由地震簡(jiǎn)正模式觀(guān)測(cè)得到的內(nèi)核各向異性區(qū)域變化＊

由地震簡(jiǎn)正模式觀(guān)測(cè)得到的內(nèi)核各向異性區(qū)域變化＊

Arwen Deuss1），Jessica C E Irving1），John H Woodhouse2）
1）Department of Earth Sciences，University of Cambridge，Cambridge CB3 0EZ，UK
2）Department of Earth Sciences，University of Oxford，Oxford OX1 3PR，UK

地球的固體內(nèi)核被對(duì)流的液體外核包圍，由此創(chuàng)建了驅(qū)動(dòng)地球磁場(chǎng)的地核發(fā)電機(jī)。用壓縮體波研究地震顯示出內(nèi)核各向異性結(jié)構(gòu)的半球性變化，但由于受地震和接收器分布狀況所限，這一結(jié)論還不夠充分。本文中，利用大地震的簡(jiǎn)正模式分裂函數(shù)測(cè)定結(jié)果，并基于擴(kuò)展交叉耦合理論，我們觀(guān)測(cè)到了區(qū)域變化和內(nèi)核中東、西兩半球的各向異性。這一模式與地球磁場(chǎng)的相似性說(shuō)明在固化或組構(gòu)演變過(guò)程中由Maxwell應(yīng)力引起的晶體排列的凝入是產(chǎn)生各向異性的根源。這些觀(guān)測(cè)結(jié)果限制了內(nèi)核超速旋轉(zhuǎn)的總量，但與振蕩相符。

由于地球持續(xù)冷卻，其液體外核的固化使得內(nèi)核增大［1］。固化導(dǎo)致輕元素和潛熱的釋放，從而使地核發(fā)電機(jī)產(chǎn)生磁場(chǎng)［2］。磁場(chǎng)和地核發(fā)電機(jī)的詳細(xì)情況取決于內(nèi)核的存在及構(gòu)造，而內(nèi)核可以直接通過(guò)地震數(shù)據(jù)來(lái)研究。地震觀(guān)測(cè)證實(shí)，內(nèi)核是各向異性的［3－4］，而且可能比地幔旋轉(zhuǎn)得快［5］。

最近的地震學(xué)研究顯示出各向異性的半球性變化的存在——西半球的各向異性顯得比東半球強(qiáng)［6］，這可能與核－幔邊界區(qū)的熱變化和磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)［7］。但目前為止，內(nèi)核各向異性的半球性變化只見(jiàn)于壓縮體波中［6，8］，由于臺(tái)站和地震分布不均勻，壓縮體波的取樣僅局限于地核的少數(shù)幾個(gè)區(qū)域。這些潛在的偏差限制了它們?cè)趦?nèi)核結(jié)構(gòu)與地磁場(chǎng)和熱結(jié)構(gòu)比較中的應(yīng)用。半球性變化也許是復(fù)雜的橫向變化結(jié)構(gòu)的過(guò)于簡(jiǎn)單化的解釋?zhuān)椅覀冞€不清楚剪切波中是否也存在這種現(xiàn)象。

簡(jiǎn)正模式——頻率較低部分的整個(gè)地球振蕩（＜10mHz）——具有全球覆蓋和內(nèi)核各向異性半球變化的穩(wěn)健的辨識(shí)潛力。然而，由于缺乏恰當(dāng)?shù)睦碚?，所以無(wú)法使用該方法對(duì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和區(qū)域變化進(jìn)行分辨。自耦合被稱(chēng)為研究簡(jiǎn)正模式最簡(jiǎn)單的理論，該理論假定每一種模式都是孤立的［9］。之前所有簡(jiǎn)正模式研究都應(yīng)用了自耦合理論，而且只對(duì)地球旋轉(zhuǎn)軸附近呈對(duì)稱(chēng)性的內(nèi)核各向異性進(jìn)行探索［4，10－12］。為了觀(guān)測(cè)半球性（非對(duì)稱(chēng)性）變化，將模式對(duì)之間的交叉耦合考慮在內(nèi)顯得至關(guān)重要①由于對(duì)稱(chēng)原因，自耦合僅對(duì)偶數(shù)度結(jié)構(gòu)敏感。半球?qū)儆谄鏀?shù)度結(jié)構(gòu)，所以需要交叉耦合。。當(dāng)頻譜中兩個(gè)或兩個(gè)以上簡(jiǎn)正模式非常接近并開(kāi)始產(chǎn)生共振時(shí)，交叉耦合顯得尤為重要［13］。最近我們擴(kuò)展了簡(jiǎn)正模式理論［14］，以將內(nèi)核各向異性的半球性變化包含在內(nèi)，并將該理論應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)的觀(guān)測(cè)中［15］。在此，我們提供了由1976—2009年間90多次大地震（矩震級(jí)＞7.5）的簡(jiǎn)正模式頻譜測(cè)得的簡(jiǎn)正模式分裂函數(shù)，以觀(guān)測(cè)半球各向異性，并利用模型預(yù)測(cè)對(duì)這些觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋①輔助資料和方法見(jiàn)“Science Online”。。球型簡(jiǎn)正模式用nSl表示，其中，n是諧波數(shù)量，l是角階數(shù)。

簡(jiǎn)正模式16S5與受限的內(nèi)核模式17S4產(chǎn)生強(qiáng)烈的交叉耦合。16S5的自耦合分裂函數(shù)測(cè)定結(jié)果（圖1a）證實(shí)了之前明顯呈帶狀對(duì)稱(chēng)格局（即經(jīng)度是常數(shù)）的測(cè)量結(jié)果的正確性［12，16］，這些條帶或穿越極地或沿赤道分布。這種特征模式揭示出非均勻性地幔結(jié)構(gòu)（圖1b）和柱狀內(nèi)核各向異性的存在［12］，因?yàn)橹挥?jì)算地幔結(jié)構(gòu)還不能解釋極地異常。而在美洲和東亞地區(qū)下方可觀(guān)測(cè)到俯沖帶弱異常（圖1c）。

觀(guān)測(cè)到的16S5與內(nèi)核受限模式17SJ4之間的交叉耦合分裂函數(shù)顯示出橫越非洲的符號(hào)反對(duì)稱(chēng)翻轉(zhuǎn)（圖1d）。運(yùn)用我們先前提出的理論［14］，僅對(duì)西半球的內(nèi)核各向異性模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明這種翻轉(zhuǎn)可以用內(nèi)核各向異性的強(qiáng)烈的半球性變化來(lái)解釋。西半球極地周?chē)呢?fù)分裂函數(shù)異常是由當(dāng)?shù)馗飨虍愋栽龃笠鸬?，東半球極地的正分裂函數(shù)異常則是由局地各向異性減弱引起的（圖1e）。如果從預(yù)測(cè)中除去半球性?xún)?nèi)核各向異性，留下的只有地幔結(jié)構(gòu)（圖1f），那么這種模式則完全消失，說(shuō)明這一成對(duì)模式對(duì)內(nèi)核結(jié)構(gòu)非常敏感。

一系列測(cè)試②加上半球結(jié)構(gòu)會(huì)改善數(shù)據(jù)失配狀況，說(shuō)明數(shù)據(jù)需要這種結(jié)構(gòu)。我們還發(fā)現(xiàn)符號(hào)翻轉(zhuǎn)不依賴(lài)于反演中的初始模型，那里似乎沒(méi)有強(qiáng)加的先驗(yàn)邊界。（包括用交叉驗(yàn)證來(lái)確定我們的測(cè)定結(jié)果中的誤差邊界）表明，我們的觀(guān)測(cè)結(jié)果是穩(wěn)健的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，內(nèi)核半球結(jié)構(gòu)的強(qiáng)交叉耦合出現(xiàn)在簡(jiǎn)正模式對(duì)中，其中一種模式只是內(nèi)核的振動(dòng)，即所謂的內(nèi)核受限模式。內(nèi)核受限模式對(duì)外核、地幔、地殼都不敏感，并且只在內(nèi)核結(jié)構(gòu)中才與另一模式產(chǎn)生交叉耦合。以前的研究表明，內(nèi)核各向異性的簡(jiǎn)正模式觀(guān)測(cè)結(jié)果可能起因于外核結(jié)構(gòu)［17］，或者說(shuō)，壓縮波中觀(guān)測(cè)到的半球性變化可能源于核幔邊界區(qū)的異常結(jié)構(gòu)。通過(guò)利用僅對(duì)半球性?xún)?nèi)核結(jié)構(gòu)敏感的模式對(duì)，我們發(fā)現(xiàn)任何觀(guān)測(cè)結(jié)構(gòu)其實(shí)都源自?xún)?nèi)核，這為內(nèi)核各向異性的存在提供了證據(jù)。值得指出的是，這里觀(guān)測(cè)的簡(jiǎn)正模式主要對(duì)內(nèi)核的剪切波結(jié)構(gòu)敏感，說(shuō)明區(qū)域各向異性變化不僅可以在壓縮波中觀(guān)測(cè)到，而且還可以在剪切波速度中觀(guān)測(cè)到。

在其交叉耦合分裂函數(shù)中，另有幾對(duì)交叉耦合模式也說(shuō)明反對(duì)稱(chēng)性特征變化橫越整個(gè)非洲（圖2）。8S5－5SJ10模式對(duì)（圖2a）也是內(nèi)核受限模式與觀(guān)測(cè)模式的結(jié)合。與預(yù)測(cè)模型對(duì)比，可以看出西半球極地附近交替出現(xiàn)的負(fù)分裂函數(shù)異常模式起因于各向異性的增強(qiáng)；東半球相反極性的異常起因于各向異性的減弱；觀(guān)測(cè)模式與預(yù)測(cè)模式非常相似。14S4－11S7模式對(duì)中的兩個(gè)組分模式（圖2b）都可在地表觀(guān)測(cè)到，并且二者都對(duì)地幔和地核結(jié)構(gòu)很敏感。14S4－11S7的交叉耦合分裂函數(shù)是地幔和地核結(jié)構(gòu)的組合，顯示出比目前的內(nèi)核各向異性模型預(yù)測(cè)的更加強(qiáng)烈的反對(duì)稱(chēng)分裂。對(duì)于這一模式對(duì)，預(yù)測(cè)證實(shí)了西半球各向異性的增強(qiáng)表現(xiàn)為正分裂函數(shù)異常。

PKPbc－PKIKP和PKPab－PKIKP短周期走時(shí)殘差使我們可以對(duì)分裂函數(shù)與體波觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)利用在地幔和外核路徑相似而在內(nèi)核則路徑不同的波組來(lái)揭示內(nèi)核結(jié)構(gòu)。PKIKP是從地幔傳播到外核再到內(nèi)核然后返回地球表面的壓縮波。PKPbc和PKPab是只經(jīng)過(guò)地幔和外核的壓縮波的分支。與之前的研究結(jié)果一致［6］，極地路徑在西半球顯示出大的正走時(shí)異常，而在東半球則顯示出較小的走時(shí)異常（圖3）。這些異常證實(shí)了這樣一種常規(guī)解釋?zhuān)磧?nèi)核各向異性與西半球中的南－北軸一致，而在東半球則較弱。利用模型空間搜索揭示的位于14°E，151°W的東、西半球之間的邊界即為交叉耦合的半球內(nèi)核各向異性預(yù)測(cè)的邊界（圖1e）。

圖1 觀(guān)測(cè)的和預(yù)測(cè)的模式對(duì)16S5和的分裂函數(shù)。（a）利用自耦合觀(guān)測(cè)的16S5的分裂函數(shù)，顯示出典型的帶狀分裂。（b）預(yù)測(cè)的地幔模型和內(nèi)核柱狀各向異性模型的自耦合分裂函數(shù)［12］。（c）預(yù)測(cè)的地幔模型S20RTS的自耦合分裂函數(shù)［18］。（d）觀(guān)測(cè)的交叉耦合分裂函數(shù)，顯示出反對(duì)稱(chēng)分裂，其符號(hào)在非洲發(fā)生了改變。（e）預(yù)測(cè)的在半球邊界151°W和14°E之間的各向異性的交叉耦合分裂函數(shù)。（f）預(yù)測(cè)的地幔結(jié)構(gòu)的交叉耦合分裂函數(shù)。粗線(xiàn)表示根據(jù)體波數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)的半球邊界（圖3）。S是觀(guān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)的角階數(shù)

利用PKIKP波觀(guān)測(cè)到的最強(qiáng)的各向異性出現(xiàn)在西半球的美洲下方。這些觀(guān)測(cè)結(jié)果是基于南桑威奇群島（South Sandwich Islands）的地震和阿拉斯加的臺(tái)站；通過(guò)極地路徑對(duì)其他地區(qū)的取樣要稀疏得多。這一區(qū)域與我們?cè)诮徊骜詈稀⒑?jiǎn)正模式分裂函數(shù)的獨(dú)立觀(guān)測(cè)結(jié)果中的強(qiáng)各向異性區(qū)域非常吻合（圖1d，圖2）。簡(jiǎn)正模式也顯示出各向異性最弱的區(qū)域位于東亞下方，這是一個(gè)沒(méi)有被PKIKP路徑充分覆蓋的地區(qū)。

圖2 觀(guān)測(cè)的模式對(duì)（a）8S5－和（b）14S4－11S7的交叉耦合分裂函數(shù)

圖3 PKPbc－PKIKP和PKPab－PKIKP極地路徑走時(shí)殘差的體波觀(guān)測(cè)結(jié)果。大的正殘差（紅色三角）表示各向異性，主要出現(xiàn)在西半球，而東半球的殘差要小得多（藍(lán)色三角），未能顯示出內(nèi)核各向異性的證據(jù)。粗線(xiàn)代表模型空間搜索得到的半球邊界。細(xì)線(xiàn)是PKIKP波穿過(guò)內(nèi)核的路徑。內(nèi)核中許多區(qū)域的采樣率都不高，尤其是亞洲的北半球部分和太平洋中部地區(qū)

仔細(xì)審視觀(guān)測(cè)得到的分裂函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)PKIKP觀(guān)測(cè)結(jié)果中除了簡(jiǎn)單的東、西半球的差異以外，還存在區(qū)域變化。簡(jiǎn)單半球的分裂函數(shù)預(yù)測(cè)在整個(gè)非洲是反對(duì)稱(chēng)性的（圖1e），而觀(guān)測(cè)結(jié)果表明在各向異性最強(qiáng)和最弱的狹窄區(qū)域之間則存在大范圍的過(guò)渡區(qū)域。在非洲，觀(guān)測(cè)結(jié)果還顯示半球邊界的兩側(cè)均可存在強(qiáng)度變化區(qū)［19］。例如，8S5－（圖2a）顯示出在非洲南部下方和太平洋中部另有一個(gè)負(fù)頻率區(qū)。馬達(dá)加斯加下方的16S5－中（圖1d）也可以看到類(lèi)似特征。

內(nèi)核各向異性要么源于固化過(guò)程中晶體排列的凝入［7，20］，要么源于熱對(duì)流［21］和各向異性增強(qiáng)［22］引起的固化之后的變形組構(gòu)演化，也可能源于磁場(chǎng)的Maxwell應(yīng)力［2324］。本文報(bào)道的觀(guān)測(cè)結(jié)果使我們可以對(duì)平均磁場(chǎng)模型［25－27］（圖4）與利用地震數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)到的半球性變化進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)這些假說(shuō)的正確性。核－幔邊界處的磁場(chǎng)的徑向分量受控于偶極子分量（圖4a）。非偶極子分量顯示出4個(gè)集中的通量塊，兩個(gè)在西半球，兩個(gè)在東半球（圖4b）。這些磁通量塊的位置與橫跨美洲的最強(qiáng)各向異性區(qū)和橫跨東亞的最弱各向異性區(qū)相吻合（將圖1d和圖4b進(jìn)行比較）。東半球的兩個(gè)通量塊較強(qiáng)，并且與此半球中的最弱各向異性有關(guān)。在非洲和太平洋地區(qū)都可以看到弱磁場(chǎng)區(qū)，與簡(jiǎn)正模式觀(guān)測(cè)結(jié)果中的強(qiáng)、弱各向異性之間的過(guò)渡區(qū)吻合。

圖4 觀(guān)測(cè)得到的過(guò)去500萬(wàn)年的CMB地磁場(chǎng)的平均徑向分量［25］。（a）總磁場(chǎng)主要受控于偶極子分量，非偶極子磁場(chǎng)也包含在內(nèi)。（b）磁場(chǎng)的非偶極子分量顯示出4個(gè)增大的負(fù)通量塊。這些通量塊也見(jiàn)于現(xiàn)在的磁場(chǎng)中，與地震各向異性的最大半球性變化的位置吻合（圖1d、2a、2b）

徑向磁場(chǎng)中區(qū)域通量集中與地震各向異性強(qiáng)度在位置上的相似性說(shuō)明二者有著共同的起源，并排除了由熱對(duì)流［24］或各向異性增大［25］引起形變的可能性。磁通量塊是由核－幔邊界的溫度變化產(chǎn)生的，它們?cè)诰植繌牡睾酥刑崛』蚨嗷蛏俚臒崃?，從而使外核?duì)流中的上升流和下降流向一起聚攏［28］。然后，復(fù)雜的對(duì)流模式在內(nèi)核邊界凝固期間會(huì)對(duì)可變排列產(chǎn)生影響［7］。問(wèn)題在于，在地球的歷史中通量塊保持穩(wěn)定的時(shí)間是否夠長(zhǎng)，足以在內(nèi)核的下部產(chǎn)生半球性差異，但這種深部的各向異性可能產(chǎn)生于固化之后，而固化則源于Maxwell應(yīng)力引起的組構(gòu)演變［2324］。所以，地震各向異性的半球性變化對(duì)于解釋過(guò)去的磁場(chǎng)可能會(huì)有所幫助。

內(nèi)核每年0.1°的超速旋轉(zhuǎn)［5］達(dá)到固結(jié)期間或固結(jié)后組構(gòu)演變引起的半球性變化的平均水平。我們發(fā)現(xiàn)，弱各向異性和強(qiáng)各向異性區(qū)并沒(méi)有覆蓋整個(gè)半球，而是些很狹窄的區(qū)域，它們被大規(guī)模的過(guò)渡區(qū)域分離開(kāi)來(lái)。也許這也可以用內(nèi)核震蕩來(lái)解釋?zhuān)瑑?nèi)核震蕩使兩個(gè)半球間的邊界模糊不清。

（注：原圖均為彩圖）

譯自：Science，21May，2010Vol.328，1 018－1 020

原題：Regional variation of inner core anisotropy from seismic normal mode observations

（中國(guó)地震局地球物理研究所研究生 洪啟宇譯；左玉玲 校）

（譯者電子信箱，洪啟宇：iamhhnn＠126.com）

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