地球的固態(tài)內核位于地球最深處，主要成分為鐵鎳合金和少量輕元素，其半徑約占地球半徑的1/5，總質(zhì)量的2%。內核是由液態(tài)外核冷卻凝固而形成，這個(gè)過(guò)程會(huì )同時(shí)釋放熱量和輕物質(zhì)，從而推動(dòng)外核的對流運動(dòng)，激發(fā)和維持著(zhù)地球磁場(chǎng)。
由于內核藏在地球最深處，目前直接探測它的手段極其有限，結構和運動(dòng)特征研究被認為是全球地震學(xué)研究的最前沿（Tkal?i?， 2015）。固態(tài)內核被液態(tài)外核包裹，受重力約束而懸浮于地球最深處，科學(xué)家們一直猜測內核可能存在相對于地表的“轉動(dòng)”。地球動(dòng)力學(xué)家最先通過(guò)三維地磁發(fā)電機模擬推測出內核可能存在相對于地球自轉旋轉更快的差速旋轉，即超速旋轉（super-rotation，Glatzmaier and Roberts, 1995）；隨后，地震學(xué)家通過(guò)觀(guān)測幾十年來(lái)穿過(guò)地球內核的地震波PKIKP走時(shí)的系統性變化，證明了內核超速旋轉的存在（Song and Richards, 1996）。作為地磁發(fā)電機的邊界條件和能量來(lái)源，地球內核對于理解地磁場(chǎng)的形成和演化有著(zhù)極其重要的意義，而內核的運動(dòng)狀態(tài)更成為了近三十年來(lái)地球物理學(xué)家們的研究焦點(diǎn)。
隨著(zhù)地震學(xué)觀(guān)測的積累和研究方法的創(chuàng )新，地震學(xué)家對于地球內核運動(dòng)狀態(tài)的認識逐漸深入。最近，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗室王巍副研究員與美國南加州大學(xué)John Vidale教授、美國康奈爾大學(xué)龐冠寧博士后、猶他大學(xué)Keith Koper教授和美國南加州大學(xué)博士生王若妍等合作，對1990-2023年間在加拿大（Yellowknife Array，YKA）和美國(Eielson Array，ILAR)的地震臺陣記錄到的南三明治島（South Sandwich Island，SSI）的重復地震（圖1）記錄開(kāi)展了詳細分析，揭示了近20年來(lái)內核差速旋轉的振蕩軌跡，明確給出了內核振蕩運動(dòng)模式的地震學(xué)證據。
圖1 （a）重復地震、臺站分布和研究中使用的地震震相在地球中的傳播路徑；（b）重復地震的位置和深度分布
重復地震是指幾乎在同一個(gè)位置發(fā)生、震級接近，同時(shí)震源機制幾乎一樣的地震。這樣的重復地震在同一臺站上的記錄幾乎完全一致（圖2）。他們通過(guò)對比發(fā)現，當地震波沒(méi)有通過(guò)內核的時(shí)候，重復地震在YKA和ILAR臺陣上的記錄幾乎完全一致；但是內核存在差速旋轉，不同時(shí)間發(fā)生的重復地震輻射的地震波經(jīng)過(guò)內核時(shí)的路徑會(huì )發(fā)生變化，從而會(huì )引起地震波到時(shí)和波形的變化。特別是穿過(guò)內核的地震波PKIKP（見(jiàn)圖1a）的尾波，它是由內核中分布的小尺度異常體的散射所產(chǎn)生（Wang and Vidale， 2022），其波形受路徑上介質(zhì)變化的影響尤為顯著(zhù)，對于內核差速旋轉也更加敏感（圖2）。反之，如果地震對的PKIKP和其尾波的波形一致，則PKIKP經(jīng)過(guò)內核的路徑幾乎一樣，進(jìn)一步得知內核處在完全相同的位置。
圖2 重復地震對的波形比對圖。圖中顯示了 PKIKP和其尾波波形隨著(zhù)時(shí)間推移2003年重復地震和2009年重復地震波形不同，到2020年以后再相同的變化過(guò)程
通過(guò)分析重復地震對的PKIKP和其尾波波形相似性隨時(shí)間的分布規律，發(fā)現記錄相同波形的重復地震對中，第一個(gè)地震在2003-2005年和對應的第二個(gè)地震在2015-2023之間的重復地震對之間間隔時(shí)間隨著(zhù)時(shí)間推移逐漸變短（圖3和圖4c），基于此，他們推測出內核處于振蕩狀態(tài)（圖4）。通過(guò)線(xiàn)性擬合發(fā)現，內核大約在2008年左右相對改變旋轉方向，且兩個(gè)時(shí)間段的旋轉速率不同，即內核在2003至2008年之間超速旋轉（super-rotate）和2008年至2023年之間的慢速旋轉（sub-rotate），同時(shí)超速旋轉速率大約為慢速旋轉的2~3倍。
圖3 重復地震波形相似性比對圖。直線(xiàn)連著(zhù)兩個(gè)地震對，紅色代表著(zhù)波形完全一致的地震對
圖4 內核振蕩模式的概念圖和對應的波形匹配關(guān)系。圖中點(diǎn)A和C表示內核在不同時(shí)間處于同一位置，對應的重復地震產(chǎn)生的通過(guò)內核的PKIKP波形一致；B表示內核處于反轉的時(shí)刻，因為該時(shí)刻內核相對A和C的位置不同，重復地震產(chǎn)生的通過(guò)內核的PKIKP波形也就不一致。其中A、B和C三個(gè)點(diǎn)對應圖3對應的位置
該項研究成果提供了內核振蕩最直接的地震學(xué)證據。該研究中僅使用波形相似度作為觀(guān)測量，避免直接測量地震波到時(shí)，有效規避了學(xué)術(shù)界關(guān)于內核旋轉模型和內核邊界變化模型之間爭論的核心議題——重復地震定位誤差的影響，從而得到了迄今為止最準確和精細的內核差速旋轉的軌跡和相對速率，為研究?jì)群说脑鲩L(cháng)、外核的對流、地磁場(chǎng)的發(fā)展和演化等提供了重要的地球物理約束。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature（王巍，John Vidale*，龐冠寧，Keith Koper，王若妍. Inner core backtracking by seismic waveform change reversals [J].?Nature, 2024.?DOI: 10.1038/s41586-024-07536-4.）。成果受中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項目（IGGCAS-201904，IGGCAS-202204）資助。?
