Введение

Метод визуализации, используемый в сейсмологии. Сейсмическая томография или сейсмотомография – это метод визуализации недр Земли с использованием сейсмических волн, генерируемых землетрясениями или взрывами. P-, S-волны и поверхностные волны могут использоваться для создания томографических моделей различного разрешения, основанных на длине волны, расстоянии до источника волны и плотности сети сейсмографов. Данные, полученные на сейсмометрах, используются для решения обратной задачи, в ходе которой определяются точки отражения и преломления сейсмических волн. Полученное решение позволяет создавать трехмерные изображения аномалий скорости, которые могут интерпретироваться как структурные, температурные или композиционные вариации. Геоученые используют эти изображения для лучшего понимания процессов, происходящих в ядре, мантии и в зонах тектонических плит.

Теория

Томография решается как обратная задача. Данные о времени пробега сейсмических волн сравниваются с начальной моделью Земли, и модель модифицируется до тех пор, пока не будет найдено наилучшее соответствие между предсказаниями модели и наблюдаемыми данными. Если бы Земля имела однородный состав, сейсмические волны распространялись бы по прямой, но слоистость состава, тектоническое строение и температурные вариации отражают и преломляют сейсмические волны. Расположение и величина этих вариаций могут быть определены в процессе инверсии, хотя решения томографической инверсии не являются однозначными. Сейсмическая томография аналогична медицинской компьютерной томографии (КТ) в том, что компьютер обрабатывает данные, полученные на приемниках, для создания трехмерного изображения, однако КТ использует ослабление сигнала, а не разницу во времени пробега. Сейсмическая томография имеет дело с анализом криволинейных траекторий распространения волн, которые отражаются и преломляются внутри Земли, а также с потенциальной неопределенностью в определении местоположения гипоцентра землетрясения. КТ использует линейные рентгеновские лучи и известный источник.

История

Сейсмическая томография требует больших объемов данных сейсмограмм и точно определенных источников землетрясений или взрывов. Эти данные стали более доступными в 1960-х годах с расширением глобальных сейсмических сетей, а в 1970-х годах, когда были созданы цифровые архивы данных сейсмографов. Эти разработки происходили одновременно с увеличением вычислительной мощности, необходимой для решения обратных задач и создания теоретических сейсмограмм для проверки моделей. В 1977 году времена задержки P-волн были использованы для создания первой двухмерной карты сейсмической скорости в масштабе сейсмической сети. В том же году данные о P-волнах были использованы для определения 150 сферических гармонических коэффициентов для аномалий скорости в мантии. Первоначальные модели имели разрешение около 3000–5000 км, в то время как разрешение современных моделей составляет несколько сотен километров. Сейсмические томографические модели совершенствуются по мере развития вычислительной техники и расширения сейсмических сетей. В последних моделях глобальных корпусных волн использовалось более 107 времен пробега для моделирования 105–106 неизвестных. Широкоугольная томография аналогична, но характеризуется большим расстоянием между источником и приемником. Это позволяет регистрировать сейсмические волны, преломленные из глубин под корой, и определять континентальную структуру и детали границ плит. Эти два метода часто применяются совместно. Локальная сейсмотомография используется в сейсмически активных регионах с достаточной плотностью сети сейсмометров. Учитывая близость источников и приемников, требуется точное определение местоположения очага землетрясения. Это предполагает одновременную итерацию структуры и местоположений очагов при расчетах модели.

Региональная или глобальная томография

Модели томографии регионального и глобального масштабов обычно основаны на длинных волнах. Различные модели демонстрируют большее согласование друг с другом, чем локальные модели, благодаря большим размерам изображаемых структур, таких как зоны субдукции и суперплюмы. Компромиссом между охватом всей мантии и охватом всей Земли является низкое разрешение (сотни километров) и трудности в визуализации небольших структур (например, узких мантийных шлейфов). Хотя часто используются для визуализации различных частей недр, модели, полученные на основе P- и S-волн, в целом согласуются там, где происходит перекрытие изображений. Эти модели используют данные как от постоянных сейсмических станций, так и от дополнительных временных массивов. Данные о времени прихода P-волн первого движения используются для создания томографических изображений мантии с наивысшим разрешением. Эти модели ограничены регионами с достаточным покрытием сейсмографами и плотностью землетрясений, поэтому их нельзя использовать для таких областей, как неактивные внутренние части плит и океанические бассейны без сейсмических сетей. Другие фазы P-волн используются для визуализации более глубоких слоев мантии и ядра. В районах с ограниченным покрытием сейсмографами или землетрясениями для томографических моделей можно использовать несколько фаз S-волн. Они имеют более низкое разрешение, чем модели на основе P-волн, из-за больших расстояний и меньшего количества данных о фазах отражения. S-волны также могут использоваться в сочетании с P-волнами для моделей дифференциального времени прихода. Поверхностные волны могут использоваться для томографии коры и верхней мантии, когда отсутствуют данные о телесных волнах (P- и S-волнах). Могут использоваться как волны Рэлея, так и волны Лав. Низкочастотные волны приводят к моделям с низким разрешением, поэтому этим моделям сложно восстановить структуру коры. Свободные колебания, или сейсмология нормальных мод, представляют собой длинноволновые, низкочастотные движения поверхности Земли, которые можно рассматривать как разновидность поверхностной волны. Частоты этих колебаний можно получить с помощью преобразования Фурье сейсмических данных. Модели, основанные на этом методе, имеют широкий масштаб, но обладают преимуществом относительно равномерного охвата данных по сравнению с данными, полученными непосредственно от землетрясений. Томография затухания пытается выделить анеластичный сигнал из эластично доминирующей формы волны сейсмических волн. Преимуществом этого метода является его чувствительность к температуре, а следовательно, способность визуализировать тепловые особенности, такие как мантийные шлейфы и зоны субдукции. В этом подходе использовались как поверхностные, так и телесные волны. Томография по фоновому шуму перекрестно коррелирует формы волн из 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. Недостатком метода является то, что он требует значительного времени, обычно не менее одного года, но часто требуется несколько лет сбора данных. Этот метод позволяет получать 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 влияния окружающей среды на сейсмическую запись. Томография с учетом конечной частоты учитывает это при определении аномалий времени хода и амплитуды, повышая разрешение изображения. Это позволяет выявлять значительно большие различия (т.е. 10–30%) в свойствах материала.

Приложения

Сейсмическая томография позволяет определять анизотропию, анеластичность, плотность и скорость распространения объемных звуковых волн. Под Йеллоустоуном была обнаружена область с сильно пониженной скоростью распространения сейсмических волн на глубине от ~30 до 250 км, а также более слабая аномалия на глубине от 250 до 650 км, имеющая наклон 60° к западу-северо-западу. Авторы связывают эти особенности с отклонением мантийного плюма под горячей точкой на восток потоками в верхней мантии, которые наблюдаются в моделях распространения S-волн. Гавайская горячая точка сформировала Гавайско-Императорскую цепь подводных гор. Томографические изображения показывают, что ее ширина составляет от 500 до 600 км, а глубина – до 2000 км.

Зона субдукции

Подходящие плиты холоднее мантии, в которую они погружаются. Это создает быстродвижущуюся аномалию, видимую на томографических изображениях. И Фараллонская плита, погружающаяся под западное побережье Северной Америки, и северная часть Индийской плиты, погружающаяся под Азию, были исследованы с помощью томографии.

Ограничения

Глобальные сейсмические сети неуклонно расширяются с 1960-х годов, но по-прежнему сосредоточены на континентах и в сейсмически активных регионах. Океаны, особенно в южном полушарии, недостаточно изучены. Томографические решения не являются однозначными. Хотя статистические методы могут быть использованы для оценки достоверности модели, сохраняется неустранимая неопределенность. Это набор веб-инструментов для интерактивной визуализации, анализа и количественного сравнения глобальных объемных (3D) наборов данных о недрах Земли, с дополнительными инструментами для работы с другими, взаимодополняющими моделями и наборами данных. EarthScope: Образование и просвещение – Сейсмическая томография. Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии (IRIS). Дата обращения: 17 января 2013 года. Анимация сейсмической томографии. Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии (IRIS). Дата обращения: 17 января 2013 года.