• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

重复地震和地球内核的时变性

杨翼 宋晓东

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重复地震和地球内核的时变性

Repeating earthquakes and temporal changes of the Earth's inner core

    Corresponding author: Song Xiaodong, xdsong@pku.edu.cn
  • CLC number: P313

  • 摘要: 地球内核是地球最中心的圈层,它的一个很重要的特性是在几年至十年的尺度上存在着明显的时变性. 利用重复地震经过内核的波随时间的变化给内核的时变性提供了最有力的且毫无争议的证据. 然而时变信号的来源仍有待商榷. 一般解释认为与内核的差速旋转有关;另一个解释为内核边界的快速变化. 最新的研究表明,内核的时变信号主要来源于内核的内部而非边界. 这一新发现排除了内核边界作为时变唯一信号来源的可能性. 最简单而合理的解释依然是内核的差速旋转:内核以每年0.05°~0.1°的速率相对于地幔超速旋转,并有变速旋转的可能性,使得内核浅部不均一的横向结构发生位移,重复地震的体波沿着固定路径传播时会采样到不同的内核结构而产生时变信号. 这一模型可以解释此前研究观测到的所有时变信号. 内核时变现象和其成因的探究对于我们认识地球深部的运行方式,尤其是磁场的运行机制,有着重要的启发意义.
  • 图 1  穿透地核的地震波的射线路径和走时曲线. (a)震源(红色五角星)产生的信号分别被距离135°和150°的两个台站(蓝色三角形)接收(修改自Yang and Song, 2020b). 内核的PKP波穿透内核(标注为IC)的路径称为DF,在内核边界反射的称为CD,从外核(标注为OC)底部通过的路径称为BC,外核中部通过的路径称为AB. SKP是在震源产生的横波(S)经过核幔边界转化为纵波(外核K;回到地幔P)的震相. (b)PKP波的走时曲线(震源深度在50 km)

    Figure 1.  Raypaths and travel time curves of core phases. (a) Raypaths from an example event (red star) at 0° to two stations (blue triangles) at 135° and 150° (modified from Yang and Song, 2020b). PKP waves include DF branch sampling the inner core (labeled as IC), BC branch sampling the bottom of the outer core (labeled as OC), AB branch sampling the middle of the outer core, and CD branch reflected from the inner core boundary. SKP wave takes off as shear wave (S) and converted to compressional wave at the core-mantle boundary (K in the outer core and P back to the mantle). (b) PKP travel time curves (source depth at 50 km)

    图 2  重复地震的相似波形和其内核透射波DF时变现象的例子(修改自Yang and Song, 2020a). (a)显示1995年和2011年的一对重复地震的P波及后续波和尾波在LPAZ台站(震中距18°)的记录几乎一致,利用互相关对齐并振幅归一化之后近乎重叠. (b)类似于图(a),显示了PKP波在CHKZ台站的记录,可见外核的BC和AB震相几乎一样;而对于内核的DF震相,2011年的信号比1995年的早到了约0.13 s,并且波形也出现了变化

    Figure 2.  Example of highly similar waveforms and temporal changes of DF from repeating earthquakes (modified from Yang and Song, 2020a). (a) Nearly identical wavefroms from a pair of repeating earthquakes in 1995 and 2011 to station LPAZ (distance 18°). They are aligned with cross-correlation and normalized by their peak amplitudes. (b) Similar to (a), but time-varying DF waveforms recorded by station CHKZ. The outer-core phases BC and AB remain similar, but the inner-core phase DF in 2011 arrives 0.13 s earlier and shows different waveforms compared to that in 1995

    图 3  中高强度重复地震分布和内核时变路径汇总图. 图中的曲线代表从重复地震(红色五角星)到地震台站、局域台网、或者区域台阵(蓝色三角形)并检测出内核时变信号的路径(Zhang et al., 2005; Wen, 2006; Cao et al., 2007; Song and Dai, 2008; Zhang et al., 2008; Yao et al., 2015, 2019; Yang and Song, 2020a, 2020b). 曲线中的黑色加粗段代表DF波在内核中的传播路径. 为了让此图更清晰易读,同一个地区的只选取了一个代表性的台站,包括阿拉斯加,哈萨克斯坦KZ台网,吉尔吉斯坦KN台网等. 灰色三角形代表Yang和Song(2020a)系统性地搜索出的全球的中高强度(震级5~6)的重复地震

    Figure 3.  Compilation of paths with temporal changes of the inner core from strong repeating earthuakes. The dark lines represent surface projections of raypaths from repeating earthquakes (red stars) to receivers (stations, arrays, and regional networks) reported by previous studies (Zhang et al., 2005; Wen,2006Cao et al., 2007; Song and Dai, 2008; Zhang et al., 2008; Yao et al., 2015, 2019; Yang and Song, 2020a, 2020b). The black bold parts of the lines indicate the wave legs traversing the inner core. In the same region (e.g., Alaska, KZ network in Kazakhstan, KN network in Kyrgyzstan), only one representative station is plotted out to avoid overcrowding. Gray stars denote all strong repeating earthquakes (magnitude 5~6) searched out by Yang and Song (2020a)

    图 4  内核时变信号来源的分析(修改自Yang and Song, 2020b). 图中数据来源于15组重复地震(12组全球分布的高质量重复地震和3组SSI地区的质量略差的重复地震). 图中ddt代表一对重复地震的两个震相的双差到时(Song and Dai, 2008),定义为ddt(AB)=dt(A)−dt(B)=[t(A2)−t(A1)]−[(t(B2)−t(B1)],其中下标1和2分别用来代指早发生和晚发生的重复地震. 横轴ddt(CD−DF)代表利用CD和DF互为参考来判断它们是否有时变信号(非零);纵轴ddt(SKP−DF or CD)代表利用SKP做参考震相,分别显示CD和DF的时变大小;图上的红线和蓝线分别代表它们与ddt(CD−DF)的线性拟合,斜率分别为0.796±0.081和−0.204±0.081. 倘若只使用12组高质量重复地震的数据,则斜率分别为0.861±0.114和−0.139±0.114

    Figure 4.  Analyses of the origin of time-varying inner-core waves (modified from Yang and Song, 2020b). The data points are from 15 pairs of repeating earthquakes (12 high-quality global pairs and 3 slightly inferior SSI pairs). The ddt represents the double differential time between two phases (A and B) from a pair of repeating earthquakes (Song and Dai, 2008), and is formulated as ddt(AB)=dt(A)−dt(B)=[t(A2)−t(A1)]− [t(B2)−t(B1)], where the subscirpts 1 and 2 denote the earlier and later event, respectively. The horizontal axis, ddt(CD-DF), represent the inner-core temporal changes, using CD and DF phases. The vertical axis, ddt(SKP-DF or CD) indicates the changes of DF or CD, using SKP phase as reference, and the red and blue lines are their linear regressions with ddt(CD-DF), with slopes of 0.796±0.081 and −0.204±0.081, respectively. If using 12 high-quality pairs only, the corresponding slopes would be 0.861±0.114 and −0.139±0.114, respectively

    图 5  内核时变信号来源的示意图. 外核液态铁镍合金的对流受到地球自转影响产生螺旋状环形流动(金色螺旋线),产生地磁场(灰色细线和箭头的磁力线). 磁场与内核的地磁力矩驱动内核的差速旋转(旋转箭头). 由于内核介质的不均一性,台站(褐色三角形)接收到的重复地震(红色五角星)发出的穿透内核的体波(DF,蓝线)会显示出可观测到的时变性;相较而言,在内核边界反射的体波(CD,绿线)的时变性并不显著(Yang and Song, 2020b

    Figure 5.  Cartoon illustration of the origin of time-varying inner-core waves. The circulations of the outer core currents are twisted by the earth’s rotation to form helical flows (golden bands), which generate magnetic field (gray lines). Electromagenetic torque drives the differential rotation of the inner core, and hence shifts the position of the heteregenieties inside of the inner core. Temporal changes of seismic waves traversing the inner core (DF, blue line) are clearly observed from repeating earthquakes (red star) to seismic station (brown triangle). In contrast, temporal changes of seismic waves reflecting off the ICB (CD, green line) are not significant (Yang and Song, 2020b).

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-22
  • 网络出版日期:  2020-09-10
  • 刊出日期:  2021-01-01

重复地震和地球内核的时变性

摘要: 地球内核是地球最中心的圈层,它的一个很重要的特性是在几年至十年的尺度上存在着明显的时变性. 利用重复地震经过内核的波随时间的变化给内核的时变性提供了最有力的且毫无争议的证据. 然而时变信号的来源仍有待商榷. 一般解释认为与内核的差速旋转有关;另一个解释为内核边界的快速变化. 最新的研究表明,内核的时变信号主要来源于内核的内部而非边界. 这一新发现排除了内核边界作为时变唯一信号来源的可能性. 最简单而合理的解释依然是内核的差速旋转:内核以每年0.05°~0.1°的速率相对于地幔超速旋转,并有变速旋转的可能性,使得内核浅部不均一的横向结构发生位移,重复地震的体波沿着固定路径传播时会采样到不同的内核结构而产生时变信号. 这一模型可以解释此前研究观测到的所有时变信号. 内核时变现象和其成因的探究对于我们认识地球深部的运行方式,尤其是磁场的运行机制,有着重要的启发意义.

English Abstract

    • 内核是地球最深部的圈层,有着略小于月球的尺寸和接近太阳表面的温度. 它是随着地球逐渐冷却,从铁镍合金和一些轻元素组成的液态外核中逐渐凝析增长而成的固态球体,间接记录了在它形成以来地球内部的动力演化史. 在它的缓慢增长过程中,其边界往外释放潜热并排出轻元素,为外核的对流和地球发电机的运转提供了能量来源(Gubbins, 1981; Glatzmaier and Roberts, 1995a, 1995b). 因此,对内核的研究,不仅对我们了解地球磁场的成因和运转模式提供重要的启发,也对于认识地球的深部构造和演化历史有着极其重要的意义.

      Song和Richards(1996)首次观测到内核的时变现象并解释为内核的超速旋转,后续有不少综述论文系统性地回顾和总结了相关的内核时变性及其复杂的三维各向异性结构的研究(例如,Song, 1997; Tromp, 2001; Song, 2003; Deuss, 2014; Tkalčić, 2015). 本文我们主要回顾利用重复地震探究内核时变性的工作,尤其是近年的工作. 这是考虑到利用重复地震对于地球深部时变现象的探测有着卓越的可靠性和很高的分辨率.

      重复地震是发生在近乎同一地点并有着高度相似的破裂过程的地震序列. 它们的产生可能是由于断层面的一些凹凸体锁住局部的断面滑移,应力逐渐积累达到强度极限后,破裂释放能量产生地震,并开始新的一轮的应力积累,形成重复性的地震(Uchida and Bürgmann, 2019). 地震目录上的震源位置总是有一定的误差,不能直接用来筛选重复地震. 人们用同一台站记录到的高度相似的波形信号判断地震重复性. 由于地震波形信号是震源时间函数和传播介质的格林函数的卷积,完全相同的波形信号意味着同样的震源位置和破裂过程. 因而,重复地震对通常也被称为波形对(Poupinet et al., 1984; Schaff and Richards, 2004). 地震学家们通常用地震目录上震源位置相近的不同地震的波形数据之间的互相关系数,来检验其相似性并从中识别出来自重复地震的高度相似的信号.

      重复地震对于地震活动的预测和地下介质的监测都有着重要的意义. 首先,对重复地震发生的时间间隔的研究有助于预测同一个序列中的下一次的重复性地震,甚至是邻近的相关的大地震(例如,Uchida et al., 2012),也可以用以估测断层在震源位置的深部滑移速率(例如,Li et al., 2011). 其次,高度相似的波形中通常蕴含着一些有规律地随着时间变化的信号. 这些时变信号是我们研究地球内部结构随着时间变化的最直接的证据. 更有意思的是,重复地震探测到的时变信号主要来自于两个区域. 第一是最浅部地壳,主要来自于地方震或者近震的S波和其尾波的观测. 例如,Poupinet等(1984)首次利用具有高度相似波形的重复地震,监测到在1978~1980年期间美国加州Calaversas断层附近,S波速度下降了0.2%,可能是与邻近的1979年间发生的5.9级地震有关. Niu等(2003)发现了重复地震的S波的局部尾波的时变信号,并推断其成因是断层深部裂隙中的液体的缓慢流动. 更多的案例可以参考Uichida和Bürgmann(2019)最近的综述论文. 第二是最深部的内核,主要来自于远震的体波的观测(例如,Zhang et al., 2005),这也是本文评述的主题.

    • 地球内核的时变性的最早证据来自于Song和Richards(1996)的观测. 他们当时并未使用重复地震,但是也观测到了从1960年代以来,穿透内核的地震体波(DF,图1)从南桑维奇群岛(SSI)到阿拉斯加的传播时间在30年间逐渐缩短约0.3 s的现象,并解释为内核超速旋转导致其各向异性的方向发生变化. 这一发现不仅仅将地球深部结构的研究从三维空间领域推进到四维时空领域,也与地球发电机的动力学数值模拟预测(Glatzmaier and Roberts, 1995a)结果一致.

      图  1  穿透地核的地震波的射线路径和走时曲线. (a)震源(红色五角星)产生的信号分别被距离135°和150°的两个台站(蓝色三角形)接收(修改自Yang and Song, 2020b). 内核的PKP波穿透内核(标注为IC)的路径称为DF,在内核边界反射的称为CD,从外核(标注为OC)底部通过的路径称为BC,外核中部通过的路径称为AB. SKP是在震源产生的横波(S)经过核幔边界转化为纵波(外核K;回到地幔P)的震相. (b)PKP波的走时曲线(震源深度在50 km)

      Figure 1.  Raypaths and travel time curves of core phases. (a) Raypaths from an example event (red star) at 0° to two stations (blue triangles) at 135° and 150° (modified from Yang and Song, 2020b). PKP waves include DF branch sampling the inner core (labeled as IC), BC branch sampling the bottom of the outer core (labeled as OC), AB branch sampling the middle of the outer core, and CD branch reflected from the inner core boundary. SKP wave takes off as shear wave (S) and converted to compressional wave at the core-mantle boundary (K in the outer core and P back to the mantle). (b) PKP travel time curves (source depth at 50 km)

      虽然后续有一些研究对此现象有所质疑,但是多数的研究支持了内核的时变性. 由于地震的震源位置的定位有着较大的误差,这一现象很可能是震源位置随时间推移发生系统性迁移引起的 (例如,Souriau et al., 1997; Poupinet et al., 2000). 但是震源位置的变化对于DF走时的影响远不足以解释它随着发震时间的推移而产生的高达0.3 s的系统性变化,依然需要引入内核的时变才能解释地震观测到的DF的走时变化(Song, 2000b, 2001). 争议双方也通过合作研究成功达成一致,肯定了内核的时变性(Sun et al., 2006). Creager(1997)利用观测到的内核横向结构的不均一性来解释内核的时变现象. 后续的研究也大多采用内核差速旋转引起其横向的不均匀结构产生横移的模型来解释内核的时变信号. 此外,在俄罗斯新地岛的核爆试验产生的冲击波到达南极洲的路径上(Ovchinnikov et al., 1998),阿拉斯加的地震到达南极点SPA台站的路径上(Song and Li, 2000)以及SSI的地震到中国北京地震台网的路径上(Xu and Song, 2003),均存在类似的时变现象. 内核的浅部也显示出了很强的不均一性,存在大量的散射体(Vidale and Earle, 2000),并且散射体的位置也随时间而迁移,与内核超速旋转的模型吻合(Vidale et al., 2000). Laske和Masters(1999, 2003)分析了地球自由震荡引起的对内核敏感的简正模的谱峰分裂函数自从1977年以来20多年的变化规律,发现时变信号可能存在但并不太显著,如果用内核差速旋转模型来解释,转速仅为0.13±0.11°/a.

    • Zhang等(2005)最早利用了多对重复地震无可争议地证实了内核的时变现象. 由于重复地震的震源位置非常接近,基本在1 km以内,所以利用它们能有效避免震源位置的不确定性的影响,并且规避地壳和地幔的横向不均一性造成的走时估测误差. 此外,互相关高度相似的波形信号,也可以获得远低于信号采样周期的高精度的走时测量数据,能够更精确地测量出内核体波走时的变化及其随着年份演变的规律(例如,图2).

      图  2  重复地震的相似波形和其内核透射波DF时变现象的例子(修改自Yang and Song, 2020a). (a)显示1995年和2011年的一对重复地震的P波及后续波和尾波在LPAZ台站(震中距18°)的记录几乎一致,利用互相关对齐并振幅归一化之后近乎重叠. (b)类似于图(a),显示了PKP波在CHKZ台站的记录,可见外核的BC和AB震相几乎一样;而对于内核的DF震相,2011年的信号比1995年的早到了约0.13 s,并且波形也出现了变化

      Figure 2.  Example of highly similar waveforms and temporal changes of DF from repeating earthquakes (modified from Yang and Song, 2020a). (a) Nearly identical wavefroms from a pair of repeating earthquakes in 1995 and 2011 to station LPAZ (distance 18°). They are aligned with cross-correlation and normalized by their peak amplitudes. (b) Similar to (a), but time-varying DF waveforms recorded by station CHKZ. The outer-core phases BC and AB remain similar, but the inner-core phase DF in 2011 arrives 0.13 s earlier and shows different waveforms compared to that in 1995

      Zhang等(2005)所用的地震到台站的路径与早期Song和Richards (1996)的一致. 他们利用了阿拉斯加College台站从1960~1980年的模拟数据,并人工数字化转成数字信号. 这些数字化的工作大大扩展了可用地震波形信号的时间跨度. 在观测时间段内(1961~2004年),DF的时变大小与重复地震的间隔时长呈正比,意味着DF波系统性地逐渐变快,可以用内核的旋转对内核横向梯度的采样来解释. 这一观测证实了内核的时变现象,从此结束了内核时变性是否真实的争议.

      后续利用重复地震的研究也在更多的路径上进一步证实了内核的时变性. Zhang等(2008)在阿留申群岛到南非和库页岛到南美的内核路径上(图3)也发现了时变信号. Yang和Song (2020a)系统性地搜索出全球近30年的高质量中强度的重复地震,也发现了更广泛存在的时变信号(图3). 此外,由于内核透射相DF的能量比较微弱,信噪比通常较低,Yang和Song(2020a)还额外分析了背景噪声和重复地震的质量造成的地震波走时误差,以此来定量地确定DF时变信号的显著性.

      图  3  中高强度重复地震分布和内核时变路径汇总图. 图中的曲线代表从重复地震(红色五角星)到地震台站、局域台网、或者区域台阵(蓝色三角形)并检测出内核时变信号的路径(Zhang et al., 2005; Wen, 2006; Cao et al., 2007; Song and Dai, 2008; Zhang et al., 2008; Yao et al., 2015, 2019; Yang and Song, 2020a, 2020b). 曲线中的黑色加粗段代表DF波在内核中的传播路径. 为了让此图更清晰易读,同一个地区的只选取了一个代表性的台站,包括阿拉斯加,哈萨克斯坦KZ台网,吉尔吉斯坦KN台网等. 灰色三角形代表Yang和Song(2020a)系统性地搜索出的全球的中高强度(震级5~6)的重复地震

      Figure 3.  Compilation of paths with temporal changes of the inner core from strong repeating earthuakes. The dark lines represent surface projections of raypaths from repeating earthquakes (red stars) to receivers (stations, arrays, and regional networks) reported by previous studies (Zhang et al., 2005; Wen,2006Cao et al., 2007; Song and Dai, 2008; Zhang et al., 2008; Yao et al., 2015, 2019; Yang and Song, 2020a, 2020b). The black bold parts of the lines indicate the wave legs traversing the inner core. In the same region (e.g., Alaska, KZ network in Kazakhstan, KN network in Kyrgyzstan), only one representative station is plotted out to avoid overcrowding. Gray stars denote all strong repeating earthquakes (magnitude 5~6) searched out by Yang and Song (2020a)

      Wen(2006)首次发现了来自内核边界的时变信号. 他们对Zhang等(2005)中的质量最高的一对重复地震(分别发生在1993年和2003年,以下简称为9303)做了较为精准的重定位,并利用重定位结果对齐内核波形时发现:在SSI到中亚附近的路径上,非洲南部下方的内核边界反射波CD(图1)的到时也有明显的时变性. Cao等(2007)也用9303地震对的数据发现:在SSI到加拿大YKA台阵的路径上,中美洲下方的CD的振幅显示明显的变化. 后续一些研究(Song and Dai, 2008; Yao et al., 2015)也确认了这两条路径上CD信号的波形或者到时有着一定的时变性. Yao等(2019)还发现了从中美洲到澳大利亚的路径上,南太平洋下方CD信号的时变性.

      不过内核的时变只是局部性的而非全球性的现象. 在145°距离以内,西太平洋到南北美洲(Xin et al., 2015)和西南太平洋到中亚、欧洲和非洲(Yu, 2016b)的多条路径上,并未发现明显的DF和CD的时变信号. 在145°距离以上,Yu(2016a)分析了西南太平洋俯冲带的重复地震到欧洲和北非的台站的数据,也没有发现显著的DF的时变信号. 而且在Yang和Song(2020a)的全球研究中,显著的(95%置信区间)DF时变信号只占20%左右. 当然,这些地区也许存在相对较弱的时变性,只是低于重复地震的信号的检测极限. 此外,时变信号的产生也需要一定的时间积累,在重复地震的时间间隔小于3年时,几乎不存在显著的内核时变信号(Song and Dai, 2008; Yang and Song, 2020a).

    • 虽然内核的时变性已经被重复地震的研究(例如,Zhang等(2005),及以上提到的后续诸多研究)确认,但是时变信号的来源尚未盖棺定论. 在早期研究中,时变信号基本被默认为是内核的差速旋转导致的;但是自从内核边界的反射波(CD)的时变信号被发现以来(Wen, 2006),一些研究认为时变信号来源于内核边界的快速变化(Yao et al., 2015, 2019). 在这两种机制下,内核对地核动力学和地球发电机模型的影响截然不同. 因此,弄清楚内核时变信号的来源,不仅能给动力学数值模拟提供更好的约束,也对我们理解地球内部的运行机制和磁场的产生过程有着重要的启发.

    • Glatzmaier和Roberts(1995a, 1995b)利用计算机数值模拟出三维的地球发电机模型,可以复现地球的磁极反转的现象,并模拟得到内核在内外核电磁耦合产生的驱动力下相对于地幔约每年几度的速度超速旋转. 这一结果是地球发电机的理论所预测的(Gubbins, 1981),也启发了Song和Richards(1996)搜寻对应的内核时变信号. 结合Creager(1997)发现的内核横向结构的不均一性,内核旋转使其横向不均一的结构发生位移这一模型,可以很好地解释观测到的所有时变信号. DF的时变信号来自于内核横向不均匀速度结构的横移;CD的时变信号来自于内核边界起伏的横移;内核散射波的时变信号(Vidale, 2019; Vidale et al., 2000)则来自于内核顶部的散射体位置的横移. 而大多数的路径没有显示出时变信号,是因为内核的速度结构在大多数地区较为均匀,旋转均匀的介质并不能产生可见的时变信号.

    • Wen(2006)发现了在非洲南部下方的内核边界反射波(CD)的时变信号,并解释为内核边界的局部变化. 在后续的研究中,Yao等(2015, 2019)进一步指出内核的旋转模型在解释不同地区的时变信号存在诸多矛盾(详情见下文3.3). 因此,他们将CD和其他内核时变信号统一归因于内核的局部快速增长或消融. 在这一模型下,CD波在内核边界反射,只受内核边界时变的影响;DF波和尾波在入射或者出射内核边界时,也会受到内核边界时变的干扰. 而且,在不同的地点,内核边界的变化速率可以不一致,可以有效调和内核旋转模型下的矛盾之处.

    • 因此,内核差速旋转和内核边界的快速变化为内核的时变信号提供了两种截然不同的解释. 虽然这两种模型并不一定相悖,例如,内核旋转可以使得其边界的高程起伏发生了横移,也能引起CD的时变(Wen, 2006; Song and Dai, 2008),但是Yao等(2019)认为内核并不旋转,而内核的边界变化才是时变信号的唯一来源. 他们的判断基于以下三点:(1)CD的时变信号代表着内核边界必然具有时变性;(2)仅用内核边界的快速变化也能解释所有的时变信号;(3)差速旋转的模型存在诸多矛盾. 这两种模型近年来都存在着一定的争议.

      差速旋转的模型最有争议的点在于不同地震学观测得出的旋转的速率并不一致. 虽然目前大部分的研究得到的结果都是超速旋转,但是旋转速率也相差很多量级,从每年一度(Song and Richards, 1996),到每年零点几度(Creager, 1997; Song, 2000a; Vidale et al., 2000; Zhang et al., 2005Cao et al., 2007),每年零点零几度(Vidale, 2019; Yang and Song, 2020a),甚至低至每百万年一度(Waszek et al., 2011). 甚至在同一个研究中,不同路径得到的内核旋转速率也难以吻合,与内核作为旋转的刚体的假设相矛盾(Mäkinen and Deuss, 2011; Yao et al., 2019).

      此外,Yao等(2019)还观测到了另外两个难以用内核旋转解释的现象.(1)中美洲下方的内核散射体在10年之内消失了,无法用内核旋转的模型追踪到它的位置变化;(2) 他们首次观测到几十天以内的快速时变信号,用内核旋转解释时,则需要至少8.6°/a的转速,远远高于之前绝大多数研究得到的数据(例如,Song and Richards, 1996; Vidale et al., 2000; Zhang et al., 2005). 因此,Yao等(2019)认为内核的差速旋转对时变信号的解释并不成立.

      另一方面,仅用内核边界的快速变化来解释内核的时变信号也有很多问题. 首先,Song和Richards(1996)以及Zhang等(2005)观测到的DF时变信号高达0.3 s,则内核的边界在DF的入射点和出射点上,在几十年内需要有约10 km的增长. 这一情况在外核液态铁镍快速对流的情况下难以成立,也与内核的缓慢增长相矛盾. 其次,Yang和Song(2020a)还观测到了DF时变的大小与震中距呈反相关的现象,这一点也很难用内核边界的局部变化来解释. 而这些矛盾之处却可以用内核旋转的模型很好地解释.

    • 最新的研究表明内核边界的时变信号的来源是其内部而非边界,因为时变信号几乎都是来自于内核透射相DF而非反射相CD (Yang and Song, 2020b). 内核的时变信号目前来自于以下3个距离范围内的观测. 首先,在146°的距离以上,内核震相只有DF而几乎没有CD;DF的时变现象毋庸置疑,在不同的研究中很多条路径上均有观测(图3). 其次,在60°~95°的距离之间,内核反射波PKiKP的尾波中蕴含的散射波的时变信号(Vidale, 2019; Vidale et al., 2000)与内核内部浅层(而非表面)的散射体有关(Vidale and Earle, 2000; Leyton and Koper, 2007; Peng et al., 2008; Wu and Irving, 2017). 最后,在128°~142°距离之间,内核震相DF和CD兼具,并且二者到时相差仅约1~2 s;此前Song和Dai(2008)利用DF和CD互为参考震相,可以有效地识别出内核的时变信号,但是难以有效区分是哪个震相的到时出现了时变. Wen(2006)Yao等(2015, 2019)利用重定位校正地震信号到时之后再研究内核震相的时变性;但这种方法很容易受到台站时钟可能的误差(Yang and Song, 2020a, 2020b)的影响. 最近,Yang和Song(2020b)首次利用全球的高质量重复地震数据,用与内核无关的SKP震相(图1a)作为参考震相排除钟差干扰,多组重复地震的数据表明时变信号来源主要是透射波DF而非反射波CD(图4). 包括此前最早利用9303地震对探测到的非洲南部下方的反射信号CD(Wen, 2006)在内的时变性并不显著(95%置信区间),反而是DF的时变更为明显. 不过,Yao等(2020)指出利用SKP作为参考震相受到重复地震之间的深度差距的影响,可能并不可靠. 针对这一问题,Yang和Song(2020c)系统性地做了深入的相对深度分析,发现他们所用的重复地震的深度差距基本都在200 m以内,对Yang和Song(2020b)的结论并没有影响. 相较而言,台站的钟差和重复地震相对深度的估测误差会很大程度上影响Wen(2006)Yao等(2015, 2019)利用绝对到时得到的结果,包括与9303地震对相关的结论. 因此,可以确认所有的时变信号几乎都是来源于内核的内部而非边界. 基于这一点,基本可以排除内核边界的局部变化作为唯一时变来源的可能性.

      图  4  内核时变信号来源的分析(修改自Yang and Song, 2020b). 图中数据来源于15组重复地震(12组全球分布的高质量重复地震和3组SSI地区的质量略差的重复地震). 图中ddt代表一对重复地震的两个震相的双差到时(Song and Dai, 2008),定义为ddt(AB)=dt(A)−dt(B)=[t(A2)−t(A1)]−[(t(B2)−t(B1)],其中下标1和2分别用来代指早发生和晚发生的重复地震. 横轴ddt(CD−DF)代表利用CD和DF互为参考来判断它们是否有时变信号(非零);纵轴ddt(SKP−DF or CD)代表利用SKP做参考震相,分别显示CD和DF的时变大小;图上的红线和蓝线分别代表它们与ddt(CD−DF)的线性拟合,斜率分别为0.796±0.081和−0.204±0.081. 倘若只使用12组高质量重复地震的数据,则斜率分别为0.861±0.114和−0.139±0.114

      Figure 4.  Analyses of the origin of time-varying inner-core waves (modified from Yang and Song, 2020b). The data points are from 15 pairs of repeating earthquakes (12 high-quality global pairs and 3 slightly inferior SSI pairs). The ddt represents the double differential time between two phases (A and B) from a pair of repeating earthquakes (Song and Dai, 2008), and is formulated as ddt(AB)=dt(A)−dt(B)=[t(A2)−t(A1)]− [t(B2)−t(B1)], where the subscirpts 1 and 2 denote the earlier and later event, respectively. The horizontal axis, ddt(CD-DF), represent the inner-core temporal changes, using CD and DF phases. The vertical axis, ddt(SKP-DF or CD) indicates the changes of DF or CD, using SKP phase as reference, and the red and blue lines are their linear regressions with ddt(CD-DF), with slopes of 0.796±0.081 and −0.204±0.081, respectively. If using 12 high-quality pairs only, the corresponding slopes would be 0.861±0.114 and −0.139±0.114, respectively

      此外,在中美洲下方和南太平洋下方另外两处有着时变现象的CD信号(Cao et al., 2007; Song and Dai, 2008; Yao et al., 2019)也很有可能是误识别(Yang and Song, 2020b). 因为DF比CD早到大概1~2 s,所以当DF的尾波具有较强的时变性和振幅时,它们的时变信号也会与CD相干涉,影响CD的振幅和到时,使得CD看起来也具有时变性. 最直接的证据是波形变化其实是开始于DF信号,而非是更晚到达的CD信号. 其实,DF和其尾波的时变信号甚至也能影响BC的波形(图2),只是BC的振幅通常远大于DF,所以并不能引起BC波形的显著变化. 但相较而言,CD的振幅通常和DF较为接近,更容易受到干扰.

    • 内核差速旋转的模型与以上时变信号来源为内核内部的新发现更为吻合,而且其旋转速率不统一的矛盾其实不难解释. 其原因在于:内核旋转速率的估测需要同时得到准确的内核时变信号变化模式和对应的精确的内核横向结构;而这两者,尤其是后者,有着很大的测量误差. Yang和Song(2020a)发现内核信号的信噪比通常较低,因而测量误差会相对其他震相较大. 同时,他们还发现北大西洋底部存在着小尺度(约2°)的很陡峭的横向速度梯度. 这就意味着内核的局部地区存在非常精细的横向速度结构,因而之前很多研究利用了大范围内(几十度)的速度梯度的均值来估测出的内核旋转速率并不可靠. 此外,内核的速度结构通常依赖于DF和BC(图1)的相对走时(BC-DF)的大小. 通常认为DF和BC在上地幔中的路径几乎一致,所以上地幔的不均一性并不会对BC-DF的走时造成很大影响. 但是狭长的俯冲板片的影响难以忽略(Frost et al., 2020),例如阿拉斯加下方的俯冲板片对SSI到阿拉斯加路径上BC和DF的走时影响不同,可造成高达1 s的BC-DF的走时异常(Song, 2000a). 因此,以前的研究对于内核速度结构的估测可能有很大的误差,所以据此得到的内核旋转速率也很难达成一致. 此外,Lindner等(2010)Tkalčić等(2013)的研究显示内核的旋转可能并非是匀速的,这也能在一定程度上解释旋转速率不一致的问题. 但是他们的研究也没有解决所用路径上的内核的精细结构,因而其结果并不十分可靠. Yang和Song(2020a)还观测到了时变信号的强度与震中距呈反比的现象,意味着内核的横向不均一的结构主要存在于其浅部(约300 km以上),所以远距离的DF更垂直地通过内核浅部不均一结构,反而在其中传播的距离更短,产生的时变信号更小.

      Yao等(2019)的另外两个观测也并不能说明内核旋转存在矛盾. 其一,他们利用9303地震对的数据,发现1993年在中美洲下方存在一个散射体,并可以定位出散射体的位置在内核边界,但是无法找到2003年散射体旋转后对应的地震信号,只能用内核边界的局部消融来解释. 但是这一现象更可能是因为他们所用的单一散射体的假设过于理想,并对尾波中散射波到时的挑选也有一定的主观性. 其二,他们发现的几十天之内的时变信号也并非利用间隔几十天的重复地震的直接观测,而是利用几个邻近的重复地震序列推断出来的. 这一推断基于这些不同的地震序列采样到了同样的内核结构的假设. 他们在其中一个重复地震序列中观测到了内核信号在间隔几年时显示出时变性,但是附近的其他重复地震序列并没有显示出时变性. 去除掉这些重复地震序列在时间跨度上的交集之后,时变信号发生的跨度就仅剩下最多几十天. 同样,他们并没有考虑内核横向上的精细复杂结构,因此这个推断过程并不可靠. 这几个重复地震序列的震源位置在地震目录上相差零点几度,与内核散射体的大小相当(Peng et al., 2008),因而不能认为它们采样到了同一处内核结构. 综上所述,以上几点关于内核旋转模型的矛盾之处,并不足以作为排除内核旋转可能性的有力证据.

    • 最近Yang和Song(2020b)确认了内核时变的来源基本都是其内部而非边界,并发现之前报告的内核边界的时变信号其实并不显著(95%置信区间),从而提出内核的旋转模型可以对所有的时变信号提供一个最简单而又合理的解释. 最可能的内核旋转速率是0.05~0.1°/a(Vidale, 2019; Yang and Song, 2020a),因为这两个研究利用了比较小尺度的内核结构,而非大尺度下的均值梯度,得到了相对较慢的超速旋转,这一结果也和Laske和Masters(1999, 2003)利用20多年的自由震荡的数据观测所得到的旋转速率(0.13±0.11°/a)相吻合. 此外,内核在10年左右的跨度上可能会变速旋转甚至是来回震荡(Lindner et al., 2010; Tkalčić et al., 2013; Ding and Chao, 2018). 这种可能性在动力学上由于内外核电磁耦合是很自然的结果(Gubbins, 1981; Glatzmaier and Roberts, 1995a; Kuang and Bloxham, 1997).

    • 对地球的内核的探索依然是路漫漫其修远兮. 目前地球物理学家对内核的认识相较于对岩石圈,足足落后了约半个世纪(Deuss, 2014). 在内核的时变现象和差速旋转的问题上,我们建议未来的探索方向如下. 首先是更多相关数据的挖掘. 尽管在最近二三十年内,我们见证了全球地震台站的数量呈指数级增加,可用的内核路径的空间覆盖率有了显著的提高. 但是这些路径的分布很不均匀,远远不足以达到全球性的覆盖. 随着未来台站数量的继续增加,地震资料的持续积累,新的处理方法的不断涌现(例如噪声成像技术在内核震相上的应用),内核的时变模式在时间和空间上的分辨率在未来的研究中必将会有持续的提高. 另外值得改进的是,Yang和Song(2020a)并未尝试用不同的滤波频段来增强DF的信噪比,因而还可以从他们的数据库中进一步挖掘出更多可用的内核信号来检验更多路径上的内核的时变性. 其次,在此基础上有望精确地测量出内核差速旋转的速度. 例如,从SSI的地震到USArray最近在阿拉斯加布置的密集台网的数据为反演这一路径的上的精细内核结构提供了宝贵的资料. 结合这一路径上的内核信号的时变模式(Zhang et al., 2005; Tkalčić et al., 2013),可以精确地测量出内核的旋转速度,甚至是变速旋转下的加速度. 这两个参数可以直接应用到地球动力学的模型中,从而对地球发电机的运行机制提供更好的约束,进一步对了解地球磁场的变化原因,甚至是对磁场变化的预测都有着重要的启迪(图5).

      图  5  内核时变信号来源的示意图. 外核液态铁镍合金的对流受到地球自转影响产生螺旋状环形流动(金色螺旋线),产生地磁场(灰色细线和箭头的磁力线). 磁场与内核的地磁力矩驱动内核的差速旋转(旋转箭头). 由于内核介质的不均一性,台站(褐色三角形)接收到的重复地震(红色五角星)发出的穿透内核的体波(DF,蓝线)会显示出可观测到的时变性;相较而言,在内核边界反射的体波(CD,绿线)的时变性并不显著(Yang and Song, 2020b

      Figure 5.  Cartoon illustration of the origin of time-varying inner-core waves. The circulations of the outer core currents are twisted by the earth’s rotation to form helical flows (golden bands), which generate magnetic field (gray lines). Electromagenetic torque drives the differential rotation of the inner core, and hence shifts the position of the heteregenieties inside of the inner core. Temporal changes of seismic waves traversing the inner core (DF, blue line) are clearly observed from repeating earthquakes (red star) to seismic station (brown triangle). In contrast, temporal changes of seismic waves reflecting off the ICB (CD, green line) are not significant (Yang and Song, 2020b).

    • 来自重复地震的内核透射波DF及其尾波随时间的变化给内核的时变性提供了最有力的证据. 对此最合理的解释是内核相对于地幔的差速旋转,使得内核上部的不均匀结构发生了位移,因而重复地震到达同一台站的地震波通过了不同的内核结构,显示出了不同的到时和波形. 旋转速度约每年0.05°~0.1°的超速旋转(内核比地球自转快),但旋转速度可能随时间变化. 这个解释和地球发电机的模型预测一致,意味着地球最深部的运动速率远比浅部的板块运动和地幔对流的速率要大得多. 这一发现对于我们理解地球深部的运行模式,尤其是地磁场的产生和演变模式都有着重要的启发意义.

参考文献 (54)

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