地球的固态内核位于地球最深处，主要成分为铁镍合金和少量轻元素，其半径约占地球半径的1/5，总质量的2%。内核是由液态外核冷却凝固而形成，这个过程会同时释放热量和轻物质，从而推动外核的对流运动，激发和维持着地球磁场。
由于内核藏在地球最深处，目前直接探测它的手段极其有限，结构和运动特征研究被认为是全球地震学研究的最前沿（Tkalčić，2015）。固态内核被液态外核包裹，受重力约束而悬浮于地球最深处，科学家们一直猜测内核可能存在相对于地表的“转动”。地球动力学家最先通过三维地磁发电机模拟推测出内核可能存在相对于地球自转旋转更快的差速旋转，即超速旋转（super-rotation，Glatzmaier and Roberts，1995）；随后，地震学家通过观测几十年来穿过地球内核的地震波PKIKP走时的系统性变化，证明了内核超速旋转的存在（Song and Richards，1996）。作为地磁发电机的边界条件和能量来源，地球内核对于理解地磁场的形成和演化有着极其重要的意义，而内核的运动状态更成为了近三十年来地球物理学家们的研究焦点。
随着地震学观测的积累和研究方法的创新，地震学家对于地球内核运动状态的认识逐渐深入。最近，中国科学院地质与地球物理所地球与行星物理重点实验室王巍副研究员与美国南加州大学John Vidale教授、美国康奈尔大学庞冠宁博士后、犹他大学Keith Koper教授和美国南加州大学博士生王若妍等合作，对1990-2023年间在加拿大（Yellowknife Array，YKA）和美国（Eielson Array，ILAR）的地震台阵记录到的南三明治岛（South Sandwich Island，SSI）的重复地震（图1）记录开展了详细分析，揭示了近20年来内核差速旋转的振荡轨迹，明确给出了内核振荡运动模式的地震学证据。
图1 （a）重复地震、台站分布和研究中使用的地震震相在地球中的传播路径；（b）重复地震的位置和深度分布
重复地震是指几乎在同一个位置发生、震级接近，同时震源机制几乎一样的地震。这样的重复地震在同一台站上的记录几乎完全一致（图2）。他们通过对比发现，当地震波没有通过内核的时候，重复地震在YKA和ILAR台阵上的记录几乎完全一致；但是内核存在差速旋转，不同时间发生的重复地震辐射的地震波经过内核时的路径会发生变化，从而会引起地震波到时和波形的变化。特别是穿过内核的地震波PKIKP（见图1a）的尾波，它是由内核中分布的小尺度异常体的散射所产生（Wang and Vidale，2022），其波形受路径上介质变化的影响尤为显著，对于内核差速旋转也更加敏感（图2）。反之，如果地震对的PKIKP和其尾波的波形一致，则PKIKP经过内核的路径几乎一样，进一步得知内核处在完全相同的位置。
图2 重复地震对的波形比对图。图中显示了 PKIKP和其尾波波形随着时间推移2003年重复地震和2009年重复地震波形不同，到2020年以后再相同的变化过程
通过分析重复地震对的PKIKP和其尾波波形相似性随时间的分布规律，发现记录相同波形的重复地震对中，第一个地震在2003-2005年和对应的第二个地震在2015-2023之间的重复地震对之间间隔时间随着时间推移逐渐变短（图3和图4c），基于此，他们推测出内核处于振荡状态（图4）。通过线性拟合发现，内核大约在2008年左右相对改变旋转方向，且两个时间段的旋转速率不同，即内核在2003至2008年之间超速旋转（super-rotate）和2008年至2023年之间的慢速旋转（sub-rotate），同时超速旋转速率大约为慢速旋转的2~3倍。
图3 重复地震波形相似性比对图。直线连着两个地震对，红色代表着波形完全一致的地震对
图4 内核振荡模式的概念图和对应的波形匹配关系。图中点A和C表示内核在不同时间处于同一位置，对应的重复地震产生的通过内核的PKIKP波形一致；B表示内核处于反转的时刻，因为该时刻内核相对A和C的位置不同，重复地震产生的通过内核的PKIKP波形也就不一致。其中A、B和C三个点对应图3对应的位置
该项研究成果提供了内核振荡最直接的地震学证据。该研究中仅使用波形相似度作为观测量，避免直接测量地震波到时，有效规避了学术界关于内核旋转模型和内核边界变化模型之间争论的核心议题——重复地震定位误差的影响，从而得到了迄今为止最准确和精细的内核差速旋转的轨迹和相对速率，为研究内核的增长、外核的对流、地磁场的发展和演化等提供了重要的地球物理约束。
研究成果于2024年6月12日在线发表于国际著名学术期刊Nature（王巍，John Vidale*，庞冠宁，Keith Koper，王若妍. Inner core backtracking by seismic waveform change reversals [J].Nature, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07536-4）。成果受中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904，IGGCAS-202204）资助。
编辑：刘强