Введение

Программа по изучению структуры североамериканского континента в области наук о Земле. Проект EarthScope — это финансируемая Национальным научным фондом (NSF) программа по изучению наук о Земле, которая с 2003 по 2018 год использовала геологические и геофизические методы для исследования структуры и эволюции североамериканского континента, а также для понимания процессов, управляющих землетрясениями и вулканами. Проект состоял из трех компонентов: USArray, Обсерватория границ плит и Обсерватория разлома Сан-Андреас на глубине. К проекту были причастны организации UNAVCO, Инкорпорированные институты сейсмологических исследований (IRIS), Стэнфордский университет, Геологическая служба США (USGS) и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). В инициативе также приняли участие несколько международных организаций. Данные EarthScope находятся в открытом доступе.

Обсерватории

Было три обсерватории EarthScope: обсерватория разлома Сан-Андреас на глубине (SAFOD), обсерватория границы плит (PBO) и сейсмическая и магнитотеллурическая обсерватория (USArray). Эти обсерватории включают в себя скважины в активную зону разлома, приемники глобальной системы позиционирования (GPS), инклинометры, лазерные стенометры с большой базой, скважинные стенометры, стационарные и переносные сейсмографы, а также магнитотеллурические станции. Различные компоненты EarthScope обеспечат интегрированные и легкодоступные данные по геохронологии и термохронологии, петрологии и геохимии, структуре и тектонике, поверхностным процессам и геоморфологии, геодинамическому моделированию, физике горных пород и гидрогеологии.

Сейсмическая и магнитотеллурическая обсерватория (USArray)

USArray, управляемый IRIS, был 15-летней программой по созданию плотной сети постоянных и портативных сейсмографов на территории континентальных Соединенных Штатов. Эти сейсмографы регистрировали сейсмические волны, генерируемые землетрясениями по всему миру. Сейсмические волны являются индикаторами распространения энергии внутри Земли. Анализируя записи землетрясений, полученные с этой плотной сети сейсмометров, ученые могли изучать структуру и динамику Земли, а также физические процессы, контролирующие землетрясения и вулканическую активность. Основной целью USArray было получение более глубокого понимания структуры и эволюции континентальной коры, литосферы и мантии под Северной Америкой. USArray состоял из четырех подразделений: переносного массива, гибкого массива, опорной сети и магнитотеллюрического подразделения. Переносной массив состоял из 400 сейсмометров, которые в течение 10 лет развертывались в движущейся сети по всей территории Соединенных Штатов. Станции располагались на расстоянии 70 км друг от друга и позволяли изучать верхние 70 км Земли. Примерно через два года станции перемещались на восток к следующей точке сети, если только они не были приняты какой-либо организацией и не стали постоянной установкой. После завершения охвата всей территории Соединенных Штатов будет занято более 2000 пунктов. Подразделение сетевого массива отвечало за сбор данных со станций переносного массива. Гибкий массив состоял из 291 широкополосной станции, 120 короткопериодических станций и 1700 станций активного источника. Гибкий массив позволял более целенаправленно выбирать места для размещения станций, чем широкий переносной массив. Для картирования структур Земли можно было использовать как естественные, так и искусственно созданные сейсмические волны. Опорная сеть состояла из постоянных сейсмических станций, расположенных на расстоянии около 300 км друг от друга. Опорная сеть обеспечивала базовый уровень для переносного и гибкого массивов. В рамках проекта EarthScope было добавлено и модернизировано 39 станций к уже существующей передовой национальной сейсмической системе, которая являлась частью опорной сети. Магнитотеллюрическое подразделение состояло из семи постоянных и 20 портативных датчиков, регистрирующих электромагнитные поля. Оно является электромагнитным аналогом сейсмических массивов. Портативные датчики перемещались в движущейся сети, аналогичной сети переносного массива, но оставались на каждой точке размещения около месяца, после чего перемещались в следующее место. Магнитотеллюрическая станция состоит из магнитометра, четырех электродов и блока записи данных, которые зарыты в неглубокие ямы. Электроды ориентированы по сторонам света – север-юг и восток-запад – и погружены в солевой раствор для улучшения проводимости грунта.

Обсерватория границ плит (PBO)

Обсерватория границ плит PBO состояла из комплекса геодезических приборов, приемников глобальной системы позиционирования (GPS) и деформационных измерителей скважин, установленных для изучения границы между Североамериканской и Тихоокеанской плитами. Сеть PBO включала несколько основных компонентов: сеть из 1100 постоянных, непрерывно работающих станций GPS, многие из которых передают данные с высокой скоростью и в реальном времени, 78 скважинных сейсмометров, 74 скважинных деформационных измерителя, 26 малоглубинных скважинных наклономеров и шесть лазерных деформационных измерителей с длинной базовой линией. Эти приборы дополнялись данными интерферометрической синтезированной апертуры радара (InSAR) и лидара (Light Detection and Ranging), а также геохронологическими данными, полученными в рамках инициативы GeoEarthScope. PBO также включала в себя комплексные продукты данных, управление данными, а также образовательные и просветительские программы. Эти постоянные сети дополнялись резервом портативных GPS-приемников, которые могли быть развернуты для создания временных сетей по запросу исследователей для измерения движения земной коры в конкретной области или в ответ на геологическое событие. Эксплуатацией части EarthScope, Обсерватории границ плит, занималась компания UNAVCO, Inc. UNAVCO являлась некоммерческим университетским консорциумом, содействующим проведению исследований и образованию в области геодезии.

Глубинная обсерватория разлома Сан-Андреас (SAFOD)

Обсерватория разлома Сан-Андреас на глубине (SAFOD) состояла из основной скважины, пересекающей активный разлом Сан-Андреас на глубине около 3 км, и пилотного отверстия, расположенного примерно в 2 км к юго-западу от разлома Сан-Андреас. Данные, полученные от приборов, установленных в скважинах – датчиков геофонов, систем сбора данных и GPS-часов – а также образцы, собранные в процессе бурения, позволили лучше понять процессы, контролирующие поведение разлома Сан-Андреас.

Продукты данных

Данные, полученные от различных обсерваторий, были использованы для создания различных типов продуктов данных. Каждый продукт данных был предназначен для решения конкретной научной задачи.

Томография P-Wave

Томография – это метод получения трехмерного изображения внутренних структур твердого объекта (например, человеческого тела или Земли) путем наблюдения и регистрации различий в воздействии на эти структуры энергетических волн при их прохождении. Энергетические волны – это P-волны, генерируемые землетрясениями, при этом регистрируются скорости этих волн. Высококачественные данные, собранные постоянными сейсмическими станциями USArray и Advanced National Seismic System (ANSS), позволили создать сейсмические изображения высокого разрешения внутреннего строения Земли под территорией Соединенных Штатов. Сейсмическая томография позволяет уточнить структуру скоростей в мантии и способствует пониманию химических и геодинамических процессов, происходящих в ней. Используя данные, собранные USArray, и глобальные данные о времени пробега волн, была создана глобальная томографическая модель неоднородностей скорости P-волн в мантии. Диапазон и разрешение этой методики позволили исследовать широкий спектр проблем, представляющих интерес для литосферы мантии Северной Америки, включая природу основных тектонических элементов. Этот метод предоставляет доказательства различий в толщине и скоростных аномалиях литосферы мантии между стабильной центральной частью континента и более активным западным регионом Северной Америки. Эти данные крайне важны для понимания локальной эволюции литосферы, а в сочетании с дополнительными глобальными данными позволяют получить изображение мантии за пределами текущего охвата USArray.

Референтные модели приемников

EarthScope Automated Receiver Survey (EARS) создал прототип системы, которая использовалась для решения ряда ключевых задач при создании продуктов EarthScope. Одним из прототипов системы являлась эталонная модель приемника, предоставлявшая данные о толщине земной коры и средних значениях отношения скоростей продольных (Vp) к поперечным (Vs) волнам под станциями мобильной сети USArray.

Сейсмический шум в окружающей среде

Основная функция Advanced National Seismic System (ANSS) и USArray заключалась в предоставлении высококачественных данных для мониторинга землетрясений, изучения источников землетрясений и исследований структуры Земли. Полезность сейсмических данных значительно возрастает при снижении уровня шума, нежелательных вибраций; однако широкополосные сейсмограммы всегда содержат определенный уровень шума. Основные источники шума – это либо само оборудование, либо естественные земные вибрации. Как правило, собственный шум сейсмометра значительно ниже уровня сейсмического шума, и каждая станция имеет характерный спектр шума, который можно рассчитать или наблюдать. Источники сейсмического шума внутри Земли могут быть вызваны следующими факторами: деятельностью человека на или вблизи поверхности Земли, объектами, перемещаемыми ветром, с передачей движения на грунт, движением воды (речным течением), прибрежным волнением, вулканической активностью или медленными деформациями, вызванными тепловой нестабильностью из-за недостатков в конструкции станции. Новый подход к изучению сейсмического шума был внедрен в рамках проекта EarthScope, заключавшийся в отсутствии попыток фильтрации непрерывных сейсмических записей для исключения телесных и поверхностных волн, генерируемых естественными землетрясениями. Сигналы землетрясений обычно не учитываются при обработке данных о шуме, поскольку они, как правило, являются маловероятными событиями, даже при низкой энергии. Две цели сбора данных о сейсмическом шуме заключались в разработке и документировании стандартного метода расчета фонового сейсмического шума и в характеристике изменения уровней фонового сейсмического шума на территории Соединенных Штатов в зависимости от географического положения, сезона и времени суток. Новый статистический подход позволил вычислять функции плотности вероятности (PDF) для оценки полного диапазона шума на данной сейсмической станции, что дало возможность оценивать уровни шума в широком диапазоне частот от 0,01 до 16 Гц (период 100 с, 0,0625 с). Благодаря этому новому методу стало значительно проще сравнивать характеристики сейсмического шума между различными сетями в разных регионах.

Землетрясение Земля Движение Анимации

Сейсмометры мобильной сети USArray зарегистрировали прохождение многочисленных сейсмических волн через заданную точку вблизи поверхности Земли, и традиционно эти сейсмограммы анализируются для определения характеристик строения Земли и источника землетрясения. При наличии плотной сети сейсмических записей эти сигналы также могут быть использованы для визуализации реальных непрерывных сейсмических волн, предоставляя новые возможности и методы интерпретации сложных эффектов распространения волн. Используя сигналы, зарегистрированные сетью сейсмометров, проект EarthScope создал анимацию сейсмических волн, распространяющихся по мобильной сети USArray для отобранных крупных землетрясений. Это позволило наглядно продемонстрировать явления распространения региональных и телесейсмических волн. Сейсмические данные, собранные как с постоянных, так и с мобильных сейсмических станций, были использованы для создания этих компьютерных анимаций.

Региональные тензоры

Тензор сейсмического момента является одним из основных параметров землетрясений, который можно определить по сейсмическим наблюдениям. Он напрямую связан с ориентацией разлома землетрясения и направлением распространения трещины. Моментная магнитуда, Mw, вычисленная на основе величины тензора момента, является наиболее надежным показателем для сравнения и оценки размера землетрясения по сравнению с другими магнитудами. Тензоры момента используются в широком спектре сейсмологических исследований, таких как статистика землетрясений, зависимости масштабирования землетрясений и инверсия напряжений. Создание региональных решений по тензорам момента для умеренных и сильных землетрясений в США стало возможным благодаря мобильной сети USArray и широкополосным сейсмическим станциям Advance National Seismic System. Результаты были получены как во временной, так и в частотной областях. Для оценки качества тензора момента предоставлялись данные о соответствии формы сигнала и фазовом согласовании амплитуд.

Геодезический мониторинг Западных США и Гавайи

Оборудование и методы глобальной системы позиционирования (GPS) предоставляют ученым-землеведам уникальную возможность изучать региональные и локальные движения тектонических плит и осуществлять мониторинг природных опасностей. Очищенные решения сетевых измерений, полученные с нескольких массивов GPS, были объединены в региональные кластеры в рамках проекта EarthScope. В эти массивы входили Тихоокеанский Северо-Западный Геодезический Массив, Обсерватория Границ Плит EarthScope, Западно-Канадский Массив Деформаций и сети, управляемые Геологической службой США. Ежедневные GPS-измерения примерно с 1500 станций вдоль границы Тихоокеанской и Североамериканской плит обеспечивали миллиметровую точность и могли использоваться для мониторинга смещений земной коры. Благодаря использованию программного обеспечения для моделирования данных и собранных данных GPS появилась возможность количественно оценить деформацию коры, вызванную тектоникой плит, землетрясениями, оползнями и вулканическими извержениями.

Времязависимый штамм

Целью было предоставление моделей временной деформации, связанной с рядом недавних землетрясений и других геологических событий, на основе данных GPS. Используя InSAR (интерферометрический синтетический апертурный радар), метод дистанционного зондирования, и PBO (Обсерватория границ плит), сеть стационарных GPS-приемников и датчиков деформации, проект EarthScope обеспечивал пространственно-непрерывные измерения деформации на обширных географических территориях с разрешением от дециметров до сантиметров.

Карта глобального уровня деформации

Карта глобальных скоростей деформации (GSRM) — это проект Международной программы литосферы, целью которого является создание глобальной, самосогласованной модели скоростей деформации и полей скоростей, согласующейся с геодезическими и геологическими данными, полученными с помощью GPS, сейсмометров и датчиков деформации. GSRM представляет собой цифровую модель глобального тензорного поля градиента скорости, отражающую процессы, связанные с современной деформацией земной коры. Основные задачи проекта также включают: (1) сбор и интеграцию глобальных, региональных и локальных моделей, разработанных отдельными исследователями; (2) создание архива существующих данных геологического, геодезического и сейсмического характера, способствующих более глубокому пониманию процессов деформации; и (3) архивирование существующих методов моделирования скоростей деформации и временных изменений деформации. Завершенная карта глобальных скоростей деформации предоставляет обширную информацию, которая будет способствовать пониманию динамики континентов и количественной оценке сейсмической опасности.

Наука

Программа EarthScope затронула семь основных тем с использованием сети обсерваторий.

Образование и информационная деятельность

Программа образования и просвещения была разработана для интеграции EarthScope в учебный процесс и общественную жизнь. Она охватила научных педагогов и студентов, а также специалистов в различных отраслях (инженеров, специалистов по управлению земельными и природными ресурсами, пользователей технических приложений и данных), партнеров проекта (UNAVCO, IRIS, USGS, NASA и др.), и широкую общественность. Для достижения этих целей программа предлагала широкий спектр образовательных семинаров и тренингов, ориентированных на различные аудитории, для оказания поддержки в интерпретации данных и внедрении продуктов данных в учебный процесс. Их задачей было обеспечить понимание всеми того, что такое EarthScope, чем он занимается в сообществе и как использовать получаемые данные. Создавая новые возможности для научных исследований для студентов, программа также надеялась расширить привлечение будущих поколений ученых-землеведов.

Миссия

Использовать данные, продукты и результаты EarthScope для достижения измеримых и устойчивых изменений в методах преподавания и восприятия наук о Земле в Соединенных Штатах.

Голы

Создать заметный общественный имидж для EarthScope, подчеркивающий взаимосвязанность научных открытий и значимость исследовательских инициатив EarthScope. Необходимо сформировать чувство сопричастности у научного сообщества, профессионалов, образовательных учреждений и широкой общественности, чтобы привлечь к участию в проекте EarthScope разнообразные группы людей и организаций. Повышать научную грамотность и понимание EarthScope среди всех слоев населения посредством неформального образования. Содействовать развитию формального образования в области наук о Земле, стимулируя исследовательскую деятельность в учебных классах, направленную на понимание Земли и междисциплинарного характера EarthScope. Поддерживать использование данных, результатов исследований и новых технологий EarthScope для решения сложных задач и повышения качества жизни.

"Эртскоп" в классе

Образовательные и просветительские программы разработали инструменты для преподавателей и учащихся по всей территории Соединенных Штатов, чтобы они могли интерпретировать и применять эту информацию для решения широкого круга научных задач в области наук о Земле. Проект адаптировал свои продукты к конкретным потребностям и запросам педагогов.

Образование дошкольного возраста

Бюллетень EarthScope Education and Outreach был предназначен для учащихся 5–8 классов и представлял собой краткий обзор вулканического или тектонического события, зафиксированного EarthScope, в легко понятной форме, включающей диаграммы и 3D-модели. Материал соответствовал образовательным стандартам для этих возрастных групп. EarthScope Voyager, Jr. давал возможность ученикам изучать и визуализировать различные типы собранных данных. Эта интерактивная карта позволяла пользователям добавлять различные базовые карты, элементы и скорости движения плит. Преподаватели могли получать доступ к данным GPS в реальном времени о движении плит и связанных с ним явлениях через веб-сайт UNAVCO.

Университетский уровень

EarthScope обещала предоставить научному сообществу огромный объем геологических и геофизических данных, открывая множество возможностей для исследований. По мере продвижения проекта USArray Big Foot по стране, университеты принимали сейсмические станции в своих регионах. Эти станции контролировались и обслуживались не только профессорами, но и студентами. Поиск мест для установки новых сейсмических станций давал студентам возможность участвовать в полевых работах. Приток данных способствовал созданию проектов для бакалаврских исследований, магистерских и докторских диссертаций. Список финансируемых предложений можно найти на веб-сайте NSF.

Наследие

В настоящее время существует множество приложений для данных EarthScope, как упоминалось выше. Программа EarthScope была посвящена определению трехмерной структуры Североамериканского континента. В будущем данные, полученные в рамках этой программы, могут быть использованы для разведки углеводородов, определения границ водоносных горизонтов, разработки методов дистанционного зондирования и оценки сейсмической опасности. Благодаря открытым и бесплатным для публичного доступа порталам данных, поддерживаемым EarthScope и его партнерами, возможности применения данных ограничены лишь фантазией тех, кто готов анализировать гигабайты информации. Кроме того, благодаря своему масштабу, программа, несомненно, станет предметом обсуждения для многих людей, не связанных с геологической наукой. О EarthScope будут говорить представители политических, образовательных, общественных и научных кругов.

Геологическое наследие

Многопрофильный характер EarthScope способствовал установлению более тесных связей между геологами разных специализаций и из разных регионов страны. Создание модели Земли такого масштаба потребовало масштабных совместных усилий, и эта модель является одним из главных итогов EarthScope. Анализ данных, полученных в рамках проекта, позволил глубже понять геологические ресурсы Большого Бассейна и эволюцию границы плит на западном побережье Северной Америки. Еще одной важной целью инициативы было укрепление сообщества наук о Земле. Это укрепление самоподдерживается, что подтверждается участием тысяч организаций со всего мира, а также студентов и исследователей всех уровней. Это, в свою очередь, повышает осведомленность широкой общественности, включая будущих специалистов в области наук о Земле. В ходе дальнейшего развития проекта EarthScope появились возможности для создания новых обсерваторий с расширенными возможностями, в том числе для расширения сети USArray над Мексиканским и Калифорнийским заливами. Инструменты и обсерватории EarthScope, даже после завершения проекта, могут быть использованы университетами и профессиональными геологами. К этим инструментам относится как физическое оборудование, так и программное обеспечение, разработанное для анализа данных, а также другие данные и образовательные материалы, созданные или вдохновленные EarthScope.

Политическое наследие

Наука, полученная благодаря EarthScope, и исследователи, использующие ее данные, помогают законодателям в разработке экологической политики, выявлении опасностей и, в конечном итоге, в получении федерального финансирования для более масштабных проектов, подобных этому. Помимо трех физических измерений структуры Северной Америки, четвертое измерение континента описывается с помощью геохронологии на основе данных EarthScope. Углубленное понимание геологической истории континента позволит будущим поколениям более эффективно управлять геологическими ресурсами и справляться с геологическими опасностями. Законы об охране окружающей среды были предметом споров с момента европейской колонизации Северной Америки. В частности, вопросы прав на воду и полезные ископаемые являлись причиной разногласий. Представители в Вашингтоне и столицах штатов нуждаются в научно обоснованных рекомендациях при разработке наиболее эффективных законов об охране окружающей среды для страны. Научное сообщество EarthScope оказалось в состоянии предложить правительству наиболее надежный путь решения вопросов экологической политики. Выявление опасностей с использованием данных EarthScope – это уже применяемая практика. Фактически, Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями (FEMA) выделило Геологической службе Аризоны и ее университетам-партнерам финансирование для установки и обслуживания восьми станций Передвижного Массива. Эти станции будут использоваться для обновления оценки сейсмической опасности в Аризоне.

Социальное наследие

Для реализации потенциала EarthScope в области наук о Земле необходимо продолжать укреплять связи между исследовательским сообществом и сферами образования и просвещения. Расширение просветительской деятельности, направленной на музеи, систему национальных парков и общеобразовательные школы, обеспечит дальнейшее развитие этих перспективных связей. Сотрудничество с ведущими СМИ, такими как Discovery Channel, Science Channel и National Geographic, может обеспечить долгосрочное влияние и закрепить значимость проекта в общественном сознании. Науки о Земле уже признаны важной современной дисциплиной, особенно в условиях современной "зеленой" культуры, в развитии которой EarthScope играет свою роль. Масштаб проекта EarthScope способствует повышению осведомленности общественности о строении планеты, на которой мы живем.

Консорциум EarthScope

Учитывая, что IRIS и UNAVCO обеспечивали функционирование сейсмологических и геодезических компонентов оборудования, необходимого для реализации проекта, после слияния этих двух организаций в 2023 году они приняли название EarthScope Consortium, отражающее единое видение новой организации.