位于地球最深處的地核主要由鐵鎳合金和一定比例的輕元素組成，可進一步劃分為固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核。盡管地核僅占地球總體積的約15%，但其結(jié)構(gòu)特征、動力學(xué)過程和成分在地球演化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不僅深刻影響板塊構(gòu)造與地磁場的形成機制，也為理解地球的起源和長期演化提供了重要線索。作為內(nèi)核與外核的分界面，內(nèi)核邊界（Inner Core Boundary, ICB）提供了對內(nèi)核動力學(xué)過程及其與外核相互作用的重要約束。內(nèi)核邊界處的結(jié)構(gòu)特征被認(rèn)為記錄了內(nèi)核生長過程中多種動力學(xué)機制的作用，因此對理解內(nèi)核的演化及深部地球動力學(xué)具有重要意義?，F(xiàn)代地震學(xué)研究表明，內(nèi)核邊界并非簡單的界面區(qū)域，而是存在多尺度的橫向不均勻結(jié)構(gòu)，包括局部小尺度的地形起伏以及糊狀層等精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而，大多數(shù)內(nèi)核邊界結(jié)構(gòu)的地震學(xué)研究集中于準(zhǔn)東半球，主要基于時間域的數(shù)據(jù)信息（振幅或波形），對準(zhǔn)西半球內(nèi)核邊界的綜合約束（振幅、波形與頻譜）仍較有限。
圖1?臺站、事件和波形對比圖。（a）臺站（白色三角形）、地震事件（紅色五角星）和三個主要的俯沖帶：中美洲、南美洲和加勒比地區(qū)。插圖顯示了直達P波、外核反射震相PcP波和內(nèi)核反射震相PKiKP波的射線路徑和俯沖帶的俯沖深度。（b）PcP（黑色）與PKiKP（紅色）波形比較。六組高質(zhì)量的PcP和PKiKP波形以拾取到時為中心，其理論到時分別用黑色和紅色虛線標(biāo)出
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點實驗室地球-行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程學(xué)科組博士研究生崔天宇、導(dǎo)師艾印雙研究員和澳洲國立大學(xué)Hrvoje Tkalcic教授，與其他合作者一起，針對南美洲地區(qū)下方的內(nèi)核邊界結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)的綜合分析。該研究收集了來自IRIS Data Management Center記錄到的122個深源地震（震源深度≥300 km）產(chǎn)生的約33,000條垂直分量記錄，并利用開發(fā)的波形互相關(guān)方法進行震相分類及到時拾取，最終篩選出261條高質(zhì)量、清晰包含地核反射震相（PcP與PKiKP）的地震記錄，組成研究數(shù)據(jù)集（圖1）。研究團隊結(jié)合PKiKP/PcP振幅比、走時殘差、波形相似性以及頻譜分析方法，成功獲得了南美洲下方內(nèi)核邊界物理性質(zhì)及精細(xì)地形起伏結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識，為深入理解內(nèi)外核相互作用及內(nèi)核生長的動力學(xué)演化過程提供了新的視角。
圖2?（a）地球曲率及地幔矯正后的PKiKP-PcP走時殘差分布圖；（b）基于理論值修正的?PKiKP/PcP振幅比地理分布。振幅比和走時殘差的散點形狀根據(jù)直達P波、PcP波和PKiKP波的不同頻譜特征進行分類。（c）臺站G04B記錄的P、PcP和PKiKP波形的時頻譜圖。與P和PcP相比，PKiKP包含更高頻成分（high PKiKP frequency）；（d）與（c）相似，但PKiKP包含更低頻成分（low PKiKP frequency）
矯正后的走時殘差與振幅比結(jié)果顯示，中美洲及加勒比地區(qū)的結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜且不確定性較大，這可能與多尺度下地幔不均勻性有關(guān)，其影響難以完全排除，因此難以有效解析該區(qū)域CMB與ICB的結(jié)構(gòu)變化。相比之下，南美洲的結(jié)果呈現(xiàn)出更穩(wěn)定的分布模式。頻譜特征顯示，在南緯0°–20°范圍內(nèi)可觀察到明顯的PKiKP高頻或低頻異常，而在約南緯25°附近則以三個震相頻率成分相似為主（圖2）。因此，研究團隊將重點轉(zhuǎn)向?qū)δ厦乐薜挠^測結(jié)果進行分析。
圖3?（a）內(nèi)核邊界密度跳變（△ρ）與P波速度跳變（△Vp）最佳模型范圍搜索；（b）按照相同比例的密度和P波速度跳變擾動的理論振幅比與實際觀測值對比圖；（c）疊加后的PcP與PKiKP波形相似性隨緯度分布圖；（d）PKiKP-PcP走時殘差隨緯度分布圖
首先利用PKiKP/PcP振幅比約束南美洲下方內(nèi)核邊界的密度和P波速度跳變。參數(shù)空間搜索結(jié)果表明，兩者均較ak135模型略大，分別為0.57 g/cm3（0.53–0.63）和0.79 km/s（0.73–0.88）（圖 3a、圖3b）。其次，發(fā)現(xiàn)南美洲下方的PKiKP-PcP走時殘差、波形相似性及頻譜特征均表現(xiàn)出系統(tǒng)性的緯度變化（圖3c、圖3d）。結(jié)合二維波形模擬結(jié)果，這些觀測可以用一個局部隆升的內(nèi)核邊界結(jié)構(gòu)來解釋，其水平尺度約220 km（140–260 km），高度為1.0–2.5 km（圖4）。這些結(jié)果可通過南美洲下方局部快速的內(nèi)核結(jié)晶來解釋，可能與環(huán)太平洋俯沖引發(fā)的外核下降流有關(guān)。該過程增強了內(nèi)外核間的熱通量，內(nèi)核快速結(jié)晶會釋放潛熱和輕元素，并在內(nèi)核頂部形成細(xì)小晶粒，從而導(dǎo)致內(nèi)核邊界局部隆起并增大密度跳變。該研究成果對地球深部物質(zhì)循環(huán)和內(nèi)核生長模式具有重要意義，同時為理解內(nèi)外核相互作用提供了新的線索。
圖4?內(nèi)核邊界隆升地形正演波形及時頻譜對比圖。（a）內(nèi)核邊界隆升地形模型示意圖及與平坦地形波形對比圖；（b）模型左邊界（32°）處的時頻譜比較：平坦模型（左）、隆升模型（中）以及頻譜差（右）；（c）和（d）與（b）類似，但分別對應(yīng)模型中心（43°）和右邊界（54°）
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL（崔天宇，Hrvoje Tkalcic*，王巍，張鑫，章浩東，羅浩，艾印雙*. The Complex Inner Core Boundary Beneath South America from Seismic Core Phases: Possible Elevated Topography and Fast Crystallization [J].?Geophysical Research Letters, 2025,?52: e2025GL117536. DOI:?10.1029/2025GL117536）。成果受到國家自然科學(xué)基金項目（42394111）和中國科學(xué)院大學(xué)國際合作培養(yǎng)計劃綜合項目的資助。
崔天宇（博士生）