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％     

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（     

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°。     

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.     

地球内核边界的局部时间变化

一个地震对(1993年12月1日和2003年9月6日发生在南桑德威奇群岛的2次地震)的压缩波,由俄罗斯和吉尔吉斯斯坦的3个台记录,由地球内核边界反射,2003年地震时比1993年地震时至少早到达了39～70ms。这一变化表明,在这2次事件之间,非洲中部之下的地球内核半径局部扩大了0.98～1.75km。内核半径的变化或可由假定内核边界存在不规则性并在内核是固定不变的情况下内核的差速运动,或者内核以这种量值快速增长来解释。     

地震预报试验的另一种方案

现代地震预报试验要研究潜在大地震之前的地震活动特征，有证据表明，孤立震群中比较小的典型事件可能具有前兆意义，这种前兆性活动与更为复杂的地震活动区内大得多的地震之前的前兆特征相似。孤立震群中的这种典型事件有时候以短至几天的重复时间，在相似地点以相似的震级频繁地重复发生。作者认为，监测孤立震群中的这种典型事件可能是获得前兆活动的经验的一种有效途径，并对研究大地震前兆来说将具有指导意义。     

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.     

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.

     

地球内核快速旋转的发现及其动力学意义

地球内核快速自转的发现,证实了地球圈层差异旋转理论,其动力学意义在于：（１）旋转系统有不同于非旋转系统的物质运动方式和能量转换方式;（２）圈层有序差异旋转与无序差异放置的交替是地磁反向的原因。     

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。     

内核地球自转动力学理论的研究进展(Ⅳ)——内核自转动力学方程

本文是序列文章的第四篇,其内容包括：基于连续介质力学的基本理论,给出了固体外核（SIC）自转的动力学方程,考虑了地球的自引力、液核对内核边界的压力和二阶外部引潮力位对SIC自转的影响,并在O(mε)的量级上给出了其实用的表达式.本文的理论推导更加严密和细致,改正了文献〔1〕在推导过程中的某些错误（例如：（B39）、（B44）和（B59c）式）.本文的工作是对文献〔1〕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.     

有机宝石:生命的另一种升华

正天然有机宝石由自然界生物生成,部分或全部由有机物质组成,可用于首饰及饰品的材料。譬如,珍珠(含养殖珍珠)、珊瑚、砗磲和琥珀(含蜜蜡)有"四大有机宝石"之称。有机宝石通常与生物过程有关,有生物型和化石型之分。有"宝石皇后"之称的珍珠和"海底玉树"之称的珊瑚就是珍稀的现生生物;而色彩缤纷的彩斑菊石、欧泊化箭石和螺、玉化砗磲和猛犸象牙则是远古生命的升华。