地球内核结构

背景知识

  • 半径:1220 km
  • 组成:
    • 固态铁-镍合金
    • 少量轻元素(S, O, Si, H)
  • 形成机制:
    • 地球形成早期只有一个液态铁核
    • 随着地球的不断冷却,液态铁核凝固形成固态内核,结晶速率 0.5 mm/year,结晶时间约10亿年
    • 凝固过程中会释放潜热和轻物质
      • 促进液态外核的流动->构成地磁发电机->形成地球磁场
      • 驱动地幔对流->板块运动

发现历史:

  • 1906, Oldham, 发现外核
  • 1936, Lehmann 在地核影区中发现 P 波,认为是内核边界反射波 PKiKP,并认为内核是固态
  • 1940, Birch 从矿物学角度认为在内核的温压条件下内核一定是固态
  • 1971, Dziewonski & Gilbert, 利用 normal mode 证明了内核是固态的

研究方法

  1. 地震学
    • 体波: PKP, PKIKP, PKiKP, PKJKP
    • Normal Mode
  2. 矿物物理
    • 高温高压实验
    • 第一性原理计算
  3. 地磁学
  4. 动力学模拟

体波

  • 中心频率 1 Hz 左右,高分辨率
  • 只能约束 P 和 S 波速,无法约束密度
  • 对内核采样不均匀(地震和台站分布不均)

利用 PKIKP 震相研究内核结构

震中距 内核采样深度 内核走时 参考震相 备注
120-130° 0-15 km 10-30 s
130-143° 10-90 km 30-100 s PKiKP 与 PKIKP 极性相反
146.5-156.5° 150-350 km 100-150 s PKPbc 与 PKIKP 波形相同
155-180° 350-1221 km 150-220 s PKPab/None 是 PKIKP 的 Hilbert 变换

PKIKP 射线路径

Normal mode

  • ~ 100 s
  • nSl,每个 mode 包含 2*l+1 个 singlets
  • 非旋转、球状均匀球下,singlets 频率相同
  • 旋转、不均匀、各向异性均会导致 singlets 频率不同,产生 mode splitting 现象

径向分层结构

  1. 最外层100km:各向同性层
  2. 中间层100-900:各向异性层
  3. 内内核(300km):各向异性层

内核各向异性

  • Polar path 速度大于 equtorial path.
  • 各向异性强度: ~3%

解释:

  1. hcp iron 定向排列
    1. 凝固过程中定向排列
    2. 凝固之后内核变形

衰减各向异性

东西半球差异

地震学观测

各向同性速度 衰减 各向异性强度
东半球(40°E-180°E) 快(+0.5%) 高(Q=300) 弱(0.5%)
西半球(180°W-40°E) 慢(-0.3%) 低(Q=600) 强(3.0%)

动力学解释

  1. 内核单向增长:一个半球熔化,另一个半球凝固

  2. 外核的热化学对流导致内核边界处不同的凝固条件

PKJKP

矿物物理

铁相图:

  1. 室温室压: bcc (body-centered cubic)
  2. 升温:fcc (face-centered cubic)
  3. 升压:hcp (hexagonal close-packed)