地幔間斷面成因及地幔對流模式研究獲進展

　　板塊構造學說是固體地球科學的基石，刻畫了巖石圈的基本運動學特征，而地幔對流理論則為理解板塊運動規律提供了動力學基礎。然而長期以來，地幔對流模式的研究一直存在巨大的爭議，分歧主要集中于全地幔對流和上下地幔分層對流兩個模式。近年來，還有一些學者提出了地幔混合對流模式猜想，即一些區域地幔分層對流、其它區域上下地幔整體對流。

　　中國科學院測量與地球物理研究所倪四道團隊與中國科學技術大學及國際同行開展合作，首次發現了非對稱路徑660千米間斷面散射波震相，揭示了地幔410及660千米間斷面的小尺度起伏特征，為地幔對流模式研究提供了關鍵證據。

　　研究團隊基于溫度及化學成分對地幔間斷面各種橫向尺度起伏的不同控制作用，對間斷面的成因及地幔對流模式開展研究。溫度異常及化學成分異常均可造成大尺度（1000千米）和中等尺度（100千米）的地幔間斷面起伏。但是，間斷面的小尺度（10千米）起伏，難以利用溫度異常解釋，而是主要反映了化學成分的變化。學者們對地幔間斷面的大中尺度起伏特征已經有了深入的認識，但是其小尺度起伏特征尚未見報道，也因此難以判定410/660千米間斷面的成因。在大中尺度的間斷面起伏研究中，P波、S波及其轉換波或多次波等體波震相發揮了重要作用，但是由于這些體波的菲涅爾區較大，難以約束小尺度起伏特征。

　　該研究聚焦于地球內部界面起伏探測方法，提出了非對稱路徑背向散射PKP波約束小尺度起伏的新方法。基于新方法，研究了非對稱路徑散射波P′SurfP′震相，據此估算的地表起伏及地殼淺部散射體強度與已有的結果一致，表明了該方法的有效性( Wu et al, 2012, GRL)。此后數年間，研究團隊搜集了全球密集臺陣記錄到的深震波形，開展了慢度、偏振、到時、包絡形態等多震相特征分析，計算了系列理論散射地震圖，并與實測地震波形對比，發現了660千米界面小尺度起伏導致的前驅散射波（P′.660.P′），而且該信號強度存在區域差異。然而，對應于410千米界面的前驅散射波沒有被觀測到，表明該界面比較平滑。以PKiKP、P'SurfP' 等體波作為參考震相，估計了采樣區域內660千米間斷面小尺度起伏的幅度，推算其功率譜系數C2D量級范圍為10-1000米，遠大于地表的全球平均小尺度起伏（C2D為米級），表明660千米間斷面小尺度起伏遠比地表的更劇烈。基于地震學的觀測與分析，研究團隊提出410千米界面主要成因為相變；但是660千米界面則不完全為相變面，在一些區域還應該是化學分界面，在其它區域化學分層不明顯。這項發現難以用全地幔對流或分層對流模式解釋，而支持地幔混合對流模式。文章還建議，開展地球動力學、地震學、地球化學等多學科交叉合作，有助于定量研究上下地幔物質交換的效率，從而進一步深化對地球動力學的理解。國際著名學者Christine Houser在《科學》（Science）同期Perspective欄目撰文評述道：“該項研究成果可以幫助回答地球演化的根本性問題。”

　　該研究成果于2月15日在國際學術期刊《科學》（Science）以Report形式發表，文章題為Inferring Earth's discontinuous chemical layeringfrom the 660-kilometer boundary topography。中科院先導專項“地球內部運行機制與表層響應”、國家“973”項目以及國家自然科學基金提供了經費資助。“全院辦校，所系結合”政策為此項研究的順利開展提供了保障。

地幔間斷面不同尺度的起伏分別反映了溫度及化學成因。利用非對稱路徑背向散射高頻PKP波(P′.d .P′)可約束地幔間斷面的小尺度起伏程度