利用大量地核反射震相約束東亞下方尖銳內核邊界 |章浩東/崔天宇等-JGR

地球固態內核與液態外核的邊界（內核邊界）是地球內部的一階間斷面，該邊界性質對理解地球內核增長、外核對流和地磁場驅動力具有重要科學意義。現代地震學已經揭示內核邊界并非完全橫向均勻，存在局部小尺度地形起伏和糊狀層的復雜結構。然而，由于地震觀測數據的限制，前人對于東亞下方的內核邊界研究仍聚焦于零星分散的局部區域，缺乏對東亞地區內核邊界結構整體的認識。

中國科學院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室博士畢業生章浩東與博士生崔天宇、導師艾印雙研究員利用中國數字地震臺網2009-2018年期間記錄的1014個寬頻帶地震臺站數據，拾取到4272條具有清晰地球內外核反射震相對（PcP和PKiKP）波形記錄（圖1），分析了地核反射震相的走時殘差分布和波形相似性，獲得了東亞地區下方內核邊界精細結構的新認識。

圖1?地震數據。（a）地核反射震相的射線路徑（震源用黑色五角星表示，深度為100 km）。內核邊界反射震相PKiKP和外核邊界反射震相PcP的射線路徑分別用紅色和藍色表示；（b）地震與臺站分布圖。圖中分別標注出地震（紅色五角星）、臺站（黑色三角形）和PKiKP震相的大圓路徑（橙色實線）；（c）按震中距排列的事件3垂直分量波形圖。該地震圖顯示出318個臺站記錄到的包括P、S、PcP、ScP和PKiKP（紅色虛線標示）多個清晰震相信號

波形對比和正演模擬計算表明，東亞下方地核反射震相的波形高度相似，暗示該區域內核邊界的厚度不超過2千米（圖2）。此外，經過地球曲率和地幔不均勻速度結構校正后，地核反射震相的走時殘差相較于一維PREM模型的均值為-0.25秒，表明東亞下方的外核厚度與PREM模型的預測值基本一致。這些結果指示著東亞下方的地球內核邊界整體上是尖銳的，即物質在外核與內核之間是由液態迅速變化為固態，也可能存在局部地區小尺度地形起伏（圖3）。東亞下方內核邊界的整體認識有助于增加對地球內核的生長模式和半球差異性，以及理解外核對流模式。

圖2 PKiKP波形受不同內核邊界參數影響。（a）存在糊狀層內核邊界的密度剖面圖。該剖面穿過內核邊界（紅色虛線），以兩個參數描述：表示糊狀層厚度，表示相對于PREM模型（藍色線所示）在內核邊界處糊狀層的密度躍變值；（b） 理論PKiKP波形。通過一系列具有糊狀層的內核邊界模型生成的合成波形（紅色波形）與尖銳內核邊界PREM模型的波形（藍色波形）的對比，其中黑色波形表示觀測到的PKiKP波形

圖3 本研究地核反射震相觀測數據的解釋模型：外核厚度變化或核幔邊界/內核邊界的地形起伏。紅線表示在內核邊界（ICB）反射的PKiKP射線路徑，而藍線表示在核幔邊界（CMB）反射的PcP射線路徑；它們由地震（紅色五角星）激發并被臺站（紅色三角形）記錄

研究成果發表于國際學術期刊JGR-Solid Earth（章浩東#，崔天宇#，艾印雙*. Using Extensive Core-Reflected Phases to Constrain Sharp Inner Core Boundary beneath East Asia [J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129(10): e2024JB028698. DOI: 10.1029/2024JB028698.）。研究受到中國科學院先導專項B類項目（XDB18000000）和國家自然科學基金項目（41125015）的共同資助。

編輯：劉強