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(ξξ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(Fe93.75Ni6.25)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Fe93.75Ni6.25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
四方6人交易方案!戈登辅佐大帝,本西加盟老鹰,火箭获潜力新星据美媒记者爆料,火箭队可能寻求与76人老鹰和雷霆进行一笔四方交易方案,具体的内容是,火箭队得到杰伦约翰逊和加里纳利,76人队得到了戈登雷迪什雷霆队提供的2022年首轮选秀权以及20
3消息!利拉德拒绝加盟湖人,曝湖人1换1交易状元方案,克莱喜讯大家好,我们今天来聊聊NBA,为大家分享几则消息。首先,利拉德拒绝加盟湖人队。据媒体爆料,湖人队在今年夏天评估过引进利拉德的可能性。利拉德在接受媒体采访表示,詹姆斯今年夏天对其进行
58岁叶童路边吃快餐,身形消瘦面容苍老,结婚33年膝下无子1993年,一部由神话传说改编的电视剧新白娘子传奇一开播就火爆全国,深受大家喜欢,后来和西游记一样,成为我们儿时暑期必看。同时,这部剧也让剧中的主演赵雅芝叶童陈美琪事业登顶,后来,
同样是和华为合作,赛力斯和极狐有哪些异同?极狐阿尔法,金康赛力斯,这两个名字可能听上去有些陌生又有些相似的气息,可是他们的上家母公司都是非常的有名气有实力,那么,两者的异同点在哪里呢?首先,两者的出身有一定的类似,都是从一
全球经济会走向滞涨吗?警惕滞胀小概率事件中的宏观风险文熊婉婷发于2021。11。8总第1019期中国新闻周刊新冠疫情冲击以来,各国通胀压力普遍加剧,全球经济不均衡复苏。部分国家的经济产出还没有恢复至疫情
你为什么老无所依?说穿了,有人真命苦,有人遭报应原创万红云原创作品,抄袭必究红云导语不怕少年苦,就怕老来穷。历史是今朝的镜子,你的后半生是前半生的镜子。不怕少年苦,就怕老来穷。是啊,年少之时该吃苦之时不去吃苦,却享受着安逸的日子
陈春花美好很近,路亦不远导读伫立在坝上,仿佛可以听到猎手驰骋的蹄声阵阵,可以感受到英雄扼腕奋臂抚胸欲狂的激昂。虽然烽烟已过,蹄声轻柔,但是,这一马平川的驰骋,却在胸怀中内心中梦境里。我们10个人开始从北京
圣殿骑士团背后的神秘主义与历史阴谋论(图片来源图虫网)高林文流畅的文字配上丰富的插图让詹姆斯沃瑟曼的圣殿骑士团兴起巅峰与落幕拿在手中更像是一本精巧画册,全书从十字军收复耶路撒冷到菲利普四世把最后的骑士团大首领绑上火刑
烧死50万日本人的李梅我根本不在乎在我的指挥下杀死多少日本人东京,1945年3月10日凌晨,习惯了美军空袭,并且对战争所带来的灾难,早就已经麻木了的市民们正进入梦乡时,一场巨大的灾难正向他们逼近火攻东京恐怖残忍的李梅烧烤3月10日0时15分
为何蜀汉最早被灭?刘备不应该让诸葛亮太早出山三国时期蜀国主君刘备,听了水镜先生司马徽的建议后,处心积虑地想得到卧龙诸葛亮,经过三顾茅庐后,成功将人请出山并雄据一方。诸葛亮很早就成为刘备的谋士,甚至帮忙建立蜀汉,却是三国中最早
美苏航天争霸的那些事儿(五)登月在发射人造地球卫星以及载人航天这两个具有里程碑意义的节点上面,美国都被苏联抢了先。民众对于国家航天计划的落后越来越不安,因为在那个年代航天直接关系着国家安全。1960年年底,约翰肯