板塊構造學(xué)說(shuō)是固體地球科學(xué)的基石，刻畫(huà)了巖石圈的基本運動(dòng)學(xué)特征，而地幔對流理論則為理解板塊運動(dòng)規律提供了動(dòng)力學(xué)基礎。然而長(cháng)期以來(lái)，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(gè)模式。近年來(lái)，還有一些學(xué)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(xué)院測量與地球物理研究所倪四道研究團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及國際同行開(kāi)展合作，首次發(fā)現了非對稱(chēng)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關(guān)鍵證據。
研究團隊基于溫度及化學(xué)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(kāi)展研究。溫度異常及化學(xué)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?zhuān)侵饕从沉嘶瘜W(xué)成分的變化。學(xué)者們對地幔間斷面的大中尺度起伏特征已經(jīng)有了深入的認識，但是其小尺度起伏特征尚未見(jiàn)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(fā)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(chēng)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(chēng)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)。此后的數年間，研究團隊搜集了全球密集臺陣記錄到的深震波形，開(kāi)展了慢度、偏振、到時(shí)、包絡(luò )形態(tài)等多震相特征分析，計算了系列理論散射地震圖、并與實(shí)測地震波形對比，發(fā)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(méi)有被觀(guān)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(xué)的觀(guān)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(xué)分界面，在其它區域化學(xué)分層不明顯。這項發(fā)現難以用全地幔對流或分層對流模式解釋?zhuān)С值蒯；旌蠈α髂Ｊ健Ｎ恼逻€建議，開(kāi)展地球動(dòng)力學(xué)、地震學(xué)、地球化學(xué)等多學(xué)科交叉合作，有助于定量研究上下地幔物質(zhì)交換的效率，從而進(jìn)一步深化對地球動(dòng)力學(xué)的理解。國際著(zhù)名學(xué)者Christine Houser在《科學(xué)》（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(wèn)題（The results may help to answer fundamental questions about Earth’s evolution）。”
該研究成果于2月15日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）以Report形式發(fā)表，文章題為Inferring Earth's discontinuous chemical layeringfrom the 660-kilometer boundary topography。中國科學(xué)院先導專(zhuān)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(xué)基金提供了經(jīng)費資助。“全院辦校，所系結合”政策為此項研究的順利開(kāi)展提供了保障。
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地幔間斷面不同尺度的起伏分別反映了溫度及化學(xué)成因。利用非對稱(chēng)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
