Сейсмическая томография

Техника визуализации, используемая в сейсмологии

Сейсмическая томография или сейсмотомография — это метод получения изображений недр Земли с помощью сейсмических волн, возникающих в результате землетрясений или взрывов. P- , S- и поверхностные волны могут использоваться для томографических моделей различного разрешения в зависимости от длины сейсмической волны, расстояния до источника волн и покрытия сейсмографической группы. ^[1] Данные, полученные на сейсмометрах, используются для решения обратной задачи, при которой определяются места отражения и преломления волновых путей. Это решение можно использовать для создания 3D-изображений аномалий скорости, которые можно интерпретировать как структурные, термические или композиционные вариации. Геологи используют эти изображения, чтобы лучше понять тектонические процессы ядра, мантии и плит .

Теория

Томография решается как обратная задача . Данные о времени распространения сейсмических данных сравниваются с исходной моделью Земли, и модель модифицируется до тех пор, пока не будет найдено наилучшее соответствие между предсказаниями модели и данными наблюдений. Сейсмические волны распространялись бы по прямым линиям, если бы Земля имела однородный состав, но слоистость состава, тектоническая структура и термические изменения отражают и преломляют сейсмические волны . Местоположение и величина этих изменений могут быть рассчитаны с помощью процесса инверсии, хотя решения томографических инверсий не являются уникальными.

Сейсмическая томография похожа на медицинскую рентгеновскую компьютерную томографию (КТ) в том, что компьютер обрабатывает данные приемника для создания трехмерного изображения, хотя при компьютерной томографии вместо разницы во времени прохождения используется затухание . Сейсмическая томография имеет дело с анализом траекторий искривленных лучей, которые отражаются и преломляются внутри Земли, а также с потенциальной неопределенностью местоположения гипоцентра землетрясения . При компьютерной томографии используются линейные рентгеновские лучи и известный источник. ^[2]

История

Сейсмическая томография требует больших наборов данных сейсмограмм и хорошо расположенных источников землетрясений или взрывов. Они стали более широко доступны в 1960-х годах с расширением глобальных сейсмических сетей, а также в 1970-х годах, когда были созданы архивы данных цифровых сейсмографов. Эти разработки происходили одновременно с развитием вычислительной мощности, необходимой для решения обратных задач и создания теоретических сейсмограмм для тестирования моделей. ^[3]

В 1977 году времена задержки продольных волн были использованы для создания первой двумерной карты сейсмической скорости в масштабе сейсмической группы. ^[4] В том же году по данным P-волн было определено 150 коэффициентов сферических гармоник для аномалий скорости в мантии. ^[1] Первая модель с использованием итерационных методов, необходимых при наличии большого количества неизвестных, была создана в 1984 году. Она была основана на первой радиально-анизотропной модели Земли, которая обеспечивала необходимую начальную систему отсчета для сравнения томографических моделей с ней. итерация. ^[5] Первоначальные модели имели разрешение от ~3000 до 5000 км по сравнению с разрешением в несколько сотен километров современных моделей. ^[6]

Сейсмотомографические модели совершенствуются по мере развития компьютерных технологий и расширения сейсмических сетей. Недавние модели глобальных объемных волн использовали более 10 ⁷ времен пробега для моделирования от 10 ⁵ до 10 ⁶ неизвестных. ^[7]

Процесс

Сейсмическая томография использует сейсмические записи для создания 2D и 3D изображений подземных аномалий путем решения больших обратных задач, позволяющих создавать модели, соответствующие наблюдаемым данным. Для разрешения аномалий в земной коре и литосфере , мелкой мантии, всей мантии и ядре используются различные методы, основанные на наличии данных и типах сейсмических волн, которые проникают в регион на длине волны, подходящей для разрешения объектов. Точность модели ограничена доступностью и точностью сейсмических данных, используемым типом волн и допущениями, сделанными в модели.

Данные P-волн используются в большинстве локальных и глобальных моделей в районах с достаточной плотностью землетрясений и сейсмографов. Данные о S- и поверхностных волнах используются в глобальных моделях, когда этого покрытия недостаточно, например, в океанских бассейнах и вдали от зон субдукции . Наиболее широко используются времена первого прибытия, но модели, использующие отраженные и преломленные фазы, используются в более сложных моделях, например, в моделях, отображающих ядро. Также используются дифференциальные времена пробега между фазами или типами волн.

Локальная томография

Локальные томографические модели часто основаны на временной сейсмической группе, нацеленной на определенные районы, за исключением сейсмически активных регионов с обширным постоянным покрытием сети. Это позволяет получить изображения земной коры и верхней мантии .

• Томография с дифракционными и волновыми уравнениями использует полную форму сигнала, а не только время первого вступления. Инверсия амплитуды и фаз всех вступлений дает более подробную информацию о плотности, чем просто время прохождения передачи. Несмотря на теоретическую привлекательность, эти методы не получили широкого применения из-за вычислительных затрат и сложности инверсий.
• Отражательная томография возникла в геологоразведочной геофизике . Он использует искусственный источник для разрешения мелкомасштабных особенностей на глубинах земной коры. ^[8] Широкоугольная томография аналогична, но с широким смещением источника к приемнику. Это позволяет обнаруживать сейсмические волны, преломляющиеся от подкоровых глубин, и определять архитектуру континентов и детали границ плит. Эти два метода часто используются вместе.
• Томография локальных землетрясений используется в сейсмически активных регионах с достаточным охватом сейсмометров. Учитывая близость источника и приемников, необходимо знать точное местоположение очага землетрясения. Это требует одновременной итерации как структуры, так и местоположения фокуса в расчетах модели. ^[7]
• Телесейсмическая томография использует волны от далеких землетрясений, которые отклоняются вверх к местной сейсмической группе. Модели могут достигать глубины, аналогичной апертуре установки, обычно до глубин для визуализации коры и литосферы (несколько сотен километров). Волны движутся под углом около 30° от вертикали, создавая вертикальные искажения компактных объектов. ^[9]

Региональная или глобальная томография

Упрощенные и интерпретированные изменения скорости P- и S-волн в мантии на юге Северной Америки, показывающие субдукционную плиту Фараллон.

Томографические модели регионального и глобального масштаба обычно основаны на длинных волнах. Различные модели лучше согласуются друг с другом, чем локальные модели, из-за большого размера объектов, которые они отображают, таких как субдуцированные плиты и суперплюмы . Компромиссом от покрытия всей мантии к покрытию всей Земли является низкое разрешение (сотни километров) и трудности с отображением мелких объектов (например, узких шлейфов). Хотя модели, основанные на P- и S-волнах, часто используются для изображения различных частей недр, они в целом сходны в тех случаях, когда изображения перекрываются. Эти модели используют данные как постоянных сейсмических станций, так и дополнительных временных массивов.

• Данные о времени пробега первых вступлений P-волн используются для создания томографических изображений мантии с самым высоким разрешением. Эти модели ограничены регионами с достаточным охватом сейсмографов и плотностью землетрясений, поэтому их нельзя использовать для таких областей, как внутренние части неактивных плит и океанские бассейны без сейсмических сетей. Другие фазы P-волн используются для изображения более глубокой мантии и ядра.
• В районах с ограниченным охватом сейсмографов или землетрясений для томографических моделей можно использовать несколько фаз S-волн . Они имеют более низкое разрешение, чем модели P-волн, из-за задействованных расстояний и меньшего количества доступных данных о фазе отражения. S-волны также могут использоваться в сочетании с P-волнами для моделей дифференциального времени вступления.
• Поверхностные волны можно использовать для томографии земной коры и верхней мантии, где отсутствуют данные объемных волн (P и S). Можно использовать как волны Рэлея, так и волны Лява. Низкочастотные волны приводят к созданию моделей с низким разрешением, поэтому в этих моделях возникают трудности со структурой земной коры. Свободные колебания , или сейсмология нормального режима , представляют собой длинноволновые низкочастотные движения поверхности Земли, которые можно рассматривать как тип поверхностных волн. Частоты этих колебаний можно получить путем преобразования Фурье сейсмических данных. Модели, основанные на этом методе, имеют широкий масштаб, но имеют преимущество относительно равномерного охвата данных по сравнению с данными, полученными непосредственно от землетрясений.
• Томография затухания пытается извлечь неупругий сигнал из формы сейсмических волн с преобладанием упругости. Преимуществом этого метода является его чувствительность к температуре и, следовательно, способность отображать термические особенности, такие как мантийные плюмы и зоны субдукции. В этом подходе использовались как поверхностные, так и объемные волны.
• Томография окружающего шума взаимно коррелирует формы сигналов случайных волновых полей, генерируемых океаническими и атмосферными возмущениями. Основным преимуществом этого метода является то, что в отличие от других методов для получения результатов не требуется землетрясение или другое событие. ^[10] Недостатком метода является то, что он требует значительного количества времени, обычно минимум один год, но также часто требуется несколько лет сбора данных. Этот метод позволил получить изображения с высоким разрешением и является областью активных исследований.
• В сейсмическом анализе формы волн моделируются как лучи, но на все волны влияет материал вблизи траектории луча. Эффект конечной частоты — это результат воздействия окружающей среды на сейсмические записи. Конечно-частотная томография учитывает это при определении аномалий как времени прохождения, так и амплитуды, увеличивая разрешение изображения. Это позволяет разрешить гораздо большие отклонения (т. е. 10–30%) свойств материала.

Приложения

Сейсмическая томография может определить анизотропию, неупругость, плотность и скорость объемного звука. ^[6] Вариации этих параметров могут быть результатом термических или химических различий, которые объясняются такими процессами, как мантийные плюмы, погружение плит и минеральные фазовые изменения. Более крупномасштабные особенности, которые можно отобразить с помощью томографии, включают высокие скорости под континентальными щитами и низкие скорости под центрами распространения океана . ^[4]

Горячие точки

Крупная африканская провинция с низкими скоростями сдвига (суперплюм)

Гипотеза мантийного плюма предполагает, что области вулканизма, которые трудно объяснить тектоникой плит, называемые горячими точками , являются результатом теплового апвеллинга с глубины, вплоть до границы ядра и мантии, которые превращаются в диапиры в земной коре. Это активно оспариваемая теория, ^[9] хотя томографические изображения позволяют предположить, что под некоторыми горячими точками существуют аномалии. Лучше всего из них визуализируются крупные провинции с низкой скоростью сдвига или суперплюмы, видимые на моделях S-волн нижней мантии и предположительно отражающие как термические, так и композиционные различия.

Горячая точка Йеллоустона ответственна за вулканизм в Йеллоустонской кальдере и ряде потухших кальдер вдоль равнины реки Снейк . Йеллоустонский геодинамический проект стремился получить изображение шлейфа под горячей точкой. ^[11] Они обнаружили сильное низкоскоростное тело на глубине от ~30 до 250 км под Йеллоустоуном и более слабую аномалию на глубине от 250 до 650 км, наклоненную на 60° к западу-северо-западу. Авторы связывают эти особенности с тем, что мантийный плюм под горячей точкой отклоняется на восток потоком в верхней мантии, наблюдаемым в моделях S-волн.

Горячая точка Гавайских островов образовала цепь подводных гор Гавайско-Императорская . Томографические изображения показывают, что его ширина составляет от 500 до 600 км, а глубина - до 2000 км.

Зоны субдукции

Субдуцирующие плиты холоднее мантии, в которую они движутся. Это создает быструю аномалию, которая видна на томографических изображениях. С помощью томографии были получены изображения как плиты Фараллон , которая погрузилась под западное побережье Северной Америки ^[12], так и северной части Индийской плиты , которая погрузилась под Азию ^{[13] .}

Ограничения

Глобальные сейсмические сети неуклонно расширялись с 1960-х годов, но по-прежнему сконцентрированы на континентах и ​​в сейсмически активных регионах. Океаны, особенно в южном полушарии, скрыты под покровом. ^[9] Томографические модели в этих областях улучшатся, когда станет доступно больше данных. Неравномерное распределение землетрясений естественным образом приводит к смещению моделей в сторону лучшего разрешения в сейсмически активных регионах.

Тип волны, используемой в модели, ограничивает разрешение, которого она может достичь. Более длинные волны способны проникать глубже в Землю, но их можно использовать только для разрешения крупных объектов. Более высокое разрешение может быть достигнуто с помощью поверхностных волн, но их нельзя использовать в моделях глубокой мантии. Несоответствие между длиной волны и масштабом объекта приводит к тому, что аномалии на изображениях кажутся уменьшенными по величине и размеру. Модели P- и S-волн по-разному реагируют на типы аномалий в зависимости от свойств приводного материала. Модели, основанные на времени первого прибытия, естественно, предпочитают более быстрые пути, в результате чего модели, основанные на этих данных, имеют более низкое разрешение медленных (часто горячих) функций. ^[7] Мелкие модели также должны учитывать значительные изменения латеральной скорости в континентальной коре.

Сейсмическая томография дает только аномалии скорости течений. Любые предшествующие структуры неизвестны, а медленные скорости движения в недрах (от мм до см в год) не позволяют разрешить изменения в современных временных масштабах. ^[14]

Томографические решения неоднозначны. Хотя для анализа достоверности модели можно использовать статистические методы, остается неразрешимая неопределенность. ^[7] Это усложняет сравнение достоверности результатов различных моделей.

Вычислительная мощность ограничивает объем сейсмических данных, количество неизвестных, размер сетки и итерации в томографических моделях. Это имеет особое значение в океанских бассейнах, которые из-за ограниченного покрытия сети и плотности землетрясений требуют более сложной обработки удаленных данных. Для мелководных океанических моделей также требуется меньший размер сетки из-за более тонкой коры. ^[5]

Томографические изображения обычно представляются с цветовой шкалой, отражающей силу аномалий. Это приводит к тому, что одинаковые изменения кажутся разной величины в зависимости от визуального восприятия цвета, например, переход от оранжевого к красному более тонкий, чем переход от синего к желтому. Степень насыщенности цвета также может визуально исказить интерпретацию. Эти факторы следует учитывать при анализе изображений. ^[2]

Смотрите также

• Теория бананового пончика
• EarthScope

Рекомендации

1. Нолет, Г. (1 января 1987 г.). «Распространение сейсмических волн и сейсмическая томография». В Нолете, Густ (ред.). Сейсмическая томография . Сейсмология и разведочная геофизика. Спрингер Нидерланды. стр. 1–23. дои : 10.1007/978-94-009-3899-1_1. ISBN 9789027725837.
2. «Сейсмическая томография — использование землетрясений для изображения недр Земли». Объединенные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) . Проверено 18 мая 2016 г.
3. «Краткая история сейсмологии» (PDF) . Геологическая служба США (USGS). Архивировано из оригинала 3 августа 2016 года . Проверено 4 мая 2016 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
4. Кири, Филип; Клепейс, Кейт А.; Вайн, Фредерик Дж. (28 мая 2013 г.). Глобальная тектоника. Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-1118688083.
5. Лю, К.; Гу, YJ (16 сентября 2012 г.). «Сейсмическое изображение: от классической к сопряженной томографии». Тектонофизика . 566–567: 31–66. Бибкод : 2012Tectp.566...31L. doi : 10.1016/j.tecto.2012.07.006.
6. Романович, Барбара (1 января 2003 г.). «ГЛОБАЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ МАНТИИ: прогресс за последние 10 лет». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 31 (1): 303–328. Бибкод : 2003AREPS..31..303R. doi :10.1146/annurev.earth.31.091602.113555.
7. Роулинсон, Н.; Позгай, С.; Фишвик, С. (01 февраля 2010 г.). «Сейсмическая томография: окно в глубь Земли». Физика Земли и недр планет . 178 (3–4): 101–135. Бибкод : 2010PEPI..178..101R. дои : 10.1016/j.pepi.2009.10.002.
8. Бжостовский, Мэтью; МакМечан, Джордж (1992). «Трехмерная томографическая визуализация приповерхностной сейсмической скорости и затухания». Геонаучный мир . Общество геофизиков-разведчиков . Проверено 2 июня 2023 г.
9. Джулиан, Брюс (2006). «Сейсмология: охота за шлейфами» (PDF) . mantleplumes.org . Проверено 3 мая 2016 г.
10. Шапиро, Нью-Мексико (11 марта 2005 г.). «Томография поверхностных волн высокого разрешения по данным окружающего сейсмического шума». Наука . 307 (5715): 1615–1618. Бибкод : 2005Sci...307.1615S. CiteSeerX 10.1.1.399.6167 . дои : 10.1126/science.1108339. PMID  15761151. S2CID  10846386. 
11. Смит, Роберт Б.; Джордан, Майкл; Стейнбергер, Бернхард; Пушкаш, Кристина М.; Фаррелл, Джейми; Уэйт, Грегори П.; Хусен, Стефан; Чанг, Ву-Лунг; О'Коннелл, Ричард (20 ноября 2009 г.). «Геодинамика Йеллоустонской горячей точки и мантийного плюма: сейсмические и GPS-изображения, кинематика и мантийное течение». Журнал вулканологии и геотермальных исследований . Путь Йеллоустонской горячей точки Что неотектоника, климатические индикаторы, вулканизм и петрогенез говорят о подземных процессах? 188 (1–3): 26–56. Бибкод : 2009JVGR..188...26S. doi :10.1016/j.jvolgeores.2009.08.020.
12. «Сейсмическая томография» (PDF) . Earthscope.org . Объединенные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) . Проверено 18 мая 2016 г.
13. Реплумаз, Энн; Негредо, Ана М.; Гийо, Стефан; Вильясеньор, Антонио (01 марта 2010 г.). «Множественные эпизоды континентальной субдукции во время конвергенции Индии и Азии: данные сейсмической томографии и тектонической реконструкции». Тектонофизика . Динамика границ конвергентных плит: новые перспективы структурной геологии, геофизики и геодинамического моделирования. 483 (1–2): 125–134. Бибкод : 2010Tectp.483..125R. doi :10.1016/j.tecto.2009.10.007.
14. Дзевонски, Адам. «Глобальная сейсмическая томография: что мы действительно можем сказать и что выдумываем» (PDF) . mantleplumes.org . Проверено 18 мая 2016 г.

Внешние ссылки

• Образование и информационная работа EarthScope: история сейсмической томографии. Объединенные исследовательские институты сейсмологии (IRIS). Проверено 17 января 2013 г.
• Томографическая анимация. Объединенные исследовательские институты сейсмологии (IRIS). Проверено 17 января 2013 г.