D ”层研究的进展倪四道傅容珊( 中国科学技术大学地球与空间科学学院)( 安徽省合肥市金寨路9 6 号，2 3 0 0 2 6 )D ”层处于地幔的最底部，是固态地幔和液态外核之间的边界，是地球内部重要的边界层。它控制着核幔边界的物质、能量的交换，对地球的内部的对流，板块的运动，磁场的变化有关键性的影响，比如，D ”层中的不稳定性可以产生地幔柱( T a ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 。D ”层也是下地幔中最为复杂的区域，最明显的证据来自层析模型( G r a n d ，1 9 9 4 ：R i t s e m ae ta 1 ，1 9 9 9 ：v a nd e rH i I s te ta 1 ，1 9 9 8 ；K u oe ta 1 ，2 0 0 0 ) 。地震波形的研究则取得了更多的成果：比如人们发现了加勒比海地区，西伯利亚地区的D 侯顶部的速度跳跃及横向不均匀性( L a ya n dH e l m b e r g e r ，1 9 8 3 ：N ie ta l ，1 9 9 9 ：等) 。N ie ta l ( 1 9 9 9 ) 发现，层析模型( G r a n d 。1 9 9 4 ) 虽然能揭示出D ”层快速的地区，但是它所给出的速度梯度太小，不能够产生S c d 这个三重值震相。但是，G r a n d ( 1 9 9 4 ) 的模型中的速度异常的梯度人为地变大2 - 3 倍后，就可以产生S c d 。N ie ta l ( 1 9 9 9 ) 还发现，加勒比海地区下面的D ”层存在着明显的横向不均匀性，其西部地区的剪切波速比东部地区的速度要大一些，这横向不均匀性可以从S a b 和S c d这两支震相的交叉点( c r o s s - o v e r ) 的位置直接观察到。面D ”层底部的超低速区( U l t r aL o wV e l o c i t yZ o n e ，U L V Z ，剪切波速度异常达- 3 0 ) ：则可能是人们发现的D ”层中最极端的异常体了。一开始U L V Z 被认为是处于核幔边界上方的一层异常体，其厚度从5 K M 到3 0 K M 不等( G a r n e r oa n dH e l m b e r g e r ，1 9 9 5 ) 。后来，人们认为U L V Z 具有穹隆状的二维结构，水平的尺度大约为2 0 0 - 3 0 0 K ，厚度约为2 0 6 0 脚( W e na n dH e l m b e r g e r ，1 9 9 8 a ，b ：H e l m b e r g e re ta l ，2 0 0 0 ) 。这些研究只是基于某些特定震相的模型研究，比如，S P d K S S l ( P d S ，P K I K P 的前到波。而N ia n dH e l m e r g e r ( 2 0 0 2 ) 和L u o ，N ia n dH e l m b e r g e r ( 2 0 0 1 )提出了更多的研究U L V Z 的震相，比如，1 0 0 度以外的S c S 。P K P a b 的波形分裂。尤其让人信服的是，N ia n dH e l m b e r g e r ( 2 0 0 1 ) 利用S K P d S 和P K I K P 的前到波这两种独立的震相验证了U L V Z 的穹隆状结构G a n e r oe ta l ( 2 0 0 2 )提出，某些U L V Z 可能存在于外核一侧，是由于外核结晶为固体内核时的残渣积累到核幔边界的下面形成的。但是更多数的U L V Z 似乎应该存在与地幔一侧( N ia n dH e l m b e r g e r ，2 0 0 5 ) ，但是还需要更多的研究才能确认U L V Z 的位置。最近，R o s te ta l ( 2 0 0 5 ) 的研究则提出了更精细的U L V Z 结构，但是他们的方法似乎值得怀疑，因为他们提出的模型精度已经比F r e z n e l 区小了很多。D ”层在某些地区是低速的( N ia n dH e l m b e r g e r2 0 0 1 ，2 0 0 3 ：W a n ga n dW e n ，2 0 0 5 ) ，低速层厚度越为2 0 0 K M ，剪切波速度异常约为- 3 。这些低速层的顶部的速度梯度尚未很好的确定，但是有可能是比较尖锐的。U L V Z 经常分布在D ”层的高速和低速的过渡带，而非在低速区的中间部位( N ia n dH e l m b e r g e r 。2 0 0 1 ，N ia n dH e l m b e r g e r ，2 0 0 3 ) 。低速区有可能是由温度和部分熔融造成的( L a ye ta 1 ，2 0 0 4 ) 。人们还发现，不均匀分布的D ”层各向异性( G a r n e r oe ta 1 ，2 0 0 4 ：R o k o s k ye ta 1 2 0 0 4 ) ：D ”层存在大量的散射体( H e d l i ne ta 1 ，1 9 9 7 ，N i ua n dW e n ，2 0 0 1 ) 。但是对于D ”层的本质，尚没有一致的结论。L a ye ta 1 ( 2 0 0 4 ) 总结了目前D ”层的一些基本模型( 图1 ) 这些模型是建立在地震学的观测上的，图1 8 的下地幔中有高速区( + 号) ，低速区( 一) ，和超级地幔柱( 非洲下面，N ie ta 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 。图1 b 描述了几种D ”层2 4可能的机制，有热边界层模型( T B L ) ，化学层( C B L ) ，残渣模型，板块的聚集地，相变和混合模型。首先，无论如何，D ”层至少在一定的程度上是一个热边界层( T B L ，L a ye ta 1 ，2 0 0 4 ) ，这是因为地球磁场的长期存在要求有相当的热量从外核流入地幔( 2 一I O T W ，B u f f e t ，2 0 0 2 ) ，而这个数字可以和地表的总热流量4 4 T W 相比。但是，越来越多的证据表明，D ”层有化学成分的异常( L a ye ta 1 ，2 0 0 4 ：K e l l o ge ta 1 ，1 9 9 9 ：) 俯冲的板块也可以穿透6 6 0 k m 间断面，到达D ”层( G r a n de ta 1 ，1 9 9 7 ：T a ne ta 1 ，2 0 0 2 ) 。L a ye ta 1 ( 2 0 0 4 ) 还认为，D ”层中存在一定量的部分熔融，从而解释U L V Z 和超级地幔柱的成因。关于D ”层是否由相变引起，也有很多的研究，S i d o r i ne ta 1 ( 1 9 9 9 ) 的结果最为著名。他们以层析模型( G r a n d ，1 9 9 4 ) 为基础，应用W K M 方法( N ie ta 1 ，2 0 0 0 ) 计算了上万个理论地震图( S ，S c S ，S c d ) ，并和观测到的数据做比较，从而发现地幔底部存在全球性的间断面，其厚度从3 0 0 K M 到几十蹦不等。他们提出，这个全球性的间断面应该是由相变引起的。过去人们认为，下地幔主要由以镁铁钙钛矿和镁方铁矿组成，加以少许的含钙的钙钛矿，和高压相石英组成( L a ye ta 1 ，2 0 0 4 ) 。而镁铁钙钛矿和镁方铁矿在下地幔的条件下都被认为很稳定，没有相变( W y s e s s i o ne ta 1 ，1 9 9 8 ) 。图1 ：，D ”层的一些模型，热的边界层( T B L ) ，化学层( C B L ) ，残渣，板块的聚集地，相变和混合模型。但是，这个观念在2 0 0 4 年被一系列的重要的文章打破了( g u r a k a m i ，2 0 0 4 ：M u r a k a m ie ta 1 ，2 0 0 4 ：O g a n o va n dO n o ，2 0 0 4 ：S h i me ta 1 ，2 0 0 4 ，I f t a k ae ta 1 ，2 0 0 4 ) ，就象L a y 所说的，“大坝突然被冲破了”( L a ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 。这些作者从实验，分子动力学的计算，独立地发现，纯镁的钙钛矿在对应予D ”层的压力和温度下，可以发生相变，引起卜2 的地震波速度和1 左右的密度的增加。这个相变被称为“后钙钛矿相变”。该相变还可以引起可观的各向异性，从而提供了新的机制解释地震学上的观测( G a r n e r oe ta 1 ，2 0 0 4 ) 。然而，关于该相交尚有许多的阿题没有澄清。比如，C L A P E Y R O N 斜率是多少? 含铁量，含铝量对于该相变的影响有多大? 低速的D ”层是否也有后钙钛矿相交，如果有其厚度是多少? 一些最新的结果表明，1 0 的铁的含量可以使相变发生在高于D ”层几百公里的地方，而百分之几的铝会使该相变变得困难( A k b o ra n dA h r e n s ，私人通讯) 。还有，铁的电子自旋状态已被证明，对钙铁矿和镁方铁矿中的铁镁配分系数有重要的影响，而这个因素对于后钙钛矿相变的影响还是未知( B a d r oe ta 1 ，2 0 0 4 ) 综合各个地震学，地球动力学，矿物物理学的研究成果来看，D ”层的成因应该是多方面的，它是热的边界层，局部包含部分融熔体，也包含较重的化学分异层，并且伴随着后钙钛矿相变。揭示D ”层的本质和起源需要不同学科的共同努力。2 5