地球最深层地幔十年尺度地震结构变化揭示超低速区动态演化与D″层各向异性反转

本刊推荐：为解决地球最深层地幔动态过程监测难题，研究人员通过分析2000/07/07与2009/12/17近乎重合的双震对数据，首次发现核幔边界超低速区（ULVZ）存在10s公里级的结构形变或移动，并揭示D″层顶部与底部呈现剪切波各向异性（SV-SH）的相反变化。该研究证实了ULVZ作为部分熔融体受地幔流驱动而发生快速形态变化，同时表明D″层存在分层环流特征，为深部地幔动力学研究提供了地震学直接证据，呼吁建立新一代地球动力学模型。

　　

在地球深部探测领域，最深层地幔（即核幔边界以上约300公里范围内的D″层）一直扮演着"最后未知疆域"的角色。这里不仅是地幔与液态外核的接触界面，更蕴藏着地球演化史上最神秘的动力过程。过去数十年的研究陆续揭示了D″间断面、超低速区（ULVZ）以及非洲和太平洋下方巨型低速区等显著结构特征，这些发现重塑了人类对地球深部成分、矿物物理特性和动力演化历史的认知。然而，由于观测技术的限制，科学家们始终未能捕获该区域在人类时间尺度上的动态变化证据，使得深部地幔是"静止的化石"还是"活跃的引擎"成为悬而未决的重大科学问题。

传统观念认为，地幔对流的速度通常以每年厘米级计，意味着人类难以在短暂的生命周期内观测到显著变化。但最新发表于《Nature Communications》的研究打破了这一认知壁垒。中国科学技术大学张欣与纽约州立大学石溪分校温联星（Lianxing Wen）教授团队通过分析一对特殊的地震双震对数据，首次发现了地球最深层地幔在十年尺度上的地震结构变化，为人类直接监测深部地幔动态过程打开了全新窗口。

研究人员采用的核心技术方法包括：全球地震双震对系统筛查（基于PDE目录和GSN台网波形互相关分析）、主事件重定位算法（将双震对水平间距约束至<1.0 km）、二维P-SV混合地震波场模拟方法、广义射线理论（GRT）合成地震图计算，以及针对ULVZ形态变化和D″层各向异性变化的参数化反演技术。所有数据均来自IRIS地震数据中心公开的全球台网观测资料。

观测到的地震数据时序变化

研究团队从1993-2023年间全球61个双震对中筛选出唯一具有显著时序变化的案例——2000年7月7日与2009年12月17日发生于阿留申群岛下方的双震对AI-0009。在委内瑞拉IU.SDV台站记录的SKS和S-Scd-ScS震相中（震中距94.9°），发现了明确的波形和走时变化：SKS波在2009年事件中提前160毫秒到达且波形展宽；S-Scd-ScS波的径向分量呈现前部提前80毫秒到中部提前30毫秒再到后部无变化的梯度型走时差异，而横向分量则完全无变化。这些变化在0.4-2.0 Hz频带内稳定存在，且排除了震源机制、台站时钟误差和浅部结构变化的干扰。

超低速区的形态变化

SKS波走时与波形变化指向核幔边界处ULVZ的结构改变。通过二维波形模拟，研究发现两种可能的ULVZ演化模式：一是ULVZ边缘收缩16-45公里，二是ULVZ整体移动21-27公里。收缩模型略优于移动模型，但两者均能合理解释观测数据。这表明ULVZ在十年间发生了显著形态变化，其运动速率比传统地幔对流模型预测的高4-5个数量级。

D″层各向异性变化

S-Scd-ScS波径向分量变化与横向分量无变化的分离现象表明，D″层发生了剪切波各向异性（SV与SH波速差异）改变。反演结果显示：在D″间断面处SV波速增加0.10%-0.13%，在中部无变化，在核幔边界处减少0.13%-0.18%。这种反对称变化模式无法用各向同性速度变化解释，表明D″层顶部和底部存在相反的 anisotropy（各向异性）演化。

讨论与意义

该研究首次证实了地球最深层地幔在人类时间尺度上存在动态变化。ULVZ的快速形变支持其部分熔融属性（partial melt），极低粘度特性使其能够响应背景地幔流而发生快速变形；而D″层各向异性的反对称变化则揭示了该区域存在分层环流模式——顶部与底部物质以相反方向运动，形成独立的"D″环流层"。

这些发现对地球动力学模型构建提出了全新挑战：当前模型预测的地幔流速（厘米/年）无法解释观测到的公里/年尺度运动，表明最深层地幔粘度可能比现有认知低10^-4-10^-5倍。研究同时为D″层矿物组成和变形机制提供了新的约束条件，表明该区域可能存在不同于上地幔的流动模式和相变行为。

这项突破性工作不仅证明了地震学监测深部地幔动态过程的能力，更开启了"地震层析成像动态监测"的新范式。未来布设更高密度的地震台网并发展更精细的波形模拟技术，有望构建地球深部"实时动态图谱"，最终揭示地幔对流如何驱动板块运动、地磁场生成乃至地球长期演化这一系列重大科学问题的深层机制。