Сейсмическая томография - Seismic tomography

Сейсмическая томография - это метод построения изображений недр Земли с помощью сейсмических волн, вызванных землетрясениями или взрывами. P- , S- и поверхностные волны могут использоваться для томографических моделей с различным разрешением в зависимости от длины сейсмической волны, расстояния до источника волны и покрытия массива сейсмографов. Данные, полученные на сейсмометрах, используются для решения обратной задачи, в которой определяются места отражения и преломления волновых путей. Это решение можно использовать для создания трехмерных изображений аномалий скорости, которые можно интерпретировать как структурные, термические или композиционные изменения. Геофизики используют эти изображения, чтобы лучше понять тектонические процессы ядра, мантии и плит .

Теория

Томография решается как обратная задача . Данные о времени прохождения сейсморазведки сравниваются с исходной моделью Земли, и модель модифицируется до тех пор, пока не будет найдено наилучшее возможное соответствие между предсказаниями модели и данными наблюдений. Сейсмические волны распространялись бы по прямым линиям, если бы Земля имела однородный состав, но композиционная слоистость, тектоническая структура и температурные вариации 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 (компьютерную томографию) в том смысле, что компьютер обрабатывает данные приемника для создания трехмерного изображения, хотя при компьютерной томографии используется затухание вместо разницы во времени прохождения. Сейсмическая томография должна иметь дело с анализом изогнутых траекторий лучей, которые отражаются и преломляются внутри земли, и потенциальной неопределенности в местоположении гипоцентра землетрясения . Компьютерная томография использует линейные рентгеновские лучи и известный источник.

История

Сейсмическая томография требует больших наборов сейсмограмм и удачно расположенных источников землетрясений или взрывов. Они стали более доступными в 1960-х годах с расширением глобальных сейсмических сетей и в 1970-х годах, когда были созданы архивы цифровых сейсмографических данных. Эти разработки произошли одновременно с развитием вычислительной мощности, которая требовалась для решения обратных задач и создания теоретических сейсмограмм для тестирования моделей.

В 1977 году времена задержки P-волны были использованы для создания первой двумерной карты сейсмической скорости в масштабе сейсмической группы. В том же году данные P-волн были использованы для определения 150 коэффициентов сферических гармоник для аномалий скорости в мантии. Первая модель, использующая итерационные методы, необходимые при большом количестве неизвестных, была создана в 1984 году. Она построена на первой радиально анизотропной модели Земли, которая предоставила необходимую начальную систему отсчета для сравнения томографических моделей для итераций. Первоначальные модели имели разрешение от ~ 3000 до 5000 км по сравнению с разрешением в несколько сотен километров нынешних моделей.

Сейсмические томографические модели улучшаются с развитием вычислений и расширением сейсмических сетей. Последние модели глобальных объемных волн использовали более 10 7 времен пробега для моделирования от 10 5 до 10 6 неизвестных.

Процесс

Сейсмическая томография использует сейсмические записи для создания 2D и 3D изображений подземных аномалий путем решения больших обратных задач, таких как создание моделей, согласующихся с наблюдаемыми данными. Для разрешения аномалий в коре и литосфере, мелкой мантии, всей мантии и ядре используются различные методы, основанные на доступности данных и типах сейсмических волн, которые проникают в регион на подходящей длине волны для разрешения пространственных объектов. Точность модели ограничена доступностью и точностью сейсмических данных, типом используемой волны 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. Время первого прихода является наиболее широко используемым, но модели, использующие отраженные и преломленные фазы , используются в более сложных моделях, таких как модели, отображающие ядро. Также используются дифференциальные времена пробега между фазами или типами волн.

Локальная томография

Локальные томографические модели часто основаны на временном сейсмическом массиве, нацеленном на определенные области, за исключением сейсмически активных регионов с обширным постоянным покрытием сети. Это позволяет получить изображение коры и верхней мантии .

  • В томографии дифракции и волнового уравнения используется полная форма волны, а не только время первого прихода. Инверсия амплитуды и фаз всех приходов дает более подробную информацию о плотности, чем только время пробега передачи. Несмотря на теоретическую привлекательность, эти методы не получили широкого распространения из-за затрат на вычисления и сложных обращений.
  • Отражательная томография зародилась в разведочной геофизике . Он использует искусственный источник для разрешения мелкомасштабных структур на глубинах земной коры. Широкоугольная томография аналогична, но с широким смещением от источника к приемнику. Это позволяет обнаруживать сейсмические волны, преломленные от подкоровых глубин, и может определять архитектуру континентов и детали краев плит. Эти два метода часто используются вместе.
  • Томография местных землетрясений используется в сейсмически активных регионах с достаточным сейсмометрическим покрытием. Учитывая близость между источником и приемниками, необходимо знать точное местоположение очага землетрясения. Это требует одновременной итерации как структуры, так и местоположения фокуса в расчетах модели.
  • Телесейсмическая томография использует волны от далеких землетрясений, которые отклоняются вверх до местной сейсмической группы. Модели могут достигать глубин, аналогичных апертуре массива, обычно до глубин для построения изображений земной коры и литосферы (несколько сотен километров). Волны распространяются под углом около 30 ° от вертикали, создавая вертикальные искажения для компактных элементов.

Региональная или глобальная томография

Упрощенные и интерпретированные изменения скорости продольных и поперечных волн в мантии на юге Северной Америки, показывающие субдуцированную плиту Фараллон.

Томографические модели регионального и глобального масштаба, как правило, основаны на длинных волнах. Различные модели лучше согласуются друг с другом, чем местные модели, из-за большого размера элементов, которые они отображают, таких как погруженные плиты и суперплюмы . Компромисс между охватом всей мантии и всей земной поверхностью - это грубое разрешение (сотни километров) и сложность изображения мелких объектов (например, узких шлейфов). Хотя модели, полученные на основе P- и S-волн, часто используются для изображения различных частей геологической среды, они в целом согласны с тем, где есть перекрытие изображений. В этих моделях используются данные как постоянных сейсмических станций, так и дополнительных временных групп.

  • Данные о времени пробега первого прихода P-волны используются для создания томографических изображений мантии с самым высоким разрешением. Эти модели ограничены регионами с достаточным сейсмографическим покрытием и плотностью землетрясений, поэтому не могут использоваться для таких областей, как недра бездействующих плит и океанских бассейнов без сейсмических сетей. Другие фазы P-волн используются для изображения более глубокой мантии и ядра.
  • В областях с ограниченным охватом сейсмографом или землетрясениями для томографических моделей можно использовать несколько фаз поперечных волн . Они имеют более низкое разрешение, чем модели P-волн, из-за больших расстояний и меньшего количества доступных данных о фазе отражения. S-волны также могут использоваться в сочетании с P-волнами для моделей дифференциального времени прихода.
  • Поверхностные волны можно использовать для томографии земной коры и верхней мантии, где нет данных о объемных волнах (P и S). Могут использоваться как волны Рэлея, так и волны Лява. Низкочастотные волны приводят к моделям с низким разрешением, поэтому эти модели имеют трудности со структурой земной коры. Свободные колебания или сейсмология нормального режима - это длинноволновые, низкочастотные движения поверхности земли, которые можно рассматривать как тип поверхностных волн. Частоты этих колебаний могут быть получены путем преобразования Фурье сейсмических данных. Модели, основанные на этом методе, имеют широкий масштаб, но имеют преимущество относительно однородного охвата данных по сравнению с данными, полученными непосредственно от землетрясений.
  • В томографии затухания делается попытка выделить неупругий сигнал из формы волны сейсмических волн с преобладанием упругости. Преимущество этого метода заключается в его чувствительности к температуре, что позволяет отображать тепловые объекты, такие как мантийные плюмы и зоны субдукции. В этом подходе использовались как поверхностные, так и объемные волны.
  • Томография окружающего шума взаимно коррелирует формы волн от случайных волновых полей, генерируемых океаническими и атмосферными возмущениями. Основное преимущество этого метода заключается в том, что в отличие от других методов, для получения результатов не требуется землетрясение или другое событие. Недостатком метода является то, что он требует значительного количества времени, обычно не менее одного года, но также часто бывает несколько лет сбора данных. Этот метод позволяет получать изображения с высоким разрешением и является областью активных исследований.
  • При сейсмическом анализе формы волн моделируются как лучи, но на все волны влияет материал, находящийся рядом с траекторией луча. Эффект конечной частоты - это результат сейсмической записи окружающей среды. Конечно-частотная томография учитывает это при определении аномалий как времени прохождения, так и амплитуды, увеличивая разрешение изображения. Это позволяет разрешить гораздо большие вариации (например, 10–30%) свойств материала.

Приложения

Сейсмическая томография может определять анизотропию, неупругость, плотность и объемную скорость звука. Вариации этих параметров могут быть результатом термических или химических различий, которые связаны с такими процессами, как мантийные плюмы, субдуцирующие плиты и изменения минеральной фазы. Особенности более крупного масштаба, которые можно отобразить с помощью томографии, включают высокие скорости под континентальными щитами и низкие скорости под центрами распространения океана .

Горячие точки

Африканская крупная провинция малых скоростей сдвига (суперплюм)

Гипотеза мантийного плюма предполагает, что области вулканизма, которые трудно объяснить тектоникой плит, называемые горячими точками , являются результатом теплового апвеллинга с такой глубины, как граница ядро-мантия, которые становятся диапирами в коре. Это активно оспариваемая теория, хотя томографические изображения показывают, что под некоторыми горячими точками есть аномалии. Лучше всего из них отображаются крупные провинции или суперплюмы с низкой скоростью сдвига, которые видны на моделях S-волн нижней мантии и, как полагают, отражают как термические, так и композиционные различия.

Точка доступа Йеллоустоун отвечает за вулканизма в Йеллоустонский кальдеру и ряд вымерших кальдерах вдоль реки Снейк равнины . Йеллоустонский геодинамический проект стремился изобразить шлейф под горячей точкой. 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, которая упала на 60 ° запад-северо-запад. Авторы связывают эти особенности с мантийным плюмом под горячей точкой, отклоняющимся на восток потоком в верхней мантии, наблюдаемым в моделях S-волн.

Горячих точек Гавайских островов произвел цепь подводных гор Гавайская императора . Томографические изображения показывают, что его ширина составляет от 500 до 600 км, а глубина - до 2000 км.

Зоны субдукции

Погружающие плиты холоднее мантии, в которую они движутся. Это создает быструю аномалию, которая видна на томографических изображениях. И плита Фараллон, которая погрузилась под западное побережье Северной Америки, и северная часть Индийской плиты , которая погрузилась под Азию, были визуализированы с помощью томографии.

Ограничения

Глобальные сейсмические сети неуклонно расширяются с 1960-х годов, но все еще сосредоточены на континентах и ​​в сейсмически активных регионах. Океаны, особенно в южном полушарии, не покрыты покровом. Томографические модели в этих областях улучшатся, когда станет доступно больше данных. Неравномерное распределение землетрясений естественным образом смещает модели в сторону лучшего разрешения в сейсмически активных регионах.

Тип волны, используемой в модели, ограничивает достижимое разрешение. Более длинные волны могут проникать глубже в землю, но могут использоваться только для разрешения крупных объектов. Более высокое разрешение может быть достигнуто с помощью поверхностных волн, но при этом их нельзя использовать в моделях глубокой мантии. Несоответствие между длиной волны и масштабом элемента приводит к появлению аномалий уменьшенной величины и размера на изображениях. Модели P- и S-волн по-разному реагируют на типы аномалий в зависимости от свойств движущего 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. Мелководные модели также должны учитывать значительные изменения поперечной скорости в континентальной коре.

Сейсмическая томография позволяет получить только аномалии скорости течений. Какие-либо предшествующие структуры неизвестны, и медленные скорости движения в недрах (от миллиметров до сантиметров в год) не позволяют разрешить изменения в современных временных масштабах.

Томографические решения не уникальны. Хотя статистические методы могут использоваться для анализа достоверности модели, остается неразрешимая неопределенность. Это усложняет сравнение достоверности результатов различных моделей.

Вычислительная мощность ограничивает объем сейсмических данных, количество неизвестных, размер сетки и количество итераций в томографических моделях. Это особенно важно в океанских бассейнах, которые из-за ограниченного покрытия сети и плотности землетрясений требуют более сложной обработки удаленных данных. Мелководные океанические модели также требуют меньшего размера ячейки модели из-за более тонкой корки.

Томографические изображения обычно представлены с цветовой шкалой, представляющей силу аномалий. Это приводит к тому, что одинаковые изменения кажутся разной величины в зависимости от визуального восприятия цвета, например, переход от оранжевого к красному становится более тонким, чем с синего на желтый. Степень насыщенности цвета также может визуально исказить интерпретацию. Эти факторы следует учитывать при анализе изображений.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки