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重點摘要：

• 地震波中的P波在地球內部傳遞時，因地球構造不同而波速不同，所以可藉由P波的反射、折射觀測來推論地球內部構造的不連續帶。
• 這不是第一篇提出地球存在「最內部內核」的論文，過去已有數篇論文探索從「外部內核」至「最內部內核」之間的過渡帶。
• 地球內核具有P波各向異性，在「外部內核」P波沿地球自轉軸傳遞時波速較沿赤道方向（90度）快，但此研究發現，在「最內部內核」處，慢軸從90度角轉變至54度角。

議題背景

2021年3月7日媒體報導一篇發表在地球物理研究期刊（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）的研究，科學家分析P波傳遞時間和運用「鄰域演算法」，發現地球最內部的核心結構曾經發生改變，因此存在一條可將構造分為不同層的新界線。突破了過往教科書「地球內部構造從外到內共有四層」的認知，對此，我們邀請專家解析。

新聞中引用的研究文獻：

Stephenson, J., H. Tkalčić, and M. Sambridge (2021). "Evidence for the innermost inner core: Robust parameter search for radially varying anisotropy using the Neighbourhood Algorithm." Journal of Geophysical Research: Solid Earth (JGR: Solid Earth), e2020JB020545.

相關新聞可參考：

1. 科技新報（2021）。〈地球最深處隱藏新結構，科學家確認地核最內部還有新的一層〉，3月7日。
2. 聯合報（2021）。〈改寫教科書！澳洲科學家發現地球內地核裡還有更深一層〉，3月6日。
3. Forbees（2021）。〈Seismic Signals Confirm Existence Of Earth’s ‘Innermost Core’〉，David Bressan，3月4日。

專家怎麼說？

2021年03月09日
中央研究院地球科學研究所副研究員 郁文哲（fgsyw@earth.sinica.edu.tw）

地球內部構造的分層，主要是由地震波在地球內部傳遞時，因不同的介質，所產生的波相反射、折射，以及轉換所造成的。R. D. Oldham 在1906年的著作中發現P波[1]的震幅在距離震央約11,119公里處，震幅的能量驟降，而發現地表下約2900公里深的低速帶液態外核[2]。此地球內部的核幔邊界阻擋所有S波繼續往深部傳遞並大幅降低P波波速。在外核內部折射的P波，波速隨著深度而逐漸增加。在1936年I. Lehmann 分析P波的波相，提出在地表下5150公里深處需要驟增約9%的P波波速來解釋她觀測到的P波到達時間[3]。此P波波速不連續帶，對應到地球內外核邊界（the inner core boundary），推論固態內核的存在。Lehmann觀測到的波相是在內核折射的P波，簡稱PKIKP或PKPDF。藉由分析PKIKP，前人研究指出地球內核具有各向異性（anisotropy）的特性，P波穿越內核時，波速沿地球自轉軸方向較沿赤道方向快，在內核不同區域、深度，此各相異性的量值不同。

最近，J. Stephenson 等人分析國際地震中心（ISC）的PKIKP絕對到達時間、並採用鄰域演算法（Neighborhood Algorithm, NA），發現在內核下650公里深度（地表下約5800公里深度），P波速度最慢的方向從原本約90度赤道方向轉變到約54度的方向，因此提出了地球構造存在「最內部內核」（innermost inner core, IMIC）的有力證據[4]。

此研究有三項限制和一項特點：

1. 要均勻的採樣最內部內核的地震數據，需要地震與測站的震央距在大約19,125至20,014公里，相當於地球的半圓周長，但全球地震、測站的分佈不均勻。
2. 在震央距約20,014公里時，PKIKP的傳遞時間約1141秒（震源深度地表下600公里處），但PKIKP在最內部內核的傳遞時間約87秒，最內部內核的構造對PKIKP的傳遞時間貢獻僅約7.6%。但是，PKIKP的傳遞時間也會受地幔、核幔邊界、外部內核構造的影響，即最內部內核不是貢獻PKIKP傳遞時間異常的唯一區域。
3. ISC提供的地震波到達時間是由人工判讀，但波相有時會被誤判，會導致內核各向異性或P波速度模型被推論錯誤。
4. 此研究提到，不同論文的分析方法所產生的不確定性不同，而鄰域演算法直接搜尋各向異性的参數，能降低参數不確定性。

這並不是第一篇提出地球最內部內核存在的論文。最內部內核的討論最早是由哈佛大學研究人員M. Ishii and A. M. Dziewoński[5]提出。過去20年內，已經有很多的研究論文討論最內部內核的P波波速或各向異性（例如[6]-[11]）。最內部內核的成因可能是地球早期分化，而保留不同化學元素的組成或構造。或是固態鐵的晶體結構從六方最密堆積[12]轉換至體心立方堆積[13]。但此相變的轉換還需要實驗、理論計算高壓高溫礦物物理學、地球化學等其他研究方法支持或反證。

註釋與參考資料：

[1] 編註：地震波在地球內部傳遞，P波的震動方向和傳遞方向平行，S波的震動方向和傳遞方向垂直。地震發生後，P波最先到達，S波則需較長的傳遞時間。

[2] Oldham, R. D. (1906), The constitution of the interior of the Earth, as revealed by earthquakes.Quarterly Journal of the Geological Society of London, 62 (1–4), 456–475.

[3] Lehmann, I. (1936), P'. Publications du Bureau Central Séismologique International, A14, 87–115.

[4] Stephenson, J., H. Tkalčić, and M. Sambridge (2021), Evidence for the innermost inner core: Robust parameter search for radially varying anisotropy using the neighborhood algorithm.J. Geophys. Res.: Solid Earth, 126.

[5] Ishii, M., and A. M. Dziewoński (2002), The innermost inner core of the earth: Evidence for a change in anisotropic behavior at the radius of about 300 km.Proc. Nat. Acad. Sci., 99 (22), 14026–14030.

[6] Beghein, C., and J. Trampert (2003), Robust normal mode constraints on inner-core anisotropy from model space search. Science, 299 (5606), 552–555.

[7] Cao, A., and B. Romanowicz (2007), Test of the innermost inner core models using broadband PKIKP travel time residuals. Geophys. Res. Lett., 34 (8).

[8] Cormier, V. F., and A. Stroujkova (2005), Waveform search for the innermost inner core. Earth Planet. Sci. Lett., 236 (1-2), 96–105.

[9] Lythgoe, K. H., A. Deuss, J. F. Rudge, and J. A. Neufeld (2014), Earth's inner core: Innermost inner core or hemispherical variations? Earth Planet. Sci. Lett., 385, 181–189.

[10] Niu, F., and Q. Chen (2008), Seismic evidence for distinct anisotropy in the innermost inner core. Nat. Geosci., 1 (10), 692–696.

[11] Sun, X., and X. Song (2008), The inner inner core of the Earth: Texturing of iron crystals from three-dimensional seismic anisotropy. Earth Planet. Sci. Lett., 269, 56–65.

[12] 編註：六方最密堆積（hexagonal closed packed, HCP）的結構請參考〈Closest Packed Structures - Chemistry LibreTexts〉的示意圖：

[13] 編註：體心立方堆積（body centered cubic, BCC）的結構請參考〈Closest Packed Structures - Chemistry LibreTexts〉的示意圖：