利用大量地核反射震相约束东亚下方尖锐内核边界 |章浩东/崔天宇等-JGR

地球固态内核与液态外核的边界（内核边界）是地球内部的一阶间断面，该边界性质对理解地球内核增长、外核对流和地磁场驱动力具有重要科学意义。现代地震学已经揭示内核边界并非完全横向均匀，存在局部小尺度地形起伏和糊状层的复杂结构。然而，由于地震观测数据的限制，前人对于东亚下方的内核边界研究仍聚焦于零星分散的局部区域，缺乏对东亚地区内核边界结构整体的认识。

中国科学院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室博士毕业生章浩东与博士生崔天宇、导师艾印双研究员利用中国数字地震台网2009-2018年期间记录的1014个宽频带地震台站数据，拾取到4272条具有清晰地球内外核反射震相对（PcP和PKiKP）波形记录（图1），分析了地核反射震相的走时残差分布和波形相似性，获得了东亚地区下方内核边界精细结构的新认识。

图1 地震数据。（a）地核反射震相的射线路径（震源用黑色五角星表示，深度为100 km）。内核边界反射震相PKiKP和外核边界反射震相PcP的射线路径分别用红色和蓝色表示；（b）地震与台站分布图。图中分别标注出地震（红色五角星）、台站（黑色三角形）和PKiKP震相的大圆路径（橙色实线）；（c）按震中距排列的事件3垂直分量波形图。该地震图显示出318个台站记录到的包括P、S、PcP、ScP和PKiKP（红色虚线标示）多个清晰震相信号

波形对比和正演模拟计算表明，东亚下方地核反射震相的波形高度相似，暗示该区域内核边界的厚度不超过2千米（图2）。此外，经过地球曲率和地幔不均匀速度结构校正后，地核反射震相的走时残差相较于一维PREM模型的均值为-0.25秒，表明东亚下方的外核厚度与PREM模型的预测值基本一致。这些结果指示着东亚下方的地球内核边界整体上是尖锐的，即物质在外核与内核之间是由液态迅速变化为固态，也可能存在局部地区小尺度地形起伏（图3）。东亚下方内核边界的整体认识有助于增加对地球内核的生长模式和半球差异性，以及理解外核对流模式。

图2 PKiKP波形受不同内核边界参数影响。（a）存在糊状层内核边界的密度剖面图。该剖面穿过内核边界（红色虚线），以两个参数描述：

表示糊状层厚度，

表示相对于PREM模型（蓝色线所示）在内核边界处糊状层的密度跃变值；（b） 理论PKiKP波形。通过一系列具有糊状层的内核边界模型生成的合成波形（红色波形）与尖锐内核边界PREM模型的波形（蓝色波形）的对比，其中黑色波形表示观测到的PKiKP波形

图3 本研究地核反射震相观测数据的解释模型：外核厚度变化或核幔边界/内核边界的地形起伏。红线表示在内核边界（ICB）反射的PKiKP射线路径，而蓝线表示在核幔边界（CMB）反射的PcP射线路径；它们由地震（红色五角星）激发并被台站（红色三角形）记录

研究成果发表于国际学术期刊JGR-Solid Earth（章浩东#，崔天宇#，艾印双*. Using Extensive Core-Reflected Phases to Constrain Sharp Inner Core Boundary beneath East Asia [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129(10): e2024JB028698. DOI: 10.1029/2024JB028698.）。研究受到中国科学院先导专项B类项目（XDB18000000）和国家自然科学基金项目（41125015）的共同资助。