地球內核的內核

07-14

宋曉東

（武漢大學測繪學院；美國伊利諾伊大學地質系）

地球內部基本圈層結構包括地殼、上地幔、下地幔、外核和內核。然而，最近我們的研究發現地球的內核中還存在內核，其鐵晶體排列和結構跟外內核完全不一樣。相關結果發表在2015年2月9日出版的《自然·地球科學》（Nature Geoscience）雜誌上，引起國際地學領域強烈反響和世界各國媒體廣泛關注。

地球形成初期在重力影響下分異成岩石性的地幔和以鐵為主的地核。由於極高溫，外核呈液態；但隨著地球的冷卻，在極高的壓力下液態鐵結晶逐漸形成地球中心的固態內核，到現今半徑為1220千米，比月亮稍小些。外核的對流產生和維持了地球的磁場。外核產生的地磁場與導體內核的電磁作用使得固體內核在液態外核中相對固體地幔差速旋轉。由於地球的不可入，地震產生的地震波是傳統上研究地球深部的主要手段。

利用強地震產生的穿過內核的地震波，前人研究表明地球固態內核有很強的地震波各向異性（當地震波在內核中傳播時，它的速度隨傳播和震動方向變化），這通常認為是由於內核鐵晶體的優勢定向排列造成的。過去的所有研究均認為內核的各向異性可以近似為軸對稱模型，而其快軸方向平行於地球自轉軸（南北向）。然而，由於強震往往只分布在板塊邊界，通過內核的地震波在位置和方向上都有限。本文作者研究團隊通過分析全球寬頻帶地震台陣的大地震尾波自相關，發現地球內核的中心部分的各向異性快軸是兩端分別穿過西半球的中美洲與東半球的東南亞的靠近赤道面方向的一條軸線，這與內核外部的南北快軸方向近乎垂直。

本文作者研究團隊使用的是一種新的雜訊相干技術。相對常規的地震產生的地震波信號，利用大地震之後的「迴音」（即震後地球內部多次反射或散射的後續尾波）。人們通常扔掉或過濾掉這種尾波雜訊或者無時不在的地球環境雜訊（主要來自海洋撞擊海岸和海底）。然而，通過對長時間記錄的互相關運算，疊加增強雜訊中兩個台站之間的微弱但相關的信號可以提取台站之間傳播的波（格林函數）。這種雜訊相干技術源於物理學對超聲波離散場的研究，但過去十年在地震學對地球表層岩石圈結構成像的研究起了革命性的作用。

本文作者研究團隊通過對單個台站記錄的全球大地震（七級以上）尾波進行自相關，然後將同一地震台陣內的各單台自相關函數疊加起來，成功提取出從台陣出發穿過內核中心再從此台陣對極點反射回到台陣以及在內核下表面反射的兩個震相。這是國際上首次觀測到這種波，即使從最大的地震的振動中也觀測不到。在系統性分析處理了分布全球的57個台陣所記錄的1992～2012年20年數據後，我們首次發現地球內核最中心部分（半徑約為內核一半的「內內核」）有著近赤道面的各向異性快軸方向，這與內核外部（「外內核」）南北向快軸有著近乎垂直的差異。另外內內核所展示的各向異性形式也與外內核有著很大差異。這就意味著內核可能含不同鐵相併且固態內核的結晶和演化經歷過完全不一樣的過程。

地球內部結構示意圖（不是實際比例）

該項研究發現地球內核包括最中心的內內核（紅色）和外內核（橘色），內內核中晶體排列快軸方向（線條）靠近赤道面，與外內核南北向的快軸有著近乎垂直的差異

資料來源：宋曉東和Lachina Pbublishing Services製作

該項成果為人類認識地球最中心的組成、結構和演化過程提供嶄新的信息。根據古地磁的觀測，內核增長到現在的大小有超過10億年之久，因而如樹的年輪能告訴我們它的生長環境和變化，內核在地球中心記錄和保留了地球很長的地質歷史、狀態和可能的地質事件。通過取得其更清晰的圖像，人們試圖揭示內核（及地球）如何演化，與外核產生的地磁場如何作用，以及與地幔對流可能的相互作用。造成內核很強的各向異性和晶體有序排列的原因仍不清楚，內內核的各向異性形態以及強度與外內核的差異也許代表了固態內核的形成和演化過程，因此，該項發現可能提供關於內核歷史的線索：其年齡，熱力學過程以及可能的早期對流事件。這一發現仍然需要進一步證實。內核既遠又小、地球最中心就更難採樣。該項研究成果利用大地震之後全球存在的尾波「雜訊」，無需特定地方的震源，極大克服傳統方法中地震在空間分布上的限制，提供前所未有的採樣覆蓋，為探索地球深部的奧秘提供新的強有力的手段。

該項研究是南京大學和美國伊利諾伊大學合作研究的成果，由原南京大學地球科學與工程學院「千人計劃」獲得者宋曉東教授團隊完成，受到中國自然科學基金重點項目資助。