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潮汐层析成像限制了地球深地幔浮力

自然体积551，页面321 - 326 (2017）引用本文

主题

摘要

地球体潮——也被称为固体固体潮，是由月球和太阳的引力引起的固体地球表面的位移——对非洲和太平洋下面两个大低切变速度省(LLSVPs)的密度很敏感。这些巨大的区域从地幔底部向上延伸约1000公里，其浮力在地球物理学界仍存在激烈的争论。在这里，我们使用潮汐断层扫描来约束地球深地幔浮力，这些浮力来自基于全球定位系统(GPS)的半日体潮变形测量。我们使用概率方法表明，在两个llsvp的底部三分之二，平均密度比该深度范围内的平均地幔密度高约0.5%(即其平均浮力为- 0.5%)，尽管这种异常可能集中在地幔的最底部。我们得出结论，这些结构的浮力主要是由高密度化学成分的富集所主导的，可能与俯冲的海洋板块或与地球形成有关的原始物质有关。由于地幔的动力学是由密度变化驱动的，我们的结果对LLSVPs的稳定性和地球系统的长期演化具有重要的动力学意义。

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图1:GPS测量的垂直M2体潮汐变形21叠加地震层析模型S40RTS2在2800千米的深处。
图2:体潮测量对深地幔密度扰动的敏感性。
图3:经过处理的GPS数据和最佳表现地幔模型的直方图。
图4:表现最佳的地幔模型的过剩密度直方图以及这些模型均值的深层过剩密度场。

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下载参考

确认

H.C.P.L.和J.X.M.感谢NSF CSEDI拨款EAR-1464024, NASA拨款NNX17AE42G和哈佛大学的支持。J.L.D.得到了NASA NNX17AD97G基金的部分支持。中国科学院资助项目:XDB18010304和2015TW1ZB0001。h.c.p.l感谢J. Austermann在审查过程中进行的地幔对流模拟。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学地球与行星科学系

    哈丽特·c·p·刘和杰瑞·x·米特罗维察

  2. 美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球天文台

    詹姆斯·l·戴维斯

  3. 普林斯顿大学地球科学系及应用与计算数学专业，美国新泽西州普林斯顿

    珀斯跺脚

  4. 中国科学技术大学地震学与地球内部物理实验室&地球与空间科学学院，合肥

    Hsin-Ying杨

  5. 中国科学技术大学蒙城国家地球物理天文台，中国安徽

    Hsin-Ying杨

  6. 剑桥大学地球科学系，英国剑桥

    大卫Al-Attar

作者
  1. 刘志平女士
    查看作者出版物

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  2. 杰瑞·x·米特罗维察
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  3. 詹姆斯·l·戴维斯
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  4. 珀斯跺脚
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  5. Hsin-Ying杨
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  6. 大卫Al-Attar
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贡献

H.C.P.L.领导了体潮理论的发展，对文献中报道的半日体潮的GPS测量进行了数值/统计分析，并撰写了手稿。J.X.M.贡献了对结果的统计分析和解释，J.L.D.贡献了计算潮汐振幅的算法，并调查了GPS轨道误差的潜在影响。j.t. D.A.-A。，H.-Y.Y. and J.X.M. contributed to the development of the body tide theory and numerical software. All these authors contributed text to the manuscript.

相应的作者

对应到刘志平女士．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢L. Métivier, B. Romanowicz和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

出版商注:施普林格《自然》杂志对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1体潮响应对整个地幔波速和密度扰动的敏感性。

计算的半日体潮响应对横波速度扰动的敏感性v年代(左栏)，密度ρ(中列)，和散装声速vb(右栏)结构。对结构的扰动应用于整个地幔的五个层(从上到下):最低的下地幔(2,891-2,211 km深度);中下地幔(2,211-1,201 km);最上下地幔(1201 - 670 km);过渡区(深度670-400 km);最上地幔(400-24公里)。扰动以归一化幂表示，并分解为6阶的球面谐波系数。我们将归一化功率定义为残差平方的总和(3D - 1D地球模型)。

图2地壳和CMB地形以及海洋潮汐载荷对GPS体潮测量的影响

一个,地壳49和CMB地形50对体潮响应的修正(见方法)表示为GPS数据中测量不确定度的百分比21．校正的幅度由圆圈的大小和颜色强度表示。b纵轴为两个量，用叉号和黑圈表示:(1)扰动到u3 d在每个站点，当施加五种不同的CMB地形模型时，所有模型都用十字表示。符号ε为本文采用的CMB超椭圆度模型计算的摄动50其余结果(黄色、浅蓝色和深蓝色交叉)是基于地震观测估计的地形模型60，61，62；(2) GPS测量的不确定度(σ，用黑圈表示)。所有扰动u3 d(交叉)的振幅比σ(黑圆圈)。c，标准差，σOTL的一组与海洋载荷有关的地壳垂直位移预测，uOTL，使用方法部分描述的七个海洋潮汐模型计算。绿色的圆圈标记了我们分析中使用的GPS站点的位置。

扩展数据图3依赖深度v年代浓度比例28本研究采用。

缩放因子的径向依赖关系Rρ，应用(在我们地球模型的最浅的三层内)来转换横波速度中的摄动v年代密度的扰动28ρ．在文中描述的分析中，最低三个区域(阴影)内的比例因子被视为自由参数。

图4采用单一层析模型时表现最佳的地幔模型直方图。

进行的统计测试图3 c主要文本，但只考虑一个单一的地震模型依次列出:一个, HMSL23，b, S362MANI24，c, S40RTS2，d, SAW24B1625而且e，所有(如在图3 c)。在每一列中，顶部、中间和底部面板分别对应区域DL、ML和DO。这些测试的统计显著性在每一列上方的括号中给出。在每个面板的右上角列出的值是分布的平均值和标准差。

图5长波密度扰动对体潮响应的深度敏感性。

体潮响应对球谐度密度扰动的深度敏感性l和秩序米贯穿整个地幔。“归一化灵敏度”表示本研究中使用的GPS站点的体潮垂直振幅残差平方和，其中最大值缩放为1。

图6用于测试LLSVP深部和中部区域相关性的合成反演结果。

一种合成反演，类似于为产生而进行的计算图3 c．在这里，通过采用地震模型S40RTS产生了体潮的综合“观测”2并施加一个地幔结构Rρ(dl) = -0.5;Rρ(ml) = 0.1;而且Rρ(DO) = 0.05(如每个面板上的黑色竖线所示)。顶部、中间和底部面板分别对应DL、ML和DO区域。每个参数的后验估计和标准偏差都列在相关面板上。颜色离散了的范围Rρ这些颜色用于将所有三个面板共用的3D地球模型的子集组合在一起。在描述合成数据时，我们采用了与ref在原始GPS数据集中报道的相同的不确定度。21．

图7测试地幔底部致密薄层效应的合成反演结果。

一种合成反演，类似于为产生而进行的计算图3 c．直方图显示了参数的估计Rρ(DL) (一个)，而相关的平均过剩密度<∂lnρ>戴斯。莱纳姆:（b)。综合资料采用S40RTS地震模型进行计算2，Rρ(ML) = +0.1和Rρ(do) = +0.15。合成材料中使用的DL层由一层100公里厚的子层(即地幔底部)和一层Rρ−0.8的值(黑线在一个)和250公里厚的表层Rρ= +0.1(黑点线在一个)。与这两层相关的平均过剩密度为<∂lnρ>SL= 0.7%且<∂lnρ>TL= - 0.1%(虚线和黑线在b),分别。黑色实线表示整个DL区域的平均过剩密度，<∂lnρ>戴斯。莱纳姆:．c，我们估计的分布∂lnρ>SL从b，在修正加权灵敏度后(见正文)。true <∂lnρ>SL(即用于计算合成数据的值，0.7%)用竖线标记。

图8地幔深部体潮变形场实例及地震层析模型谱特征。

一个、三维和一维地球模型预测的半日体潮同相垂直位移幅值差异。下地幔结构为S40RTS2，缩放到体积声速的扰动vb(如在正文中所讨论的)和扰动ρ通过应用所示的比例因子扩展数据图3．b，在整个测试的3D模型套件中，深层密度场DL的组合功率谱。每个杆代表所有模型在相关球面谐波度下的最大功率。直方图上的值使用所有模型和所有度的最大功率进行归一化(发生在球面调和度2)。

扩展数据图9仅使用远离海岸线的GPS站点进行重复反演。

进行的统计测试图3 c除了只使用GPS站点的一个子集。在这个计算中，我们只使用内陆站点(定义为距离最近的海岸线至少150公里，如参考文献所示)。21)。这将站点的数量从456个减少到135个。顶部、中间和底部面板分别对应DL、ML和DO区域。每个面板右上角列出的值是相关分布的平均值和标准差。

扩展数据图10旋转测试产生的直方图示例。

测试两种不同三维地球模型的统计显著性水平(我* = 1或2)C1（我*) >C0(如文中定义)。每个面板对应一个不同的三维地球模型(用Rρ的直方图)C3博士（我*，j) (j= 1,2，..，1，000）v一个lue年代produced by rotating the predicted field (see Methods). The dashed green line shows the 95% level of these histograms and the solid green line showsC3 d（我*)为给定的三维地球模型。在一个，C3 d（我* = 1)超过95%置信水平，通过统计显著性检验;相反，在bC3 d（我* = 2)未通过测试。

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刘，H，米特罗维察，J，戴维斯，J。et al。潮汐层析成像限制了地球深地幔浮力。自然551， 321-326(2017)。https://doi.org/10.1038/nature24452

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