科学家首次获得地球深部超低速带的高分辨率影像

2022年5月19日，由英国剑桥大学领衔的团队在Nature Communications发文《夏威夷附近核-幔边界上的千米尺度结构》（Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii），宣布首次获得地球深部超低速带的高分辨率影像，为揭示地球核-幔边界区域的结构特征提供了新见解。

科学家借助地震产生的地震波来研究地球内部的结构。由于地震波在通过地球深部核-幔边界区域时速度变得异常缓慢，所以该区域被称之为“超低速带”（ULVZ）。ULVZ是形成地球内部热流循环并导致板块运动的关键区域，是破解地球深部复杂结构特征及地壳运动机理的关键所在。一直以来，由于受到ULVZ地震影像分辨率的限制，对于ULVZ结构特征的研究始终无法取得实质性突破。

研究人员选择全球主要ULVZ之一的夏威夷地下超低速带为研究目标，利用最新的数值模拟方法，首次获得了该区域高分辨率影像，成功揭示出核-地幔边界处千米尺度结构特征。研究人员利用沿核-幔边界衍射的地震横波，测量了夏威夷地幔柱底部的ULVZ以前所未有的罕见高频率核衍射信号。与低频信号相比，这种信号在较高频率下显示出了明显更长的时间延迟，表明ULVZ内部存在明显的内部变异性。研究结果显示，在夏威夷下方的超低速带底部，地震波传播速度下降了40%。这支持了现有的观点即该区域比周围的岩石含有更多的铁，这意味着其密度更大，地震波传播速度更慢。同时，利用3D波形建模最新计算方法获得的计算结果表明，能够在千米尺度上对这种高频信号进行建模，并确定高分辨率的ULVZ结构。这是科学家第一次获得ULVZ结构的高分辨率影像。该新的研究结果证实，在向核-幔边界方向，随着铁含量的增加，有一个化学特征不同的ULVZ，这对于认识地球的早期进化史和核-幔相互作用具有重要意义。

研究人员称，该研究成果是深地地震学的一个真正的里程碑。该研究所获得的地球深部超低速带的高分辨率影像，不仅有助于认识夏威夷火山岛链形成机制，而且为从地表准确确定核-幔边界的位置提供了新的思路。研究人员计划获取全球其他核-幔边界区域的高分辨率影像，并最终绘制出跨越核-幔边界的地质景观，进而了解其与地球动力学及其演化的关系。

转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《地球科学动态监测快报》2022年第11期，张树良 编译。