地球深部的地幔与地核在内部热量传输、物质循环及地磁场演化中发挥着重要作用。过去二三十年来，基于重复地震波形的研究已为最深部内核的差速旋转积累了较为充分的观测证据。相比之下，下地幔的底部和外核能否在人类可观测的时间尺度上发生可被识别的动力学信号，仍是深部地球研究中的重要问题。2025年发表于《Nature Communications》和2022年发表于《Communications Earth & Environment》的两项研究，基于少量的重复地震波形记录，分别提出最下部地幔超低速区（ULVZ）快速演化和外核轻元素局部异常快速运移的解释（图1）。这些解释若得到可靠证据支持，将对认识核幔相互作用和地磁场演化产生重要影响。
然而，利用重复地震探测地球深部的微小变化，首先需要确认两次地震的震源足够相似，且台站记录稳定可靠。围绕这些关键前提，我院特聘研究员杨翼博士联合北京大学、美国地质调查局和德国慕尼黑大学的研究人员，对上述两项研究涉及的全球地震记录、震源重复性及台站数据质量开展了系统评估。结果表明，此前报道的波形变化在很大程度上可以由震源差异和台站仪器因素解释，无需将其归因于地球深部的十年尺度结构变化。
研究首先发现，2025年研究所使用的地震对，未能表现出高精度时间变化探测所需的震源重复性。在关键台站IU.SDV，两次地震的直达P波及其后续波形已存在明显差异；在震中距较小、传播路径不经过最下部地幔的多个台站，直达S波也呈现出相近量级的波形差异。这些差异并不限于采样目标区域的震相，表明震源本身的差异可能是重要影响因素，仅凭相关波形变化尚不足以推断最下部地幔发生了十年尺度的结构变化。
针对2022年提出的外核轻元素局部异常快速运移解释，研究团队利用全球台站切向分量记录的绕射S波（Sdiff）及其深度震相（sSdiff），估算出两次地震的震源深度相差约5.2千米。理论计算及三维波场正演模拟表明，仅这一深度差异就能产生约0.6秒的相对走时变化，其余约0.4秒残差仍处于观测误差及未被模型解析的三维地幔非均匀性所对应的不确定性范围内（图2）。此外，相近的时移也出现在仅穿过地幔的震相中，并非穿过外核的SKS震相所特有。因此，现有观测尚不足以证明外核存在十年尺度的快速结构变化。
研究团队进一步分析了2025年研究所使用的关键台站IU.SDV。该台站属于全球地震台网（GSN），安装有两套共址宽频带地震仪。两套仪器记录同一次地震的相同地面运动，因而可通过相互比较，检验仪器响应稳定性和计时质量。分析发现，两套仪器的记录之间会出现明显波形偏移，其量级与此前报道的时间变化相当。尤其是在2009年地震记录中，两套仪器的波形差异与此前研究比较2000年和2009年两次地震得到的变化模式高度相似（图3）。这一结果提示，此前报道的信号很可能在很大程度上来源于台站仪器或计时问题，不能直接作为最下部地幔快速结构变化的证据。
研究指出，上述两项研究的观测证据尚不足以证明下地幔底部或外核存在十年尺度的快速结构变化。要可靠识别深部地球的真实变化，需要多组高质量重复地震、多条独立传播路径和多震相的交叉验证，并结合共址地震仪记录对比、三维地幔结构分析及不确定性评估，充分检验震源、传播路径、仪器响应和计时等因素的影响。这项研究明确了深部地球时间变化探测中的关键误差来源，为提高相关观测与解释的可靠性提供了方法学参考。
相关成果以《Evaluation of seismological evidence for decadal changes in Earth’s lowermost mantle and outer core》为题，发表于Nature Portfolio旗下期刊Communications Earth & Environment。我院特聘研究员杨翼为论文的第一作者和共同通讯作者，北京大学宋晓东教授为共同通讯作者，我院硕士研究生李昌辉、美国地质调查局（USGS）研究员Adam T. Ringler、德国慕尼黑大学博士后江欣余、北京大学博士研究生吴恺欣为共同作者。研究得到深地国家科技重大专项、国家自然科学基金和江苏省杰出青年基金资助。
图1 近年来关于下地幔和外核十年尺度变化的地震观测。
（a）两项既有研究涉及的地震波传播路径及其提出的深部过程：2025年的研究将SKS和S–Scd–ScS波形变化解释为超低速区（ULVZ）的收缩或移动，以及最下部地幔D″层上下两部分的反向流动；2022年的研究将SKS走时变化解释为外核轻元素局部富集区的快速上移。（b）相关地震对、台站和传播路径的分布，及波形变化示例。
图2 震源深度差异可解释大部分被归因于外核变化的相对走时变化
（a）2022年研究所用IU.ULN台站记录的1997年（红色）和2018年（蓝色）地震径向分量波形。（b）实际观测的相对时移（圆点）与考虑约5.2千米震源深度差异的合成波形结果（虚线）对比，主要震相窗口内的变化幅度和模式较为一致。（c—f）Pdiff、PP、PPP和SKS及其对应深度震相的局部放大图；δt表示两次地震中主震相与对应深度震相的到时差之差。2018年地震的深度震相相对主震相更晚到达，支持其震源更深的判断。
图3 共址双地震仪记录揭示台站仪器因素对波形变化的影响
上排（a、b）为IU.SDV台站两套共址地震仪记录的2009年地震波形对比，下排（c、d）为此前研究比较2000年和2009年两次地震得到的波形变化；左列为SKS震相，右列为S–Scd–ScS震相。带圆点的曲线表示滑动窗口互相关测得的相对时移，对应右侧纵轴。上下两排呈现相似的变化模式，提示此前归因于最下部地幔结构变化的信号，很可能在很大程度上受到台站仪器或计时问题的影响。
参考文献
Yang, Y., Li, C., Ringler, A. T., Jiang, X., Wu, K., & Song, X. (2026).Evaluation of seismological evidence for decadal changes in Earth’s lowermost mantle and outer core.Communications Earth & Environment, 7, 729. https://doi.org/10.1038/s43247-026-03961-7
Zhang, X., & Wen, L. (2025).Decadal change of seismic structure in the Earth’s lowermost mantle.Nature Communications, 16, 8754. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63814-3
Zhou, Y. (2022).Transient variation in seismic wave speed points to fast fluid movement in the Earth’s outer core.Communications Earth & Environment, 3, 97. https://doi.org/10.1038/s43247-022-00432-7
图文：杨翼
审核：曾罡
