全球220公里不连续面有限频率层析成像揭示软流圈底界形态及其动力学意义

《Geophysical Journal International》：Global Finite-Frequency Tomography of the 220-km Discontinuity

本研究针对全球220公里不连续面（即软流圈底界）成像难题，通过构建包含海洋与大陆区域的SS前驱波全球数据集，采用有限频率层析成像技术首次获得该界面的全球深度扰动图像。研究发现该界面平均深度为251公里，速度跳跃达7%，证实全球软流圈存在约1%部分熔融，且大陆与海洋区域界面深度特征差异揭示了板块汇聚边界和深部地幔对流对软流圈动力学的共同控制。该成果为理解岩石圈-软流圈耦合机制提供了关键观测约束。

　　

在地球深部结构研究中，软流圈作为上地幔的薄弱层，承载着上方 tectonic plates（构造板块）的运动并促进地幔对流，其底界——即220公里不连续面（又称Lehmann不连续面）的全球分布特征一直是地球科学领域的未解之谜。传统全球叠加成像中S₂₂₀S信号的缺失，使该界面是否全球性存在备受争议。而不同构造区域（如稳定克拉通与活动造山带）该界面深度的差异，更牵涉到软流圈形成机制究竟受控于长期冷却还是深部对流这一核心科学问题。发表于《Geophysical Journal International》的最新研究通过创新性地联合海洋与大陆SS前驱波数据，并应用有限频率层析成像技术，首次绘制出全球220公里不连续面的三维结构图，为揭示软流圈动力学提供了突破性证据。

研究团队整合了2009-2020年间IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology）的54,674条地震波形数据，筛选出14,592条高质量SS波记录（其中大陆区域8,086条，海洋区域6,506条），通过频域走时测量和振幅分析技术，系统提取了S₂₂₀S前驱波的走时差（δt|_S220S - δt|_SS）和振幅比（γ = min[log(S₂₂₀S/S₄₁₀S), log(S₂₂₀S/S₆₆₀S)]）。针对传统射线理论对界面起伏敏感度不足的缺陷，研究采用基于模态耦合的有限频率灵敏度核（Finite-frequency sensitivity kernels）进行层析反演，有效克服了相位干涉和Fresnel zone（菲涅尔带）尺度效应的影响。通过截断奇异值分解（TSVD）正则化处理，最终以4.3°平均间距的球面三角网格参数化获得了全球深度扰动模型。

全球深度特征与构造关联

反演结果显示220公里不连续面深度范围为236-265公里，全球平均深度251.4公里。大陆与海洋区域平均深度一致性（图8b）表明该界面不受地表构造年龄控制。海洋区域呈现与海底年龄等值线平行的条带状深浅交替结构（图9d），而大陆区域则表现为更宽缓的扰动特征，显著浅化异常集中于板块汇聚边界（如欧亚板块南缘从地中海至东南亚）及大陆内部造山带前缘（如天山-蒙古-西伯利亚及落基山脉以东地区）。

速度跳跃与部分熔融证据

振幅分析揭示界面速度跳跃达7%（图5），显著高于PREM模型的5%。通过与MREF模型（含7%速度跳跃）合成记录对比，证实该异常需由软流圈约1%部分熔融解释（图11）。这一结果与全球面波衰减和电性结构研究提出的软流圈熔融模型相互印证。

界面成像与叠加信号缺失机制

研究首次通过有限频率层析模型合理解释了S₂₂₀S在全局叠加中缺失的争议：在界面起伏标准差较小的区域（如欧洲），区域性叠加能清晰识别S₂₂₀S信号（图13d）；而在扰动强烈的西北太平洋等区域，即使扩大叠加半径至20°仍无法有效增强信号（图S2）。这表明大规模界面起伏导致相消干涉是全局叠加失败的主因。

研究结论强调，220公里不连续面作为全球性软流圈底界，其深度均匀性否定了长期冷却主导的温度控制模型（图11），而更支持深部地幔对流驱动的热化学均一化机制。大陆内部浅化异常与环太平洋俯冲带的时空关联（图10），进一步揭示停滞板块（stagnant slabs）相关的 mantle flow（地幔流）可延伸至板块内部，为理解板内变形与深部动力学耦合提供了新视角。该研究建立的有限频率层析方法为其它全球尺度界面成像（如X不连续面）提供了技术范式，其数据集与模型已通过Zenodo平台公开共享。