今地球外核对流的驱动力和地磁场的成因。

图1 地球内核及其边界结构特征示意图。内核结构呈现东西半球差异:西半球顶部(各向同性层,约 100 公里)具有较慢的速度(相对 PREM 慢 -0.3%)和较弱的衰减(Q=600),而东半球顶部(约 400 公里)具有较快的速度(相对 PREM 快0.5%)和较强的衰减(Q=250)。在各向同性层底下,西半球具有较强的速度各向异性(~4%),东半球具有较弱的速度各向异性(~0.7%)。内核最深处 300-600 km 内可能存在一个各向异性特征不同的内内核。在地球内核边界,局部区域存在地形起伏和糊状层。

图1 地球内核及其边界结构特征示意图。内核结构呈现东西半球差异:西半球顶部(各向同性层,约 100 公里)具有较慢的速度(相对 PREM 慢 -0.3%)和较弱的衰减(Q=600),而东半球顶部(约 400 公里)具有较快的速度(相对 PREM 快0.5%)和较强的衰减(Q=250)。在各向同性层底下,西半球具有较强的速度各向异性(~4%),东半球具有较弱的速度各向异性(~0.7%)。内核最深处 300-600 km 内可能存在一个各向异性特征不同的内内核。在地球内核边界,局部区域存在地形起伏和糊状层。

文章系统地介绍了近三十多年来地球内核及其边界结构的地震学研究结果,包括内核各向异性、东西半球差异、内核边界的地形起伏以及糊状层等精细结构,并探讨这些复杂内核结构揭示的可能的物理机制。地球内核内部结构的主要特征表现为其地震波速度和衰减呈现各向异性,且各种结构(速度、衰减和各向异性)均呈现东西半球差异,而内核表面的新发现则包括其局部区域存在起伏的地形和固液并存的糊状层。地球内核压缩波速度和衰减均呈现以地球旋转轴为轴的柱对称各向异性,沿地球旋转轴方向传播的压缩波比沿赤道方向传播的压缩波传播更快且衰减更强烈。同时,内核各向异性结构随深度而变化:内核顶部约 100-400 km 接近各向同性,而在内核最深处 300-600 km 内则可能存在一个具有不同各向异性特征的内内核。地球内核的东西半球差异表现在多方面:在内核顶部 ~100 km 厚度内,东半球的各向同性速度比西半球快约 0.8%,东半球具有较强的衰减(Q=250),而西半球则具有较弱的衰减(Q=600);西半球的顶部各向同性层厚度约为 100 km,而东半球顶部各向同性层厚度则约为 400 km;在各向同性层底下,西半球具有较强的各向异性(~4%),而东半球则具有较弱的各向异性(~0.7%)。地球内核边界在菲律宾海、黄海、西太平洋以及中美洲下方存在 1-14 km 高的地形起伏,在鄂霍次克海西南部下方存在 4-8 km 厚的糊状层。

地球内核的这些新发现引发了对许多可能的新物理机制的探讨,也促使我们重新评估我们对外核成分、外核热化学对流、内核凝固过程和地球磁场驱动力的认识。这些结果表明内核凝固过程和地球磁场的热和化学驱动力远比传统观念认为的横向均匀分布复杂得多。内核西半球可能不断凝固并释放潜热和轻元素,而东半球则可能不断熔化并吸收潜热和轻元素,外核对流的驱动力在东西半球可能截然不同,甚至呈现相反方向。这些凝固与熔化交替过程也发生在局部地形起伏区域。在糊状层区域,地球内核凝固释放潜热和化学能,而在大部分无糊状地区,内核凝固只释放潜热。

论文链接:http://html.rhhz.net/dqwlxb/2018-3-803.htm

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