Кіріспе

Сейсмологияда қолданылатын бейнелеу техникасы. Сейсмотомография немесе сейсмотомография – жер сілкінісі немесе жарылыстардан туындаған сейсмикалық толқындарды пайдаланып, Жердің ішкі құрылымын бейнелейтін техника. P, S және беттік толқындар сейсмикалық толқын ұзындығы, толқын көзінен арақашықтық және сейсмографтардың жабылу деңгейіне сәйкес әртүрлі ажыратымдылықтағы томографиялық модельдерді құру үшін қолданылуы мүмкін. Сейсмометрлерде алынған деректер кері есепті шешуге пайдаланылады, осы арқылы толқын жолдарының шағылысу және сынғылу орындары анықталады. Бұл шешім жылдамдық аномалияларының 3D суреттерін жасауға мүмкіндік береді, оларды құрылымдық, жылулық немесе құрамындағы өзгерістер ретінде интерпретациялауға болады. Геоғалымдар бұл суреттерді Жер ядросы, мантиясы және плиталық тектоника процестерін жақсырақ түсіну үшін пайдаланады.

Теория

Томография кері проблема ретінде шешіледі. Сейсмикалық толқынның уақыт мәліметтері бастапқы Жер моделімен салыстырылады және модельдің болжамдары мен байқалған деректер арасындағы ең жақсы сәйкестік табылғанға дейін модель өзгертіледі. Егер Жер біртекті құрамда болса, сейсмикалық толқындар тура сызықтармен таралар еді, бірақ құрамының қабатталуы, тектоникалық құрылым және температураның өзгеруі сейсмикалық толқындарды шағылыстырып, сындырады. Осы өзгерістердің орналасуы мен мөлшері инверсиялық процесс арқылы есептеледі, бірақ томографиялық инверсиялардың шешімдері бірегей емес. Сейсмикалық томография медициналық рентгендік компьютерлік томографияға (КТ сканері) ұқсас, себебі компьютер қабылдағыш деректерін 3D бейне алу үшін өңдейді, бірақ КТ сканерінде толқынның жүріп өту уақытының айырмашылығының орнына әлсіреу пайдаланылады. Сейсмикалық томография Жер ішінде шағылып, сынған қисық сәулелердің жолын және жер сілкінісінің ошағының орналасуындағы белгісіздіктерді талдаумен айналысады. КТ сканерінде белгілі көзден шыққан түзу рентген сәулелері қолданылады.

Тарих

Сейсмикалық томографияға сейсмограммалардың үлкен деректер жиынтығы және дұрыс орналасқан жер сілкінісі немесе жарылыс ошақтары қажет. Бұлар 1960 жылдары жаһандық сейсмикалық желілердің кеңеюімен және 1970 жылдары цифрлық сейсмографтар деректерінің архивтері құрылғанда кеңінен қолжетімді болды. Бұл дамулар есептеу қуатының артуымен бірге жүрді, ол кері проблемаларды шешу және модельді тестілеу үшін теориялық сейсмограммаларды жасау үшін қажет болды. 1977 жылы P толқынының кешігу уақыттары сейсмикалық жылдамдықтың алғашқы сейсмикалық масштабты 2D картасын жасау үшін пайдаланылды. Сол жылы P толқыны деректері мантиядағы жылдамдық аномалиялары үшін 150 сфералық гармоникалық коэффициентін анықтау үшін қолданылды. Бастапқы модельдердің ажыратымдылығы ~3000-нан 5000 км-ге дейін болды, ал қазіргі модельдердің ажыратымдылығы бірнеше жүз шақырымды құрайды. Сейсмикалық томографиялық модельдер есептеу техникасының жетістіктерімен және сейсмикалық желілердің кеңеюімен жақсарады. Жақында жасалған жаһандық дене толқынының модельдері 107 сапар уақытын пайдаланып, 105-тен 106 белгісізге дейін модельдеуге мүмкіндік берді. Кенет бұрышты томография ұқсас, бірақ көзден қабылдағышқа дейінгі үлкен арақашықтыққа ие. Бұл жер қыртысының астындағы тереңдіктерден сынған сейсмикалық толқындарды анықтауға және континенттік құрылымды және плиталар шеттерінің егжей-тегжейін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл екі әдіс көбінесе бірге қолданылады. Жергілікті жер сілкінісі томографиясы сейсмикалық белсенді аймақтарда жеткілікті сейсмометр жабынымен қолданылады. Көз бен қабылдағыштардың жақындығын ескере отырып, жер сілкінісі ошағының нақты орны белгілі болуы керек. Бұл модельдік есептеулерде құрылым мен ошақ орналасуын бір уақытта қайта итерациялауды талап етеді.

Өңірлік немесе жаһандық томография

Томографиялық модельдер аймақтық және жаһандық масштабтарда әдетте ұзын толқын ұзындығына негізделген. Әртүрлі модельдер, суреттелетін үлкен ерекшеліктеріне байланысты, жергілікті модельдерге қарағанда бір-бірімен жақсы келіседі, мысалы, субдукцияланған тақталар мен суперплюмдар. Бүкіл мантияны қамтудан бүкіл Жерді қамтуға көшудің кемшілігі – төмен ажыратымдылық (жүздеген шақырым) және кішкентай нысандарды (мысалы, тар қалыңдықтарды) бейнелеу қиындығы. Көбінесе жер астының әртүрлі бөліктерін бейнелеу үшін қолданылса да, P және S толқындарынан алынған модельдер бейнелерінің қабаттасқан жерлерінде кеңінен келіседі. Бұл модельдер тұрақты сейсмикалық станциялар мен қосымша уақытша тізімдерден алынған деректерді пайдаланады. Бірінші келген P толқынының уақыты мантияның ең жоғары ажыратымды томографиялық суреттерін жасау үшін қолданылады. Бұл модельдер жеткілікті сейсмографтар мен жер сілкінісі тығыздығы бар аймақтармен шектеледі, сондықтан оларды сейсмикалық желілері жоқ белсенді емес тақталардың ішкі бөліктері мен мұхит алаптары сияқты аймақтарда қолдануға болмайды. P толқындарының басқа фазалары терең мантия мен ядроны бейнелеу үшін қолданылады. Сейсмографтар немесе жер сілкінісі жабыны шектеулі аймақтарда томографиялық модельдер үшін S толқындарының бірнеше фазасын пайдалануға болады. Бұл P толқыны модельдеріне қарағанда төмен ажыратымды, себебі арақашықтықтар көп және аз шағылыс фазасы деректері бар. S толқындары P толқындарымен бірге дифференциалдық келу уақытын модельдеу үшін де қолданылуы мүмкін. Жер бетіндегі толқындар жер қыртысы мен жоғарғы мантияның томографиясы үшін қолданылуы мүмкін, онда дене толқыны (P және S) туралы деректер жоқ. Рейли және Лав толқындары да қолданылуы мүмкін. Төмен жиілікті толқындар төмен ажыратымды модельдерге әкеледі, сондықтан бұл модельдерде қабық құрылымын анықтау қиын. Еркін тербелістер немесе нормальді режимдегі сейсмология – Жер бетінің ұзын толқынды, төмен жиілікті қозғалыстары, оларды жер бетіндегі толқынның бір түрі деп қарастыруға болады. Бұл тербелістердің жиілігін сейсмикалық деректердің Фурье түрлендіруі арқылы алуға болады. Бұл әдіске негізделген модельдер кең ауқымды, бірақ жер сілкінісінен тікелей алынған деректерге қарағанда салыстырмалы түрде бірыңғай деректерді қамтудың артықшылығы бар. Әлсіреу томографиясы сейсмикалық толқындардың эластикалық доминантты толқын түрінен эластикалық емес сигналды алуға тырысады. Бұл әдістің артықшылығы температураға сезімтал болуы, яғни мантияның тұмсықтары мен субдукция аймақтары сияқты жылулық ерекшеліктерді бейнелеу мүмкіндігі. Бұл әдісте беткі және дене толқындары қолданылды. Қоршаған орта шуының томографиясы мұхит пен атмосфералық бұзылулардан туындаған кездейсоқ толқын өрістерінің толқын формаларын өзара байланыстырады. Бұл әдістің басты артықшылығы – басқа әдістерден айырмашылығы, нәтиже алу үшін жер сілкінісі немесе басқа оқиғаның болуы қажет емес. Бұл әдістің кемшілігі – көп уақытты қажет етуі, әдетте кемінде бір жыл, бірақ бірнеше жылдық деректерді жинау да жиі кездеседі. Бұл әдіс жоғары ажыратымды суреттерді тудырады және белсенді зерттеулер жүргізіліп жатыр. Толқын формалары сейсмикалық талдауда сәулелер ретінде моделіңделеді, бірақ барлық толқындарға сәуле жолына жақын материалдың әсері тиеді. Шекті жиілік әсері – қоршаған ортаның сейсмикалық жазбаға тигізетін әсері. Шекті жиілікті томография бұл әсерді ескере отырып, жүру уақытын және амплитудалық аномалияларды анықтайды, бұл суреттің ажыратымдылығын арттырады. Бұл материал қасиеттерінің үлкен ауытқуларын (мысалы, 10-30%) анықтауға мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Сейсмикалық томография анизотропияны, аэластикалықты, тығыздықты және көлемдік дыбыс жылдамдығын шеше алады. Олар Йеллоустоун астында шамамен 30-ден 250 км тереңдікке дейін күшті төмен жылдамдықты дене және 250-ден 650 км тереңдікке дейін 60° батыс-солтүстік-батысқа қарай еңкейген әлсіз аномалия тапты. Авторлар бұл ерекшеліктерді ыстық нүктенің астындағы мантиялық қаламның жоғарғы мантиядағы ағынмен шығысқа қарай бұрылуына байланысты деп түсіндіреді, бұл S толқыны модельдерінде көрінеді. Гавайидің ыстық нүктесі Гавайи-Император теңіз таулары тізбегін құрады. Томографиялық суреттер оның ені 500-ден 600 км-ге дейін, ал тереңдігі 2000 км-ге жететінін көрсетіп тұр.

Субдукциялық аймақтар

Субдукцияланатын тақталар олардың қозғалатын мантиясынан суық болады. Бұл томографиялық кескіндерде көрінетін жылдамдық аномалиясын жасайды. Солтүстік Американың батыс жағалауының астына субдукцияланған Фараллон тақтасы және Азияның астына субдукцияланған Үнді тақтасының солтүстік бөлігі томография арқылы бейнеленді.

Шектеулер

Әлемдік сейсмикалық желілер 1960 жылдан бері үнемі кеңейіп келеді, бірақ олар әлі де континенттерде және сейсмикалық белсенді аймақтарда шоғырланған. Мұхиттар, әсіресе оңтүстік жарты шарда, жеткіліксіз қамтылған. Томографиялық шешімдер бірегей емес. Модельдің дұрыстығын бағалау үшін статистикалық әдістер қолданылуы мүмкін болғанымен, шешілмейтін белгісіздік қалпынан шығады. Бұл – жер астының көлемдік (3D) деректер жиынтығын интерактивті визуализациялау, талдау және сандық салыстыруға арналған веб-құралдар жиынтығы, сондай-ақ басқа, толықтыратын модельдер мен деректер жиынтықтарымен өзара әрекеттесуге көмектесетін құралдарды қамтиды. EarthScope білім беру және насихаттау: сейсмикалық томография туралы ақпарат. Сейсмология бойынша ғылыми-зерттеу институттары (IRIS). 2013 жылдың 17 қаңтарында алынды. Томография анимациясы. Сейсмология бойынша ғылыми-зерттеу институттары (IRIS). 2013 жылдың 17 қаңтарында алынды.