内核地震波速各向异性的成因

地球内核是轴对称各向异性的,其对称轴与地球的极轴之间有１１°左右的夹角,本 文根据地球内核相对于外部地球有差异转动这一观测结果,利用晶体生长理论,对内核地震波 速度各向异性的成因进行了探讨．当从熔融状态结晶时,晶体的生长速度与晶体和熔融态之 间相对运动的线速度成正比涸此当固态内核在液态外核中生长时,沿赤道方向的生长速度比 两极方向快．在万有引力场的作用下内核始终保持近似球形,生长速度较快的赤道附近的物 质会向两极区域流动,形成轴对称的流变场。这一轴对称的流变场伴随着轴对称的应力场,使 得构成地球内核的ｈｃｐ型铁晶体的ｃ轴沿着内核自转轴的方向排列,导致观测到的地球内核地 震波速度各向异性。作为推论,内核相对于外部地球可能同时存在着进动和章动。     

星球中的星球：地球内核的自转

近期发现地球内核地震波速度的各向异性对称轴有１０°的倾斜，由此确定了内核相对于地幔的方位随时间的变化。以国际地震中心（ＩＳＣ）１９６４￣１９９２年２９年的资料为基础，两种分析射线穿过内核时走时变化的方法都揭示：内核的旋转每年比地幔快３°，１９６９￣１９７３年内核方位的异常变化在时间上与地磁场的突变一致。     

地球内核顶部300 km速度和衰减各向异性的区域变化

衰减结构是地球内核的重要性质,它可以与地球内核的速度结构结合,对内核的形成和演化机制提供更全面的信息.本文系统收集了1991年到2014年全球、区域和临时地震台网的PKPDF和PKPBC数据,研究了澳大利亚、非洲和太平洋中部下方内核顶部300 km的速度和衰减各向异性结构.速度结果表明,澳大利亚下方内核的速度没有明显的各向异性,但是非洲和太平洋中部下方的内核具有明显的各向异性,且非洲的速度各向异性强于太平洋中部.同时,相对于AK135模型,澳大利亚的平均速度快0.5%,而非洲和太平洋中部的平均速度与参考模型没有明显差异.对于内核的衰减结构,我们得到以下结果：1）在东西方向,内核顶部200 km左右的区域,澳大利亚的衰减最强（Q值在400左右）,非洲和太平洋中部的Q值分别在600和500左右.2）澳大利亚下方的内核衰减没有明显的各向异性,非洲和太平洋中部下方的内核衰减存在明显的各向异性.此外,内核在非洲地区的衰减各向异性强于太平洋中部的各向异性.3）最后,内核中三个区域的速度和衰减具有良好的相关性,即高/低速对应于高/低衰减.考虑到以上结果以及三个区域的位置,我们认为内核顶部的速度和衰减结构都存在区域变化,而不是简单的半球变化.这种区域变化很可能是由于核幔边界热结构的不均一性和内核耦合,使得内核顶部的不同区域在形成过程中受不同的变形影响,从而形成铁晶体不同的生长和排列,引发了不同的各向异性特征.

     

观测结果揭示地球内核自转快于地球本身

地球内核与地球的其他部分正在进行着无休止的竞赛,并且地核似乎已绝对领先。这一曾经是纯粹抽象的理论假设,现在已经有了有力的定量观测基础。猜测地球固体内核自转并快于其周围物质,并将此看法用于模拟计算及作为基本假设已近10年,但从未被证实过。     

地球内核超速自转的物理机制

根据地球液态外核的对流结构提出一种物理机制，求解释地震学所推断的地球固体内核超速自转的现象。外核中物质对流和发电机效应的数值计算表明，内核的相切柱体内温度偏高。我们证明这种温差会在圆柱体内产生一种超速自转的热风和一种很强的方位磁场。由感应方位磁场和北景极型磁场可导出作用于内核的转矩，当内核的角速度相对于附近相切柱体内流体的角速度，大约滞后１４％时，作用于内核的转矩达到平衡。所推断的内核的超速自转（     

内核地球自转动力学理论的研究进展(Ⅰ)

地球固体内核（SIC）和地球其余部分之间的引力和压力的耦合作用引起了一个力矩，从而对地球的章动运动产生影响.由于SIC的转动惯量和整体地球转动惯量相比是非常小的，因此可以认为SIC的动力学效应只是导致一个新的章动本征模，其频率与自由核章动（FCN）相差不太远，且对地球章动产生了一个微弱的共振影响.本文在文献〔1〕理论的基础上，对内核地球自转动力学理论进行了更加深入和详细的研究，顾及到高阶引潮力位的影响，介绍了研究内核地球自转的基本假设和定义，引潮力位的复数球函数表示，复数矢量球函数的基本理论等.     

内核地球的自转运动和地球固定参考系的研究

本文研究了内核地球模型下的地球表面的旋转运动和地球形变场的复数矢量球函数表示,以及外壳固定参考架、地球参考系的理论定义和它们之间等价性的理论证明.同时给出了液体外核（FOC）、固体内核（SIC）和整体地球的转动惯量张量和角动量的具体表达式.在考虑到引潮力位对地球形变场的影响下,研究了地幔相对角动量的具体表述.本文的工作是对前人有关理论的扩展和改进,对进一步研究内核地球自转的动力学理论是非常重要的.     

大陆岩石圈流变与地震波速各向异性

岩石的流变决定了地球各时空尺度的变形,是理解大陆岩石圈构造演化的关键.岩石流变学的研究主要通过高温高压流变学实验和天然变形岩石的多尺度观测来实现,目前已经积累了大量的数据.本文总结了岩石圈不同深度主要造岩矿物,包括橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石、斜长石、石英和云母的流变机制、组构类型以及地震学性质;介绍了岩石圈地幔橄榄岩、榴辉岩、基性麻粒岩、斜长角闪岩和长英质岩石的高温高压实验和天然变形观测进展,包括流变学强度和行为、地震波速和各向异性等;以青藏高原为例,讨论了岩石流变学研究在解译地震波速各向异性的定量化约束作用.将矿物变形组构与地震波各向异性相结合,有望在岩石圈流变学机制和结构的研究中取得重要突破.     

内核地球自转动力学理论的研究进展(Ⅰ)-理论基础

地球固体内核(SIC)和地球其余部分之间的引力和压力的耦合作用引起了一个力矩,从而对地球的章动运动产生影响.由于SIC的转动惯量和整体地球转动惯量相比是非常小的,因此可以认为SIC的动力学效应只是导致一个新的章动本征模,其频率与自由核章动(FCN)相差不太远,且对地球章动产生了一个微弱的共振影响.本文在文献[1]理论的基础上,对内核地球自转动力学理论进行了更加深入和详细的研究,顾及到高阶引潮力位的影响,介绍了研究内核地球自转的基本假设和定义,引潮力位的复数球函数表示,复数矢量球函数的基本理论等.     

变形组构引起的超高压榴辉岩地震波速各向异性

超高压榴辉岩通常显示了强塑性变形和地震各向异性特征. 对实验和天然变形超高压榴辉岩中主要矿物的地震波速性质及其变形晶格优选方位(CPO)与榴辉岩地震波速和各向异性之间的成因关系研究结果表明: (1) 除石榴石表现为近地震波速各向同性外, 榴辉岩中其他矿物都具有强地震各向异性(AV_p = 23.0%~40.9%, Max. AV_s = 18.5%~47.1%), 是造成榴辉岩地震各向异性的主要来源矿物, 石榴石和金红石的平均地震波速相对较高, 绿辉石和柯石英中等, 石英最小; (2) 变形榴辉岩最大纵波波速(8.33~8.75 km/s)方向近平行变形线理或面理, 最小纵波波速(8.25~8.62 km/s)近垂直线理或面理, 纵波波速各向异性1.0%~1.7%, 平均横波波速4.93~4.97 km/s, 其各向异性在同时与线理和面理成近45°方位接近最大(0.73%~1.78%), 在面理面上接近垂直线理方位达到最小, 横波快波极化取向近平行面理. 超高压峰值变质条件(3~5 GPa, 900~1100℃)下榴辉岩地震纵波和横波波速预计比常温常压下分别高出3.4%~7.2%和6.3%~12.1%; (3) 绿辉石矿物组分主导了榴辉岩各向异性基本特征, 而石榴石矿物组分则起到了降低榴辉岩各向异性程度和增加地震波速的作用, 石英矿物组分对榴辉岩地震各向异性影响不大但可以一定程度上降低榴辉岩的地震波速, 金红石矿物组分的作用基本可以忽略; (4) 榴辉岩地震波速在纯石榴石岩中最大但各向异性接近于零, 随绿辉石含量的增加, 地震波速逐步降低, 各向异性逐步升高, 纯绿辉石岩比纯石榴石岩地震波速低6%~8%, 而各向异性则达到3%~4%. 根据榴辉岩组成矿物的单晶弹性性质和变形CPO计算的榴辉岩地震物性与前人实测结果基本相当. 研究成果获得了超高压变形榴辉岩的三维地震物性资料和相关的矿物物理成因解释.     

橄榄石晶格优选方位和上地幔地震波速各向异性

根据福建省明溪幔源包体（二辉橄榄岩）中橄榄石晶格优选方位（ＬＰＯ）及其晶体弹性刚度系数，计算了地震波速度及其各向异性．研究结果表明，该区地震波各向异性是由橄榄石塑性流动产生晶格优选方位而引起的．与构造背景有关的ＶＰ，Ｖｓ１，Ｖｓ２和△Ｖｓ分布特征表明，中国东南沿海地区上地幔物质流动方向（由ＮＷＷ向ＳＥＥ）与橄榄石［１００］定向排列方向（ａ轴）和ＶＰ最大方向有一致的趋势．     

橄榄石晶格优选方位和上地幔地震波速各向异性

根据福建省明溪幔源包体（二辉橄榄岩）中橄榄石晶格优选方位（ＬＰＯ）及其晶体弹性刚度系数,计算了地震波速度及其各向异性．研究结果表明,该区地震波各向异性是由橄榄石塑性流动产生晶格优选方位而引起的．与构造背景有关的ＶＰ,Ｖｓ１,Ｖｓ２和△Ｖｓ分布特征表明,中国东南沿海地区上地幔物质流动方向（由ＮＷＷ向ＳＥＥ）与橄榄石［１００］定向排列方向（ａ轴）和ＶＰ最大方向有一致的趋势．     

中国云南地区上地幔地震各向异性

本文分析云南地区中周期ＳＫＳ偏振，得出观测台附近上地幔Ｓ波快速方向和分裂时间为：昆明，８５°，１．０秒；洱源，８９°，１．０秒；腾冲，１６５°，０．７秒；昭通１６７°，０．９秒。按上地幔地震各向异性是应力作用下矿物优势取向所致的观点，腾冲和昭通的各向异性观测与现代应力场作用相符。但昆明和洱源的观测与现代应力场作用矛盾，它可能是古生代至中生代间攀西裂谷张裂时期，地幔物质流动引起矿物有序排列的结果。     

水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响

选择４种地壳岩石样品,经干燥或水饱和处理后在不同围压条件下测量了在其中传播的纵、横波的速度及其各向异性．在大气压条件下低孔隙度(＜１％岩样中,水饱和样品中的纵波速度明显地比干燥样品中的高,但横波速度的差别不大．因为在低孔隙度岩样中纵波速度对孔隙流体的反应比横波速度敏感,可以用泊松比的变化来反映随着围压的增加晶粒间流体对弹性波传播特性的影响．根据实验数据,按Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ模型分别计算了干燥和水饱和岩样中的裂纹密度,与通过实测体应变曲线得到的裂纹孔隙度十分吻合．利用横波的速度和偏振特性可以推断岩样中定向排列微裂纹的空间取向情况．研究表明,同时测量在岩样中传播的纵、横波的速度,通过Ｖｐ／Ｖｓ比值可以给出有关颗粒边界流体的证据,也可以估计岩样中的裂纹密度．     

地球内部各圈层介质的地球各向异性与地球动力学

地球内部各圈层的结构和构造在本质上是不均匀的各向异性的,各向异性的研究不论是对深化地球本体的认识,还是在资源、能源、灾害和环境以及全球变化的研究中均具有重要作用。本文基于这一科学问题的本质性和重要性着重讨论了以下５个问题：１）各向异性介质中地震波场效应与判据;２）复杂介质地震各向异性－Ｓ波分裂的成因分析;３）当今Ｓ波分裂监测技术的进展与探索;４）地震各向异性在不同科学问题研究中的效能;５）地震各向     

青藏高原北部异常SKS分裂成因的初步探讨——被熔体强化的岩石圈各向异性

当人们试图解释青藏高原异常的剪切波分裂成因时,以下的问题让人们感到困惑:(1)为什么异常大的SKS分裂延时(1.91-2.4s)出现在青藏高原北部Sn波缺失区;(2)为什么分裂延时突变(1.47s和1.09s)出现在Sn波缺失区的边缘;(3)为什么快波极化方向(FPD)与地表大规模的构造走向之间存在约20°-30°的偏差. 本文在综合分析流变学实验和岩石物理学实验研究成果、青藏高原地质和地球物理资料的基础上,提出青藏高原北部地震波各向异性受岩石圈地幔主要矿物的晶格优选方位(LPO)和熔体的定向分布(MPO)的双重控制,并模拟计算了MPO对青藏高原北部岩石圈地幔各向异性强度的贡献. 研究结果表明,由MPO强化的青藏高原北部岩石圈地幔各向异性强度可达10髎,相应的各向异性层厚度平均为94km. 该结果为研究区SKS分裂的成因解释以及造山带深部地质过程的研究提供了新的约束条件.     

青藏高原北部异常SKS分裂成因的初步探讨--被熔体强化的岩石圈各向异性

当人们试图解释青藏高原异常的剪切波分裂成因时,以下的问题让人们感到困惑:(1)为什么异常大的SKS分裂延时(1.91-2.4s)出现在青藏高原北部Sn波缺失区;(2)为什么分裂延时突变(1.47s和1.09s)出现在Sn波缺失区的边缘;(3)为什么快波极化方向(FPD)与地表大规模的构造走向之间存在约20°-30°的偏差. 本文在综合分析流变学实验和岩石物理学实验研究成果、青藏高原地质和地球物理资料的基础上,提出青藏高原北部地震波各向异性受岩石圈地幔主要矿物的晶格优选方位(LPO)和熔体的定向分布(MPO)的双重控制,并模拟计算了MPO对青藏高原北部岩石圈地幔各向异性强度的贡献. 研究结果表明,由MPO强化的青藏高原北部岩石圈地幔各向异性强度可达10髎,相应的各向异性层厚度平均为94km. 该结果为研究区SKS分裂的成因解释以及造山带深部地质过程的研究提供了新的约束条件.     

上地幔各向异性的反演方法

详细推导了弱各向异性介质的地震波速，在此基础上介绍了用Pn震相研究上地幔各向异性的几种具体算法；推导了用SKS震相和ScS震相反学下地幔各向异性的方法、优缺点及几种方法的相互关系。     

用地震面波研究上地幔各向异性

本文论述了上地幔各向异性的参数描述和主要证据,以及与地球动力学的关系。并就近几年来国外利用地震面波研究上地幔各向异性的重要成果和主要方法作了综合评述。