基于地球自由震荡的内核S波波速研究

Knowledge of the physical and chemical properties in the inner core is crucial for understanding the evolution of the Earth. Current seismic observation on the inner core shear wave velocity is ~3.5 km/s, much lower than mineral physics results (>4.0 km/s). In this study, we will provide a reliable shear-wave velocity of the inner core based on Earth’s free oscillation data and quantify uncertainties in model parameters via Bayesian inversion. Central frequencies of normal-mode multiplets below 10 mHz will be measured to invert for both 1-D elastic and anelastic structures. In order to eliminate the effects of mode-coupling on the resulting 1-D structures, numerical experiments based on wide-band coupling theory will be conducted to evaluate the deviation of central frequency for a 3-D model from its degenerate frequency (or terrestrial frequencies) for the corresponding 1-D model. Together with mineral physics results, our new 1-D shear-wave structure will shed light on determining the plausible iron phase and the concentration of light elements in the inner core.

内地核的物理和化学特性是揭示地球演化历史的关键。然而地震学与矿物物理学对内核Ｓ波波速的认知存在极大差异。本研究为厘清地震学结果的可靠性，拟利用大量的地球自由震荡简正模数据，对其进行多态模中心频率的测量，反演获得内核一维S波速度及其置信区间。本研究为考量真实的模态耦合效应对最终反演结果的影响，将通过广域耦合的计算，探索多态模中心频率与简并频率的关系，以确保反演数据的可靠性。最后综合矿物物理的结果，为内核可能的晶体结构与轻元素成分提供更可靠的地震学证据。

长周期震波的有效的数据取得和精确的数值理论计是获得地球或行星内部结构的重要基石。本项目以长周期面波和地球自由震荡的数据获取方法和理论计算为主要研究对象，主要内容和取得的进展如下：（1）发展了小波传播子方法于长周期面波上的测量方法，获得其在呼图壁气枪数据中面波振幅随时间变化研究的应用;（2）发展了结合一维本征函数的相速度敏感核和路径追迹的直接反演三维结构的方法，获得其在云南地区的地壳和上地幔各向同性和各向异性结构; （3）发展了面波椭圆度的方位角依赖性的理论，获得椭圆度可作为相速度以外约束各项异性的重要地震参数; （4）发展了基于机器学习的长周期频谱窗的全自动化拾取，并应用于地球自由震荡数据中; （5）探讨了月球自由震荡理论计算上的关键因素，获得了不同月核模型下的理论频谱。项目共发表论文3篇（2篇为SCI），国际会议展板报告2次，国内会议口头报告1次。