地球內部廣泛存在地震各向異性，其中地殼與地幔介質各向異性尤為顯著(Crampin and Peacock, 2008；Silver, 1996)，而有關地核介質各向異性的研究較為鮮見。地核各向異性對理解核心的生長過程起著重要作用，將有助於理解“地球發電機”的演化模式。
早在三十年前，Poupinet et al.(1983)和Morelli et al.(1986)為解決PKPdf走時殘差在赤道方向和極地方向差異性問題，提出了“由於地核介質各向異性的存在使得地震波速與地震波傳播方向相關”的觀點。這裡，地核各向異性的物理機制被解釋為：由核心演化使得流場變形引起的鐵晶體排列的結果，即變形織構。
然而，基於PKPdf走時測量的早期地震各向異性模型具有恆定的圓柱各向異性，且快軸方向平行於地轉軸。隨著對核心結構研究的進一步深入，發現核心是由兩個各向異性強度不同的類半球構成，其中西類半球(Western Hemisphere - WH)各向異性平均強度約為4.8%，東類半球(Eestern Hemisphere-EH)各向異性平均強度約為1.4%。然而，由於地震事件和臺站分佈的限制，此前有學者提出的核心各向異性模型在極地區域資料密度有限。為解決這一問題，Frost et al.（2021）提出了基於最新地震分佈的PKPab-df和PKPbc-df新的微分走時測量方法(圖1)，這一成果發表於Nature Geoscience。
圖1 使用極地PKP射線對核心取樣（Frost et al., 2021）。（a）此處用於示例源（星形）和接收器（三角形）PKP射線路徑分支。PKPdf對核心進行取樣，PKPbc和PKPab仍在外核，ξ是核心中PKPdf路徑與地球旋轉軸間的夾角。（b-d）只有極地路徑(ξ<35°)從源到接收器用有效核心速度異常和ξ顏色編碼，路徑轉折點在深度5200-5600km、5600-6000km和6000km到地球中心；共顯示了530條極路徑。PKPbc–df和PKPab–df射線對的轉折點分別用菱形和圓形表示。灰色區域是擬合最好的西半球邊界，實線表示東半球邊界
研究發現，微分走時異常表示為核心中的有效P波速度異常，對ξ有很強的依賴性（圖1a），極地路徑上殘差可高達9.9s，赤道路徑上可達到2s。此外，微分走時異常還取決於射線轉折點的經度和深度（圖1b-圖1d）。透過進一步測試資料發現，有效速度異常隨著距離線性增加，即核心中兩個半球的轉折點半徑（圖2b），兩個半球的距離梯度近似相等，但對西半球較大的異常有偏移。東半球中記錄了最大的有效速度異常(≥3.5% dlnV)，異常位於約400km、經度～60°W處的射線底部，而不是核心的中心。
圖2 PKPbc-df和PKPbc-df走時觀測得到的核心有效速度異常作為ξ和震中距離的函式（Frost et al., 2021）。（a）有效速度異常作為ξ的函式顯示出半球形模式，這意味著西半球(紅色)比東半球(藍色)更強的各向異性。每個半球擬合方程S1的各向異性曲線顯示為實線；（b）對於ξ≤15°(a中陰影部分)的資料，在西半球(左)和東半球(右)中，核心速度異常是震中距離和射線底部半徑的函式。實線表示在相應半球的距離的函式線性擬合，穿過地球中心(180°)的映象顯示為虛線。移動平均線(菱形線)和標準差以2.5°的距離增量突出了平穩趨勢。東半球趨勢以藍色虛線擴充套件到滿足西半球趨勢(在400 km半徑處)，西半球趨勢以紅色虛線擴充套件到超出資料約束的旋轉軸
為了解釋地震觀測結果，作者指出，由於外核泰勒柱對流作用，核心可能在赤道優先生長，從而在圓柱徑向上產生更有效的熱傳遞。均衡調整將使扁球形核心從赤道向內流動，向上流向兩級。如果存在強密度分層，這種流動將被限制在最頂層；反之，則會在深層引起變形。赤道平面上核心的任何不對稱排熱都會導致不對稱增長，導致生長核心的橫向平移，從而減慢淨平移。在地震觀測結果的幫助下，作者結合赤道優先生長和半球非對稱生長的過程，透過計算機模擬了中性分層核心中的流型（圖3）。
圖3 核心生長、應變和各向異性（Frost et al., 2021）。（a）結合優先赤道生長和非對稱生長速率以及邊界處核心生長率和內部流動的草圖，分別用黑、白箭頭表示，期望地形橙色線條表示；（b）從赤道向兩級的不對稱生長和運動導致了最強變形的橫向和垂直平流
為了在核心長軸方向上產生足夠的各向異性，作者基於粘塑性自洽模型，測算了在不同核心年齡、平移速率和單晶結構下由地球動力學模型產生的應變場中位錯蠕變引起的各向異性，確定六方最密堆積（hexagonally close-packed–hcp）鐵鎳合金(Fe93.75Ni6.25)的塑性變形與<c+a>錐體平面的滑移形成了具有各向異性的核心，其各向異性程度6.6%(圖3d)，與地震資料相擬。與此同時，透過驅動具有一定年齡、平移率和S2值的模型來約束核心的生長曆史，並將這些模型的預測各向異性與地震觀測進行比較(圖4)，作者發現和資料擬合最好的模型是0.4≤S2≤0.8。在可接受的核心年齡範圍，S2=0.6和核心年齡為0.5Ga時，與地震觀測和地球動力學約束擬合最好(圖4d-圖4f)。
圖4 5500K和360GPa下，六方最密堆積Fe93.75Ni6.25預測的PKP速度異常與觀測的PKP速度異常以及核心年齡、S2和平移率之間的權衡（Frost et al., 2021）。（a-c）預測(深藍色和紅色點，灰色方塊為平均值)和觀測(淺藍色和橙色點，黑菱形為平均值)有效速度異常作為震中距函式，對於(a)ξ≤15°的資料，由b和c的陰影區域標記，並作為圖3中核心生長模型的西半球(b)和東半球(c)的函式。空心圓表示沿旋轉軸路徑的預測有效速度異常。資料的誤差棒顯示平均值和2.5°(a)和5°增量(b,c)的一個標準差；（d-f）模型相對於核心年齡與S2(d)、S2與平移速率(e)、平移速率與核心年齡(f)之間權衡的資料的方差縮減，灰色圓圈標記待測值，綠圓圈標記最佳擬合引數，對應於模型在a-c和3D空間的取樣點。綠線跟蹤任意給定y值下的最佳x值。根據地核電導率，陰影區域模型的核心年齡太小
該研究成果可以更好地解析核心中地震各向異性的三維模式，有助於進一步記錄核心的不均勻演化歷史，為外核動力學的全球尺度模式提供記錄。
主要參考文獻
Crampin S, Peacock S. A review of the current understanding of seismic shear-wave splitting in the Earth’s crust and common fallacies in interpretation[J]. Wave Motion, 2008, 45(6): 675-722.
Frost D A, Lasbleis M, Chandler B, et al. Dynamic history of the inner core constrained by seismic anisotropy[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 531-535.（原文連結）
Morelli A, Dziewonski A M, Woodhouse J H. Anisotropy of the inner core inferred from PKIKP travel times[J]. Geophysical Research Letters, 1986, 13(13): 1545-1548.
Poupinet G, Pillet R, Souriau A. Possible heterogeneity of the Earth's core deduced from PKIKP travel times[J]. Nature, 1983, 305(5931): 204-206.
Silver P G. Seismic anisotropy beneath the continents: Probing the depths of geology[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1996, 24(1): 385-432.
（撰稿：趙新愛，吳晶/岩石圈室）
美編：傅士旭
校對：張騰飛 姜雪蛟
