近日，精密測量院與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團隊及國際同行開(kāi)展合作，發(fā)展了SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相探測核幔邊界超低速區的新方法，揭示了全球核幔邊界大尺度高速異常區域內存在中小尺度超低速區，為超低速區的形成機制研究提供了關(guān)鍵信息。相關(guān)研究成果3月4日在線(xiàn)發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上。

作為地球內部最重要的邊界之一，核幔邊界層連接著(zhù)液態(tài)外核與固態(tài)地幔，是物性結構與動(dòng)力學(xué)過(guò)程最復雜的區域之一，對于地球磁場(chǎng)演化、地球自轉變化與地球參考框架等方面的研究具有重要意義。過(guò)去幾十年里，地震學(xué)觀(guān)測顯示核幔邊界上方存在多尺度的非均勻結構，包括大型低速?。↙LVP）、中小尺度的超低速區（ULVZ）、更小尺度的散射體等。作為核幔邊界上方物理性質(zhì)最極端的異常結構，超低速區的橫波速度下降可達50%，縱波速度下降可達25%，其厚度變化范圍從幾公里到幾十公里，橫向尺度變化范圍則在幾十公里到上千公里之間。超低速區的結構及形成機制是地幔礦物成分與核幔物質(zhì)、能量及角動(dòng)量交換等基礎問(wèn)題研究的重要內容。

超低速區的空間分布特征可以揭示其形成機制。已有地震學(xué)觀(guān)測結果顯示，大多數超低速區分布在大型低速省的內部和邊緣，但核幔邊界高速異常區域是否廣泛存在超低速區仍有疑問(wèn)。研究團隊聚焦于這一科學(xué)問(wèn)題，發(fā)展了SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相探測核幔邊界超低速區的新方法，有效地擴展了核幔邊界高速異常區域的采樣范圍。

（a）新發(fā)現的SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相及其相關(guān)震相的射線(xiàn)路徑；

（b）新震相顯著(zhù)拓展了在核幔邊界的采樣區域；

（c）超低速區形成機制示意圖

天然地震激發(fā)的向下傳播的橫波（S波）穿過(guò)核幔邊界轉換為液態(tài)外核縱波（K波），在核幔邊界內側發(fā)生兩次反射，然后在離開(kāi)外核后以地?？v波（P波）形式傳播，最終被地表臺站記錄形成SKKKP震相（圖1a）?；跇藴实厍騾⒖寄Ｐ?，射線(xiàn)理論計算的SKKKP波的可觀(guān)測震中距應小于67度（即小于B焦點(diǎn)的震中距）。然而，實(shí)測數據顯示，SKKKP波的可觀(guān)測震中距能夠延伸至90度。研究團隊搜集了2000年至2020年間143個(gè)震源深度大于300千米、體波震級大于6級的全球地震事件在北美洲、歐洲及中國臺陣記錄的波形數據，開(kāi)展了到時(shí)、振幅、偏振、慢度、頻率等多指標特征分析，共篩選出7900余道SKKKP波的事件臺站對。通過(guò)計算系列理論合成地震圖，并與觀(guān)測數據進(jìn)行對比分析，發(fā)現核幔邊界上方的超低速區結構是導致SKKKP B焦點(diǎn)延伸震相產(chǎn)生的原因。

基于上述方法，研究團隊不僅在太平洋和非洲下方的大型低速省周?chē)l(fā)現了超低速區，還在之前未被充分研究的核幔邊界高速異常區域內探測到了超低速區，包括中美洲、亞洲中西部、阿拉斯加和格陵蘭島等區域（圖1b）。該研究結合已有地球動(dòng)力學(xué)模擬結果，揭示了核幔邊界高速異常區域內的超低速區形成機制：當俯沖板塊進(jìn)入下地幔時(shí)，其頂部洋殼可以和下覆板片逐漸分離并下沉到核幔邊界，由于洋殼物質(zhì)的熔點(diǎn)較周?chē)蒯r石更低，因此可能發(fā)生部分熔融形成超低速區（圖1c）。

相關(guān)研究成果以“Detections of ultralow velocity zones in high-velocity lowermost mantle linked to subducted slabs”為題在學(xué)術(shù)期刊《自然—地球科學(xué)》上發(fā)表，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生蘇玉龍為論文第一作者，精密測量院大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室倪四道院士為論文通訊作者。合作者包括孫和平院士團隊、美國伍茲霍爾海洋研究所及亞利桑那州立大學(xué)學(xué)者?；凇八到Y合”政策，實(shí)驗室與中國科大地空學(xué)院開(kāi)展了長(cháng)期緊密的合作，在地球內部結構與動(dòng)力學(xué)方面取得了多項重要進(jìn)展，近年來(lái)雙方合作在Science、Nature子刊、PNAS等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表的系列論文深化了地球內部運行機制等科學(xué)問(wèn)題的認識。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41561-024-01394-5