中国科大和中科院测地所的科研人员与国际同行开展合作，首次发现了非对称路径660千米间断面散射波震相，揭示了地幔410及660千米间断面的小尺度起伏特征，为地幔对流模式研究提供关键证据，研究成果以Report形式在2019年2月15日出版的国际权威期刊《科学》（Science）上发表，文章题为Inferring Earth's discontinuous chemical layeringfrom the 660-kilometer boundary topography。

该团队基于温度及化学成分对地幔间断面各种横向尺度起伏的不同控制作用，对地幔间断面的成因及地幔对流模式开展研究。温度异常及化学异常均可造成大尺度（1000千米）和中等尺度（100千米）的间断面起伏。但是，间断面的小尺度（10千米）起伏，难以利用温度异常解释，而是主要反映了化学成分的变化。学者们对地幔间断面的大中尺度起伏特征已经有了深入的认识，但是其小尺度起伏特征尚未见报道，也因此难以判定410/660千米间断面的成因。在大中尺度的间断面起伏研究中，P波、S波及其转换波或多次波等体波震相发挥了重要作用，但是由于这些体波的菲涅尔区较大，难以约束间断面小尺度起伏特征。论文第一作者吴文波在中国科大地空学院求学期间，在导师倪四道（中科院测地所研究员，中国科大兼职教授）指导下，聚焦于地球内部界面起伏探测方法的研究，提出了非对称路径背向散射PKP波约束间断面小尺度起伏的新方法。基于该方法，研究了非对称路径散射波P′surfP′震相，据此估算的地表起伏及地壳浅部散射体强度与已有的结果一致，表明了该方法的有效性( Wu et al, 2012, GRL)。此后的数年间，测地所倪四道团队搜集了全球密集台阵记录到的深震波形，开展了慢度、偏振、到时、包络形态等多震相特征分析，计算了一系列理论散射地震图、并与实测地震波形对比，发现了660千米界面小尺度起伏导致的前驱散射波（P′•660•P′），而且该信号强度存在区域差异。然而，对应于410千米界面的前驱散射波没有被观测到，表明该界面比较平滑。该研究以PKiKP、PKKKP等体波作为参考震相，估计了660千米间断面小尺度起伏的幅度，估计其功率谱系数C2D量级为10-1000米，远大于地表的小尺度起伏（C2D为米级），表明660千米间断面小尺度起伏远比地表的更剧烈。基于地震学的观测与分析，该团队提出410千米界面主要成因为相变； 但是660千米界面则不完全为相变面，在一些区域还应该是化学分界面，在其它区域化学分层不明显。这项发现难以用全地幔对流或分层对流模式解释，而支持地幔混合对流模式。该文章还建议，开展地球动力学、地震学、地球化学等多学科交叉合作，有助于定量研究上下地幔物质交换的效率，从而进一步深化对地球动力学的理解。国际著名学者Christine Houser在《科学》（Science）同期Perspective栏目撰文评述道：“该项研究成果可以帮助回答地球演化的根本性问题（The results may help to answer fundamental questions about Earth’s evolution）。”

图1  地幔间断面不同尺度的起伏分别反映了温度及化学成因。利用非对称路径背向散射高频PKP波(P′•d•P′)可约束地幔间断面的小尺度起伏程度。

此项研究得到了中国科学院战略先导性专项、国家973项目以及国家自然科学基金项目的资助。“全院办校、所系结合”的办学方针为该研究的顺利开展提供了坚实的保障机制。

参考文献：

1. Wu, W., S. Ni*, and J. Irving (2019), Inferring Earth's discontinuouschemical layering from the660-kilometer boundary topography, Science, 363(6428), 736-740 (链接：http://science.sciencemag.org/content/363/6428/736)

2. Wu, W., S. Ni*, and X. Zeng (2012), Evidence for P′P′ asymmetrical scattering at near podal distances, Geophys. Res. Lett., 39, L11306, doi:10.1029/2012GL052179

来源：地球和空间科学学院