地球内核及其边界的结构特征和动力学过程

现代地震学展现出了一个复杂的地球内核内部和表面结构.地球内核内部结构的主要特征表现为其地震波速度和衰减呈现各向异性,且各种结构（速度、衰减和各向异性）均呈现东西半球差异,而内核表面的新发现则包括其局部区域存在起伏的地形和固液并存的糊状层.地球内核压缩波速度和衰减均呈现以地球旋转轴为轴的柱对称各向异性,沿地球旋转轴方向传播的压缩波比沿赤道方向传播的压缩波传播更快且衰减更强烈.同时,内核各向异性结构随深度而变化：内核顶部约100~400 km接近各向同性,而在内核最深处300~600 km内则可能存在一个具有不同各向异性特征的内内核.地球内核的东西半球差异表现在多方面：在内核顶部~100 km厚度内,东半球的各向同性速度比西半球快约0.8%,东半球具有较强的衰减（Q=250）,而西半球则具有较弱的衰减（Q=600）;西半球的顶部各向同性层厚度约为100 km,而东半球顶部各向同性层厚度则约为400 km;在各向同性层底下,西半球具有较强的各向异性（~4%）,而东半球则具有较弱的各向异性（~0.7%）.地球内核边界在菲律宾海、黄海、西太平洋以及中美洲下方存在1~14 km高的地形起伏,在鄂霍次克海西南部下方存在4~8 km厚的糊状层.地球内核的这些新发现引发了对许多可能的新物理机制的探讨,也促使我们重新评估我们对外核成分、外核热化学对流、内核凝固过程和地球磁场驱动力的认识.这些结果表明内核凝固过程和地球磁场的热和化学驱动力远比传统观念认为的横向均匀分布复杂得多.内核西半球可能不断凝固并释放潜热和轻元素,而东半球则可能不断熔化并吸收潜热和轻元素,外核对流的驱动力在东西半球可能截然不同,甚至呈现相反方向.这些凝固与熔化交替过程也发生在局部地形起伏区域.在糊状层区域,地球内核凝固释放潜热和化学能,而在大部分无糊状地区,内核凝固只释放潜热.

     

地球重力场的时间变化

目前人们对地球物理、大气现象引起重力场变化的原因及影响还不是十分清楚.地球重力场反映了组成地球全部物质的分布.重力场的变化是由固体地球运动引起的,这种运动与太阳、月亮相互吸引(潮汐)有关.也与由气候变化引起的大气、海洋、极冰盖和地下水变化相互影响有关.这些变化影响地球转动.改变地球卫星轨道.引起海平面变化并且间接地影响全球气候.     

地球内核最上部100km的区域变化

利用距离为118°-140°的PKIKP和PKiKP波形检验了地球内核最上部 100 km的结构。在赤道地带发现的内核最上部低速层的证据主要位于西经20°至东经 140°。在纬度方向,从南纬35°印度洋下面至北纬60°亚洲的下面可以监测到这一异常。用波形模拟方法可以推断该低速层的最大厚度为40 km,此时波速突变约3％。我们认为,该层可能为新近固结的地核区域,在该区域同时存在活跃的外核成分对流和内核新晶体增长。     

地球内核的地震学研究进展

介绍和讨论了用地震学观测资料和方法研究内核所取得的各种不同的最新结果.内核差异旋转的研究结果争论很大,Souriau和宋晓东给出的差异转速值分别为(0±0.2)°/a和(0.15-1.1)°/a.内核上部数百公里厚度的层区内,西半球比东半球各向异性强,即存在明显的半球尺度上的差异.资料和研究表明,在内核浅部似乎是各向同性的,而其余部分是各向异性的,由此需要提出一个过渡带模型来解释内核各向异性的径向和横向变化.通过大量资料分析还发现,在半径约300km的中心区域,其各向异性比浅部更强.这成为"最内核"存在的证据,并从而展示了一个全新的内核结构:上内核、过渡带、下内核、最内核.介质品质因子的研究指出内核高波速区却是波动能量高衰减区,与在地幔中两者的相关规律性很不相同.内核的横波研究虽然更为困难,但也有少数学者做了努力.     

地球内核处于熔融状态

地球的磁场是由液态铁核形成的地磁发电机所产生的,这种液态铁核在上覆层地幔岩石的冷却下导致对流.地核由最里面向外冷却,生成固态的内核和释放轻元素.这些驱动着组分上的对流[1-3].地幔从地核以一定的速率吸收了热量,且吸热速率在空间上存在着很大的横向变化和差异[4].本文利用地磁发电机模拟显示这种横向差异会传递至内核边界,从而足以导致热量流入内核.如果地球内部确实是这样,将导致局部的熔融作用.熔融释放密度较重的液体形成变化的组分层,这一点可由内核上边界向上150 km处的地震波速度异常来解释[5-7].     

地球内核自转的地震学证据

在以往的三十多年间，通过地球内核的地震波走时发生了微小但系统的变化，这种变化可用内核以已知的地震波各向异性对称轴作旋转加以很好解释，所推测的内核自旋速率约１°／年，它比地壳和地慢的日旋转要快得多。     

地球内核的旋转和磁性

地球发电机三维数值模拟说明,地球固内核相对于地幔的超（速）旋转是由内核和液体外核内的东向热风之间的耦合来维持的。这种机制类似于同步电动机的机制,在地球磁场的产生中也起着重要作用。     

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.

     

阿什哈巴德地球动力学试验场的局部重力变化

1965年以来,塔吉克(Tadjik)科学院地震研究所利用GS—12(N182)重力仪,采取重复重力测量在阿什哈巴德地球动力学试验场开展了区域重力变化的研究。1971年以来,又与苏联科学院大地物理研究所联合进行了重力测量。沿着Gaudan剖面布设了7个观测点,这组观测点从北向南穿过Kopetdag前渊断层带。在这个断层带上,利用了十多种地球物理学方法来研究地震构造对地球物理场、水文地质状态、热流值、水氮释放的影响。     

地球内核真的旋转吗？

地球固体内核,一个半径为1220km(地球液体核的1/3)的铁合金球体,吸引着许多科学家在许多领域探索了至少10年。地球内核的一个显著特性是各向异性:地震波沿平行于地球旋转轴方向的传播比沿垂直于地球旋转轴方向的传播快。这种3％     

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（     

地球内核旋转不同的地震学证据

在过去的３０年中，穿过地球内核的地震波的走时显示出虽然小然而却是系统的变化。这种变化通过使已知内核地震各向异性的对称轴产生移动的内核的自转而得到圆满的解释。推断的自转速率每年比地幔和地壳的自转快１°。     

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。     

地球内核平动振荡的地震激发

本文利用球对称、非自转、弹性和各向同性地球模型(SNREI)理论模拟计算了地球内核平动振荡的地震激发.以2004年12月26日苏门答腊大地震为例,讨论震源机制解(标量地震矩、走向、倾角、滑动角和深度)对内核平动振荡振幅激发的影响;基于全球21个Mw8.0级以上的大地震,分别计算10个数据资料较好的超导重力台站理论上可以接收到的内核平动振荡信号的频率域振幅.结果表明标量地震矩对内核平动振荡振幅的影响最大,走向、倾角、滑动角和深度对内核平动振荡振幅也有一定影响,但是影响相对较小;不同区域获得的由大地震引起的内核平动振荡信号的幅度存在显著差异,此结果为频率域多台站加权迭积提供了计算基础.另外,只有武汉台站接收到的2011年日本Tohoku Mw9.1地震激发的内核平动振荡的振幅值达到了地球表面高精度、高灵敏度的超导重力仪检测水平,振幅值为0.0103 nm·s-2.结果说明地震激发的内核平动振荡的信号极其微弱,信号几乎淹没在背景噪声中,必须利用多台站迭积法才有可能将信号提取出来.     

地球内核的另一种转动

生物学家已经发展了一种奇妙的方法对人体内的血液流动进行成像。是否可以用类似的技术来描绘地球最深部的运动呢?Vidale等(2000)已经多少做到了这点。作者通过测量被地球内核中小的非均匀体反散射回来的地震波的时间变化,发现内核每年的转动要比地幔快0.15°。这是对地核转动最新最精确的估计。     

局部透射边界的精度

离散局部透射边界和旁轴近似的精度分析表明,它们所以缺乏透射大角度入射波的能力乃是源于采用单一的透射方向。本文提出将边界节点附近的入射波表示为一系列预定入射角的平面波的叠加以消除这一缺点。在这一思想上建立的局部透射边界能够在全部入射角范围内减小反射。通过模拟稳态SH波动简要地阐明了上述思想及其在建立高精度、稳定的局部透射边界中的意义。     

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.     

重复地震和地球内核的时变性

地球内核是地球最中心的圈层,它的一个很重要的特性是在几年至十年的尺度上存在着明显的时变性.利用重复地震经过内核的波随时间的变化给内核的时变性提供了最有力的且毫无争议的证据.然而时变信号的来源仍有待商榷.一般解释认为与内核的差速旋转有关;另一个解释为内核边界的快速变化.最新的研究表明,内核的时变信号主要来源于内核的内部而非边界.这一新发现排除了内核边界作为时变唯一信号来源的可能性.最简单而合理的解释依然是内核的差速旋转:内核以每年0.05°~0.1°的速率相对于地幔超速旋转,并有变速旋转的可能性,使得内核浅部不均一的横向结构发生位移,重复地震的体波沿着固定路径传播时会采样到不同的内核结构而产生时变信号.这一模型可以解释此前研究观测到的所有时变信号.内核时变现象和其成因的探究对于我们认识地球深部的运行方式,尤其是磁场的运行机制,有着重要的启发意义.