The Earth's inner core located at the center of the earth and is widely considered that it results from the solidification of the liquid iron of the outer core with cooling of the earth. Seismological studies have revealed complex features of the inner core such as anisotropy for the direction of the earth's rotation axis and equatorial direction, the existence of the hemispherical heterogeneities in the top 100 km for which western hemisphere has low attenuation and lower velocity and eastern hemisphere has high attenuation and faster velocity. In this paper, I focus on the hemispherical heterogeneous structure of the inner core. Although understanding of the attenuation and velocity structures is a important key to give constraint on the physical state and growth process, the depth dependent profiles of the attenuation and velocity have not been well constrained be- cause of the poor resolution due to difficulties in analyzing contaminated core phase data. In this study, I apply the waveform inversion method based on simulated anpnealing to core phase data observed by globally deployed seismic array and estimate continuous and high resolution attenuation and velocity structure in the top half of the inner core. Moreover, involving frequency dependent attenuation model to inversion, frequency dependence of attenuation is investigated. Attenuation model is estimated by using measured attenuation parameter. Whereas measured attenuation parameters show consistent trend for the data which sample in the eastern hemisphere, for western hemisphere there is remarkable difference between the data which sample the inner core beneath Africa (W1) and beneath the north America (W2). Obtained attenuation models suggest hemispherical heterogeneities appear to be confirmed in the top 300 km. Model for the eastern hemisphere has a high attenuation zone at top 150 km and gradually decreases with depth, model for the W1 shows constant low attenuation and model for W2 represents the gradually increase from ICB and have a peak around a 200 km depth. Velocity model is obtained by using traveltime anomaly of differential traveltime between PKP(DF) and PKP(CD, BC). Measured traveltime show the consistent trend within the same hemisphere except for the data that pass through the boundary of two hemispheres. Obtained velocity structure for the eastern hemisphere and for the western hemisphere have about 1% faster and slower than reference model at the top of the inner core and reach to same velocity at 200 km depth. The results from frequency dependent attenuation analysis suggest that whereas the attenuation for the eastern hemisphere do not depend on the frequency, the attenuation for the western hemisphere show the frequency dependent attenuation. If the cause of the attenuation is considered the scattering of the seismic wave, the strongest attenuation and velocity dispersion occur when the wavelength is about the grain size. Adopting this assumption to observations, the grain size in the eastern hemisphere become larger than the western hemisphere and grain size for W2 increase with depth. By applying the waveform inversion approach, it is revealed that hemispherical heterogeneities are restricted in the top 300 km of the inner core and the existence of the heterogeneities in the western hemisphere.

本論文は,7章からなる。第1章は,イントロダクションであり,地球の内核に関するこれまでの研究と,それをうけてのこの研究の目的が書かれている。第2章では,本研究に用いた近年全世界的に展開されてきた大規模地震計アレイ観測網のデータについて記述されている。第3章では,波形インバージョンによる減衰の評価手法と,内核を伝播した波と内核の表面で反射した波の走時と振幅比を比較することによって内核の速度と減衰の構造を評価する手法が記述されている。第4章では,実際の波形を用いた解析結果が示されており,内核の減衰構造について地域差があることが示されている。内核での減衰構造の地域性については,東半球と西半球で減衰構造が大きく違うことが示されており,また西半球のなかにおいても地域差があることが示されている。また,この章では,内核の速度構造についても解析結果が示されている。第5章では,内核における減衰の周波数依存性が示されている。さらに,第6章ではそれらの結果を受けての議論がなされており,第7章で本研究の結論が示されている。

地球の中心に位置する内核については,これまでに地震学的研究によって異方性の存在と,西半球と東半球で速度構造や減衰構造が異なるという東西不均質構造が示されてきた。また,それらの結果をもとに,内核の成長モデルが提唱されている。しかしながら,それらのモデルは,内核の表層100km程度の観測データをもとにしたものであり,それより深い領域での解析結果はほとんど得られていない。これは,内核構造を推定する際に用いられる内核外核境界で反射した波や核内部を伝播した波(core phase)の性質によるものである。内核の表層から100kmから300kmの構造を推定しようとすると,その領域を伝播したcore phaseはいくつかの領域を伝播してきた波が重なって観測されるために,従来の手法では解析不可能なデータとされてきた。しかし,この論文では波形インバージョン手法を用いることにより,いくつかの波が重なった記録についても解析することが可能となる手法を開発した。その結果,従来難しいとされてきた内核の表層から400kmの深さまでの深さ方向に連続的な構造解析に成功するとともに,従来は解析に使われなかった地震も解析対象とすることにも成功し,解析可能なデータ数を飛躍的に増やした。その結果,近年の地震観測網の充実と相まって,内核の様々の領域において深さ方向に連続的な減衰構造と速度構造を解明することに成功し,内核成長モデルへの重要な制約条件を提出した。

この研究によって得られた内核の減衰パラメータは,これまでの研究結果と比べてより詳細な構造が求まり,西半球については,北米大陸下とアフリカ大陸下で顕著な違いがみられることが示された。不均質構造は内核表層から300 kmの深さにおいて顕著で,東半球では強減衰から弱減衰,西半球ではアフリカ下では一様な弱減衰であるのに対して北米下では表層で弱減衰,200kmで強減衰になるなど非常に詳細な減衰構造が得られるに至った。この成果はこの研究の特筆すべき成果であると言える。また,速度構造についても,西半球では低速度,東半球では内核表層から200kmにかけて高速度な領域が存在することが示された。また,本研究においては,さらに減衰構造の周波数依存性についても研究がなされた。その結果,東半球では減衰の周波数依存性は無く,西半球では減衰の周波数依存性が見られる等の結果が得られた。このように本研究においては,波形インバージョンをアレイデータに導入することにより,速度構造,減衰構造,減衰の周波数依存性と様々な物理量において,これまでにない多面的な内核の構造を解き明かした研究であると言える。

さらに本研究では,これらの個々の観測事実は減衰の原因が内核を構成する金属鉄の結晶粒界での散乱であると考えると統一的に説明可能であることを示し,内核における鉄結晶の大きさの不均質性についても考察している。それによると西半球に比べ東半球では,鉄結晶の構造が大きく,西半球のアフリカ下では鉄結晶が一様に小さいのに対して,北米下では,深くなるに従い鉄結晶が大きくなるということになり,内核内での対流などによる結晶成長の可能性を示唆している。このように鉄結晶の大きさの地域性と深さ方向による変化を地震波データの解析結果から議論した本研究の価値は非常に高いものと考えられる。また,これらの結果は,今後物性や数値計算によるモデリングなどをもとにして内核の成長を考える上で重要な知見である。

なお,本論文の一部は,川勝均氏,竹内希氏との共同研究であるが,論文提出者が主体となって解析及び検証を行ったもので,論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって,博士(理学)の学位を授与できると認める。