地球的固態(tài)內(nèi)核位于地球最深處，主要成分為鐵鎳合金和少量輕元素，其半徑約占地球半徑的1/5，總質(zhì)量的2%。內(nèi)核是由液態(tài)外核冷卻凝固而形成，這個(gè)過程會(huì)同時(shí)釋放熱量和輕物質(zhì)，從而推動(dòng)外核的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，激發(fā)和維持著地球磁場(chǎng)。

由于內(nèi)核藏在地球最深處，目前直接探測(cè)它的手段極其有限，結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征研究被認(rèn)為是全球地震學(xué)研究的最前沿（Tkal?i?，2015）。固態(tài)內(nèi)核被液態(tài)外核包裹，受重力約束而懸浮于地球最深處，科學(xué)家們一直猜測(cè)內(nèi)核可能存在相對(duì)于地表的“轉(zhuǎn)動(dòng)”。地球動(dòng)力學(xué)家最先通過三維地磁發(fā)電機(jī)模擬推測(cè)出內(nèi)核可能存在相對(duì)于地球自轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)更快的差速旋轉(zhuǎn)，即超速旋轉(zhuǎn)（super-rotation，Glatzmaier and Roberts，1995）；隨后，地震學(xué)家通過觀測(cè)幾十年來穿過地球內(nèi)核的地震波PKIKP走時(shí)的系統(tǒng)性變化，證明了內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)的存在（Song and Richards，1996）。作為地磁發(fā)電機(jī)的邊界條件和能量來源，地球內(nèi)核對(duì)于理解地磁場(chǎng)的形成和演化有著極其重要的意義，而內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更成為了近三十年來地球物理學(xué)家們的研究焦點(diǎn)。

隨著地震學(xué)觀測(cè)的積累和研究方法的創(chuàng)新，地震學(xué)家對(duì)于地球內(nèi)核運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)逐漸深入。最近，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王巍副研究員與美國(guó)南加州大學(xué)John Vidale教授、美國(guó)康奈爾大學(xué)龐冠寧博士后、猶他大學(xué)Keith Koper教授和美國(guó)南加州大學(xué)博士生王若妍等合作，對(duì)1990-2023年間在加拿大（Yellowknife Array，YKA）和美國(guó)（Eielson Array，ILAR）的地震臺(tái)陣記錄到的南三明治島（South Sandwich Island，SSI）的重復(fù)地震（圖1）記錄開展了詳細(xì)分析，揭示了近20年來內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的振蕩軌跡，明確給出了內(nèi)核振蕩運(yùn)動(dòng)模式的地震學(xué)證據(jù)。

圖1 （a）重復(fù)地震、臺(tái)站分布和研究中使用的地震震相在地球中的傳播路徑；（b）重復(fù)地震的位置和深度分布

重復(fù)地震是指幾乎在同一個(gè)位置發(fā)生、震級(jí)接近，同時(shí)震源機(jī)制幾乎一樣的地震。這樣的重復(fù)地震在同一臺(tái)站上的記錄幾乎完全一致（圖2）。他們通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸩]有通過內(nèi)核的時(shí)候，重復(fù)地震在YKA和ILAR臺(tái)陣上的記錄幾乎完全一致；但是內(nèi)核存在差速旋轉(zhuǎn)，不同時(shí)間發(fā)生的重復(fù)地震輻射的地震波經(jīng)過內(nèi)核時(shí)的路徑會(huì)發(fā)生變化，從而會(huì)引起地震波到時(shí)和波形的變化。特別是穿過內(nèi)核的地震波PKIKP（見圖1a）的尾波，它是由內(nèi)核中分布的小尺度異常體的散射所產(chǎn)生（Wang and Vidale，2022），其波形受路徑上介質(zhì)變化的影響尤為顯著，對(duì)于內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)也更加敏感（圖2）。反之，如果地震對(duì)的PKIKP和其尾波的波形一致，則PKIKP經(jīng)過內(nèi)核的路徑幾乎一樣，進(jìn)一步得知內(nèi)核處在完全相同的位置。

圖2 重復(fù)地震對(duì)的波形比對(duì)圖。圖中顯示了 PKIKP和其尾波波形隨著時(shí)間推移2003年重復(fù)地震和2009年重復(fù)地震波形不同，到2020年以后再相同的變化過程

通過分析重復(fù)地震對(duì)的PKIKP和其尾波波形相似性隨時(shí)間的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)記錄相同波形的重復(fù)地震對(duì)中，第一個(gè)地震在2003-2005年和對(duì)應(yīng)的第二個(gè)地震在2015-2023之間的重復(fù)地震對(duì)之間間隔時(shí)間隨著時(shí)間推移逐漸變短（圖3和圖4c），基于此，他們推測(cè)出內(nèi)核處于振蕩狀態(tài)（圖4）。通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核大約在2008年左右相對(duì)改變旋轉(zhuǎn)方向，且兩個(gè)時(shí)間段的旋轉(zhuǎn)速率不同，即內(nèi)核在2003至2008年之間超速旋轉(zhuǎn)（super-rotate）和2008年至2023年之間的慢速旋轉(zhuǎn)（sub-rotate），同時(shí)超速旋轉(zhuǎn)速率大約為慢速旋轉(zhuǎn)的2~3倍。

圖3 重復(fù)地震波形相似性比對(duì)圖。直線連著兩個(gè)地震對(duì)，紅色代表著波形完全一致的地震對(duì)

圖4 內(nèi)核振蕩模式的概念圖和對(duì)應(yīng)的波形匹配關(guān)系。圖中點(diǎn)A和C表示內(nèi)核在不同時(shí)間處于同一位置，對(duì)應(yīng)的重復(fù)地震產(chǎn)生的通過內(nèi)核的PKIKP波形一致；B表示內(nèi)核處于反轉(zhuǎn)的時(shí)刻，因?yàn)樵摃r(shí)刻內(nèi)核相對(duì)A和C的位置不同，重復(fù)地震產(chǎn)生的通過內(nèi)核的PKIKP波形也就不一致。其中A、B和C三個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖3對(duì)應(yīng)的位置

該項(xiàng)研究成果提供了內(nèi)核振蕩最直接的地震學(xué)證據(jù)。該研究中僅使用波形相似度作為觀測(cè)量，避免直接測(cè)量地震波到時(shí)，有效規(guī)避了學(xué)術(shù)界關(guān)于內(nèi)核旋轉(zhuǎn)模型和內(nèi)核邊界變化模型之間爭(zhēng)論的核心議題——重復(fù)地震定位誤差的影響，從而得到了迄今為止最準(zhǔn)確和精細(xì)的內(nèi)核差速旋轉(zhuǎn)的軌跡和相對(duì)速率，為研究?jī)?nèi)核的增長(zhǎng)、外核的對(duì)流、地磁場(chǎng)的發(fā)展和演化等提供了重要的地球物理約束。

研究成果于2024年6月12日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature（王巍，John Vidale*，龐冠寧，Keith Koper，王若妍. Inner core backtracking by seismic waveform change reversals [J].Nature, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07536-4）。成果受中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904，IGGCAS-202204）資助。

編輯：劉強(qiáng)