我国学者与海外合作者在地球核幔边界超低速区地震学探测研究中取得进展

　　

图 （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

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42030311、42274077、42394114）等资助下，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院倪四道院士和美国伍兹霍尔海洋研究所等国内外科研机构的同行开展合作研究，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。研究成果以“地幔底部高速异常区域内超低速区的探测及其与俯冲板块的联系（Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs）”为题，于2024年3月4日在线发表在《自然·地球科学》（Nature Geoscience）上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01394-5。

　　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。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（图a）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。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b）。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c）。