地球内核速度与衰减结构的区域变化特征

来源 :中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:speedieke
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地球内核在冷凝过程中释放潜热,并结合流态外核对流驱动地球发电机产生地球磁场。同时,内核冷凝过程中也为地幔对流提供部分热量,进而推动了地球表面的板块构造。因此,内核是理解地球内部运作的关键,而了解内核各向异性和不均一性的细节信息则为我们理解地球动力学演化、物质成分组成具有十分重要的指示作用。首先,本文系统地收集了1991年到2014年全球、区域和临时地震台网的地震数据,利用PKPBC和PKIKP的相对走时残差和振幅比研究澳大利亚、非洲和太平洋中部下方内核顶部300 km的速度和衰减的各向异性。速度各向异性的结果表明:澳大利亚下方内核速度没有明显的各向异性,而非洲和太平洋中部下方的内核具有明显的各向异性;此外,非洲的速度各向异性强于太平洋中部;同时,相对于ak135模型,澳大利亚的平均速度快0.5%,而非洲和中太平洋的平均速度与参考模型没有明显差异。对于内核衰减结构,我们得到以下结果:1)对于东西向路径,澳大利亚和非洲的衰减随深度变化趋势一致,在200-250 km附近衰减最强,且澳大利亚的衰减强于非洲。然而,太平洋中部的衰减随着深度的增加而增加,且衰减强于非洲而弱于澳大利亚。速度和衰减的各向异性的区域性变化主要集中在内核顶部200 km。2)对于各向异性,澳大利亚的内核衰减没有各向异性,非洲和太平洋中部下方的内核衰减存在明显的各向异性结构。此外,内核在非洲地区的衰减各向异性强于太平洋中部。3)最后,这三个区域的速度和衰减具有良好的相关性,高/低速对应于高/低衰减。考虑到三个区域的位置,我们认为内核的速度和衰减结构都存在区域变化,而不是简单的半球变化。这种区域变化很可能和核幔边界的不均一性耦合,使得内核顶部不同区域在形成过程中受不同的变形影响,从而形成铁晶体不同的生长和排列,引发了不同的各向异性特征。其次,利用PKiKP-PKIKP的相对走时残差和PKiKP/PKIKP的振幅比信息,反演了太平洋中部区域下方内核顶部100公里的速度和衰减结构。结果表明,东太平洋和西太平洋的速度及衰减结构在经度180o190oE之间存在明显的横向变化。西太平洋的速度和衰减各向异性较弱:相对于PREM的速度扰动为0.23%,且衰减较强(Q=200);另一方面,东太平洋表现出强烈的速度和衰减各向异性:速度各向异性强度约为3.3%,Q值由东南向的400变化到南北向的150。此外,速度和衰减在东西向和南北向均呈正相关关系。我们认为,这些结果可能与内核冷凝或变形过程的区域变化有关。这种过程可能与核-幔边界的热不均一性有关,影响了内核的热流和变形,进而导致铁晶体的取向是随机或优先排列的。最后,根据PKiKP-PKIKP和PKPBC-PKIKP的走时残差分布,选取东太平洋区域作为研究对象。这里,我们利用三维射线追踪、三次样条插值和大量的PKP相对走时残差数据非线性反演内核顶部360公里各向异性随深度的变化关系。得到的内核各向异性模型具有以下主要特征:(1)随着采样深度的增加,各向异性逐渐减弱;(2)不同射线角度的模型随着深度的增加,速度差异也逐渐减小。这可能暗示各向异性主要受内核边界附近的结构影响,随着深度增加,这种影响逐渐减弱。通过小尺度区域的速度、衰减和各向异性的研究,本文认为内核的生长可能与核幔边界附近的不均一性结构有关。具体来说就是核幔边界和内核的耦合作用,使得核幔边界的热不均一性影响了内核顶部不同区域的对流速度、热流以及冷凝或熔融的速率,在内核中产生不同的生长过程和不同机制的变形,导致铁晶体不同的排列方向,进一步造成了速度、衰减和各向异性的不均一性。由于主要受核幔边界的影响,这种不均一性可能只存在于内核顶部。随着深度增加,这种影响逐渐减弱。
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