NG：地震各向异性约束下的内核生长模式

地球内部广泛存在地震各向异性，其中地壳与地幔介质各向异性尤为显著(Crampin and Peacock, 2008；Silver, 1996)，而有关地核介质各向异性的研究较为鲜见。地核各向异性对理解内核的生长过程起着重要作用，将有助于理解“地球发电机”的演化模式。

早在三十年前，Poupinet et al.(1983)和Morelli et al.(1986)为解决PKPdf走时残差在赤道方向和极地方向差异性问题，提出了“由于地核介质各向异性的存在使得地震波速与地震波传播方向相关”的观点。这里，地核各向异性的物理机制被解释为：由内核演化使得流场变形引起的铁晶体排列的结果，即变形织构。

然而，基于PKPdf走时测量的早期地震各向异性模型具有恒定的圆柱各向异性，且快轴方向平行于地转轴。随着对内核结构研究的进一步深入，发现内核是由两个各向异性强度不同的类半球构成，其中西类半球(Western Hemisphere - WH)各向异性平均强度约为4.8%，东类半球(Eestern Hemisphere-EH)各向异性平均强度约为1.4%。然而，由于地震事件和台站分布的限制，此前有学者提出的内核各向异性模型在极地区域数据密度有限。为解决这一问题，Frost et al.（2021）提出了基于最新地震分布的PKPab-df和PKPbc-df新的微分走时测量方法(图1)，这一成果发表于Nature Geoscience。

图1 使用极地PKP射线对内核采样（Frost et al., 2021）。（a）此处用于示例源（星形）和接收器（三角形）PKP射线路径分支。PKPdf对内核进行采样，PKPbc和PKPab仍在外核，ξ是内核中PKPdf路径与地球旋转轴间的夹角。（b-d）只有极地路径(ξ<35 )从源到接收器用有效内核速度异常和ξ颜色编码，路径转折点在深度5200-5600km、5600-6000km和6000km到地球中心；共显示了530条极路径。PKPbc–df和PKPab–df射线对的转折点分别用菱形和圆形表示。灰色区域是拟合最好的西半球边界，实线表示东半球边界

研究发现，微分走时异常表示为内核中的有效P波速度异常，对ξ有很强的依赖性（图1a），极地路径上残差可高达9.9s，赤道路径上可达到2s。此外，微分走时异常还取决于射线转折点的经度和深度（图1b-图1d）。通过进一步测试数据发现，有效速度异常随着距离线性增加，即内核中两个半球的转折点半径（图2b），两个半球的距离梯度近似相等，但对西半球较大的异常有偏移。东半球中记录了最大的有效速度异常( 3.5% dlnV)，异常位于约400km、经度 60 W处的射线底部，而不是内核的中心。

图2 PKPbc-df和PKPbc-df走时观测得到的内核有效速度异常作为ξ和震中距离的函数（Frost et al., 2021）。（a）有效速度异常作为ξ的函数显示出半球形模式，这意味着西半球(红色)比东半球(蓝色)更强的各向异性。每个半球拟合方程S1的各向异性曲线显示为实线；（b）对于ξ 15 (a中阴影部分)的数据，在西半球(左)和东半球(右)中，内核速度异常是震中距离和射线底部半径的函数。实线表示在相应半球的距离的函数线性拟合，穿过地球中心(180 )的镜像显示为虚线。移动平均线(菱形线)和标准差以2.5 的距离增量突出了平稳趋势。东半球趋势以蓝色虚线扩展到满足西半球趋势(在400 km半径处)，西半球趋势以红色虚线扩展到超出数据约束的旋转轴

为了解释地震观测结果，作者指出，由于外核泰勒柱对流作用，内核可能在赤道优先生长，从而在圆柱径向上产生更有效的热传递。均衡调整将使扁球形内核从赤道向内流动，向上流向两级。如果存在强密度分层，这种流动将被限制在最顶层；反之，则会在深层引起变形。赤道平面上内核的任何不对称排热都会导致不对称增长，导致生长内核的横向平移，从而减慢净平移。在地震观测结果的帮助下，作者结合赤道优先生长和半球非对称生长的过程，通过计算机模拟了中性分层内核中的流型（图3）。

图3 内核生长、应变和各向异性（Frost et al., 2021）。（a）结合优先赤道生长和非对称生长速率以及边界处内核生长率和内部流动的草图，分别用黑、白箭头表示，期望地形橙色线条表示；（b）从赤道向两级的不对称生长和运动导致了最强变形的横向和垂直平流

为了在内核长轴方向上产生足够的各向异性，作者基于粘塑性自洽模型，测算了在不同内核年龄、平移速率和单晶结构下由地球动力学模型产生的应变场中位错蠕变引起的各向异性，确定六方最密堆积（hexagonally close-packed–hcp）铁镍合金(Fe_93.75Ni_6.25)的塑性变形与锥体平面的滑移形成了具有各向异性的内核，其各向异性程度6.6%(图3d)，与地震数据相拟。与此同时，通过驱动具有一定年龄、平移率和S2值的模型来约束内核的生长历史，并将这些模型的预测各向异性与地震观测进行比较(图4)，作者发现和数据拟合最好的模型是0.4 S2 0.8。在可接受的内核年龄范围，S2=0.6和内核年龄为0.5Ga时，与地震观测和地球动力学约束拟合最好(图4d-图4f)。

图4 5500K和360GPa下，六方最密堆积Fe_93.75Ni_6.25预测的PKP速度异常与观测的PKP速度异常以及内核年龄、S2和平移率之间的权衡（Frost et al., 2021）。（a-c）预测(深蓝色和红色点，灰色方块为平均值)和观测(浅蓝色和橙色点，黑菱形为平均值)有效速度异常作为震中距函数，对于(a)ξ 15 的数据，由b和c的阴影区域标记，并作为图3中内核生长模型的西半球(b)和东半球(c)的函数。空心圆表示沿旋转轴路径的预测有效速度异常。数据的误差棒显示平均值和2.5 (a)和5 增量(b,c)的一个标准差；（d-f）模型相对于内核年龄与S2(d)、S2与平移速率(e)、平移速率与内核年龄(f)之间权衡的数据的方差缩减，灰色圆圈标记待测值，绿圆圈标记最佳拟合参数，对应于模型在a-c和3D空间的采样点。绿线跟踪任意给定y值下的最佳x值。根据地核电导率，阴影区域模型的内核年龄太小

该研究成果可以更好地解析内核中地震各向异性的三维模式，有助于进一步记录内核的不均匀演化历史，为外核动力学的全球尺度模式提供记录。

主要参考文献

Crampin S, Peacock S. A review of the current understanding of seismic shear-wave splitting in the Earth’s crust and common fallacies in interpretation[J]. Wave Motion, 2008, 45(6): 675-722.

Frost D A, Lasbleis M, Chandler B, et al. Dynamic history of the inner core constrained by seismic anisotropy[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 531-535.（原文链接）

Morelli A, Dziewonski A M, Woodhouse J H. Anisotropy of the inner core inferred from PKIKP travel times[J]. Geophysical Research Letters, 1986, 13(13): 1545-1548.

Poupinet G, Pillet R, Souriau A. Possible heterogeneity of the Earth's core deduced from PKIKP travel times[J]. Nature, 1983, 305(5931): 204-206.

Silver P G. Seismic anisotropy beneath the continents: Probing the depths of geology[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1996, 24(1): 385-432.

（撰稿：赵新爱，吴晶/岩石圈室）

美编：傅士旭

校对：张腾飞 姜雪蛟