Tomografia sejsmiczna - Seismic tomography

Tomografia sejsmiczna to technika obrazowania podpowierzchni Ziemi za pomocą fal sejsmicznych wytwarzanych przez trzęsienia ziemi lub eksplozje. Fale P- , S- i powierzchniowe mogą być używane w modelach tomograficznych o różnych rozdzielczościach w oparciu o długość fali sejsmicznej, odległość źródła fal i pokrycie pola sejsmograficznego. Dane otrzymane z sejsmometrów służą do rozwiązania odwrotnego problemu, w którym określa się lokalizacje odbić i załamania torów fal. Rozwiązanie to można wykorzystać do tworzenia trójwymiarowych obrazów anomalii prędkości, które można interpretować jako zmiany strukturalne, termiczne lub kompozycyjne. Geologowie wykorzystują te obrazy, aby lepiej zrozumieć procesy tektoniczne jądra, płaszcza i płyt .

Teoria

Tomografia została rozwiązana jako odwrotny problem . Dane dotyczące czasu podróży sejsmicznej są porównywane z początkowym modelem Ziemi, a model jest modyfikowany do momentu znalezienia najlepszego możliwego dopasowania między przewidywaniami modelu a danymi obserwowanymi. Fale sejsmiczne poruszałyby się po liniach prostych, gdyby Ziemia miała jednorodny skład, ale skład warstw, struktura tektoniczna i zmiany termiczne odbijają i załamują fale sejsmiczne . Umiejscowienie i wielkość tych odchyleń można obliczyć za pomocą procesu inwersji, chociaż rozwiązania dotyczące inwersji tomograficznych nie są unikalne.

Tomografia sejsmiczna jest podobna do medycznej rentgenowskiej tomografii komputerowej (skan CT), ponieważ komputer przetwarza dane odbiornika w celu wytworzenia obrazu 3D, chociaż skany CT wykorzystują tłumienie zamiast różnicy czasu podróży. Tomografia sejsmiczna musi zajmować się analizą zakrzywionych ścieżek promieni, które są odbijane i załamywane w ziemi, oraz potencjalną niepewnością co do lokalizacji hipocentrum trzęsienia ziemi . Skany CT wykorzystują liniowe promieniowanie rentgenowskie i znane źródło.

Historia

Tomografia sejsmiczna wymaga dużych zbiorów danych sejsmogramów i dobrze zlokalizowanych źródeł trzęsień ziemi lub eksplozji. Stały się one szerzej dostępne w latach sześćdziesiątych XX wieku wraz z rozwojem globalnych sieci sejsmicznych oraz w latach siedemdziesiątych, kiedy utworzono cyfrowe archiwa danych sejsmografów. Rozwój ten nastąpił równolegle z rozwojem mocy obliczeniowej, która była wymagana do rozwiązywania problemów odwrotnych i generowania teoretycznych sejsmogramów do testowania modeli.

W 1977 roku czasy opóźnienia fali P wykorzystano do stworzenia pierwszej mapy 2D prędkości sejsmicznej w skali tablicy sejsmicznej. W tym samym roku dane załamka P posłużyły do ​​określenia 150 sferycznych współczynników harmonicznych dla anomalii prędkości w płaszczu. Pierwszy model wykorzystujący techniki iteracyjne, wymagany w przypadku dużej liczby niewiadomych, powstał w 1984 r. Został on zbudowany na podstawie pierwszego radialnie anizotropowego modelu Ziemi, który zapewnił wymagany początkowy układ odniesienia do porównania modeli tomograficznych do iteracji. Początkowe modele miały rozdzielczość od ~ 3000 do 5000 km, w porównaniu z kilkuset kilometrową rozdzielczością obecnych modeli.

Modele tomograficzne sejsmiczne są ulepszane wraz z postępem w obliczeniach i rozbudową sieci sejsmicznych. Najnowsze modele globalne fale ciała stosowany w ciągu 10 7 traveltimes modelować 10 5 do 10 6 niewiadomych.

Proces

Tomografia sejsmiczna wykorzystuje zapisy sejsmiczne do tworzenia obrazów 2D i 3D anomalii podpowierzchniowych poprzez rozwiązywanie dużych problemów odwrotnych, takich jak generowanie modeli zgodnych z obserwowanymi danymi. Do rozwiązywania anomalii w skorupie i litosferze, płytkim płaszczu, całym płaszczu i rdzeniu stosuje się różne metody w oparciu o dostępność danych i typów fal sejsmicznych, które penetrują region przy odpowiedniej długości fali dla rozdzielczości obiektów. Dokładność modelu jest ograniczona dostępnością i dokładnością danych sejsmicznych, zastosowanym typem fali i założeniami przyjętymi w modelu.

Dane fal P są wykorzystywane w większości modeli lokalnych i globalnych na obszarach o wystarczającej gęstości trzęsień ziemi i sejsmografów. Dane dotyczące fal S i powierzchniowych są wykorzystywane w modelach globalnych, gdy pokrycie to jest niewystarczające, na przykład w basenach oceanicznych i poza strefami subdukcji. Czasy pierwszego przybycia są najczęściej używane, ale modele wykorzystujące fazy odbite i załamane są używane w bardziej złożonych modelach, takich jak modele rdzenia. Stosowane są również różne czasy podróży między fazami lub typami fal.

Tomografia lokalna

Lokalne modele tomograficzne często opierają się na tymczasowej macierzy sejsmicznej nakierowanej na określone obszary, chyba że w regionie aktywnym sejsmicznie z rozległym stałym zasięgiem sieci. Umożliwiają one zobrazowanie skorupy i górnego płaszcza .

  • Tomografia dyfrakcyjna i równania fal wykorzystuje pełny przebieg, a nie tylko czasy pierwszego nadejścia. Odwrócenie amplitudy i faz wszystkich przylotów dostarcza bardziej szczegółowych informacji o gęstości niż sam czas podróży transmisji. Pomimo atrakcyjności teoretycznej, metody te nie są szeroko stosowane ze względu na koszty obliczeniowe i trudne inwersje.
  • Tomografia refleksyjna wywodzi się z geofizyki eksploracyjnej . Wykorzystuje sztuczne źródło do rozpoznawania drobnych cech na głębokościach skorupy ziemskiej. Tomografia szerokokątna jest podobna, ale z szerokim przesunięciem między źródłem a odbiornikiem. Pozwala to na wykrywanie fal sejsmicznych załamywanych z głębin subskorupowych i pozwala określić architekturę kontynentu i szczegóły brzegów płyt. Te dwie metody są często używane razem.
  • Lokalna tomografia trzęsień ziemi jest stosowana w regionach aktywnych sejsmicznie o wystarczającym pokryciu sejsmometrem. Biorąc pod uwagę bliskość źródła i odbiorników, należy znać dokładną lokalizację ogniska trzęsienia ziemi. Wymaga to jednoczesnej iteracji zarówno struktury, jak i lokalizacji skupienia w obliczeniach modelowych.
  • Tomografia telesejsmiczna wykorzystuje fale z odległych trzęsień ziemi, które odchylają się w górę do lokalnego układu sejsmicznego. Modele mogą osiągać głębokości podobne do apertury matrycy, zazwyczaj do głębokości potrzebnych do obrazowania skorupy i litosfery (kilkaset kilometrów). Fale przemieszczają się blisko 30 ° od pionu, tworząc pionowe zniekształcenie zwartych elementów.

Tomografia regionalna lub globalna

Uproszczone i zinterpretowane zmiany prędkości fal P i S w płaszczu w południowej Ameryce Północnej, ukazujące subdukowaną Płytę Farallona.

Modele tomograficzne w skali regionalnej lub globalnej są generalnie oparte na długich długościach fal. Różne modele mają lepszą umowę z siebie niż lokalnych modeli z powodu dużej wielkości charakterystycznej one obrazu, takich jak pogrążone płyt i superplumes . Kompromisem od pokrycia całego płaszcza do pokrycia całej ziemi jest zgrubna rozdzielczość (setki kilometrów) i trudność w zobrazowaniu małych obiektów (np. Wąskie smugi). Chociaż są często używane do obrazowania różnych części podpowierzchni, modele pochodzące z fal P i S zasadniczo zgadzają się, gdzie obrazy nakładają się. Modele te wykorzystują dane zarówno ze stałych stacji sejsmicznych, jak i dodatkowych tymczasowych tablic.

  • Dane o czasie pierwszego przybycia fali P są wykorzystywane do generowania obrazów tomograficznych płaszcza o najwyższej rozdzielczości. Modele te są ograniczone do regionów o wystarczającym zasięgu sejsmografów i gęstości trzęsień ziemi, dlatego nie można ich używać do obszarów takich jak nieaktywne wnętrza płyt i baseny oceaniczne bez sieci sejsmicznych. Inne fazy fal P są używane do zobrazowania głębszego płaszcza i rdzenia.
  • Na obszarach o ograniczonym zasięgu sejsmografów lub trzęsień ziemi wiele faz fal S może być używanych do modeli tomograficznych. Mają one niższą rozdzielczość niż modele fal P, ze względu na odległości i mniej dostępnych danych dotyczących fazy odbicia. Fale S mogą być również używane w połączeniu z falami P w modelach z różnym czasem przybycia.
  • Fale powierzchniowe można wykorzystać do tomografii skorupy i górnej części płaszcza, gdy nie są dostępne dane dotyczące fal ciała (P i S). Można używać zarówno fal Rayleigh, jak i Love. Fale o niskiej częstotliwości prowadzą do modeli o niskiej rozdzielczości, dlatego modele te mają trudności ze strukturą skorupy ziemskiej. Swobodne oscylacje lub sejsmologia trybu normalnego to ruchy powierzchni ziemi o długich falach i niskiej częstotliwości, które można traktować jako rodzaj fali powierzchniowej. Częstotliwości tych oscylacji można uzyskać poprzez transformację Fouriera danych sejsmicznych. Modele oparte na tej metodzie mają szeroką skalę, ale mają tę zaletę, że mają stosunkowo jednolity zakres danych w porównaniu z danymi pochodzącymi bezpośrednio z trzęsień ziemi.
  • Tłumienie tomografii próby wyodrębnienia sygnału anelastic z elastycznego zdominowana przebiegu fal sejsmicznych. Zaletą tej metody jest jej wrażliwość na temperaturę, a tym samym możliwość zobrazowania cech termicznych, takich jak smugi płaszcza i strefy subdukcji. W tym podejściu wykorzystano zarówno fale powierzchniowe, jak i ciała.
  • Tomografia szumów otoczenia koreluje krzyżowo przebiegi z przypadkowych pól fal generowanych przez zakłócenia oceaniczne i atmosferyczne. Główną zaletą tej metody jest to, że w przeciwieństwie do innych metod nie wymaga ona wystąpienia trzęsienia ziemi ani innego zdarzenia w celu uzyskania wyników. Wadą tej metody jest to, że wymaga ona znacznej ilości czasu, zwykle minimum jednego roku, ale często gromadzi się dane przez kilka lat. Ta metoda pozwoliła uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości i jest obszarem aktywnych badań.
  • Przebiegi są modelowane jako promienie w analizie sejsmicznej, ale materiał w pobliżu ścieżki promienia ma wpływ na wszystkie fale . Efekt skończonej częstotliwości jest wynikiem zapisów sejsmicznych otaczającego ośrodka. Tomografia o skończonej częstotliwości uwzględnia to przy określaniu zarówno czasu podróży, jak i anomalii amplitudy, zwiększając rozdzielczość obrazu. Dzięki temu można rozwiązać znacznie większe różnice (tj. 10–30%) we właściwościach materiału.

Aplikacje

Tomografia sejsmiczna może rozwiązać anizotropię, nieelastyczność, gęstość i masową prędkość dźwięku. Wahania tych parametrów mogą wynikać z różnic termicznych lub chemicznych, które przypisuje się procesom takim jak smugi płaszcza, subdukcje płyt i przemiany faz mineralnych. Większe cechy, które można zobrazować za pomocą tomografii, obejmują wysokie prędkości poniżej tarcz kontynentalnych i niskie prędkości w centrach rozprzestrzeniania się oceanów .

Hotspoty

Afrykańska prowincja o niskiej prędkości ścinania (superplume)

Hipoteza pióropusza płaszcza sugeruje, że obszary wulkanizmu, których nie da się łatwo wyjaśnić tektoniką płyt, zwane hotspotami , są wynikiem wypływu termicznego z tak głębokich granic, jak granica jądra i płaszcza, które stają się diapirami w skorupie. Jest to aktywnie kwestionowana teoria, chociaż obrazy tomograficzne sugerują, że pod niektórymi gorącymi punktami istnieją anomalie. Najlepiej sfotografowane z nich to duże prowincje o niskiej prędkości ścinania lub superplumes, widoczne na modelach fali S dolnego płaszcza i uważa się, że odzwierciedlają one zarówno różnice termiczne, jak i kompozycyjne.

Yellowstone hotspot jest odpowiedzialny za wulkanizmu na Kaldera Yellowstone i szeregu wygasłych kraterów wzdłuż Snake River Plain . Projekt Yellowstone Geodynamic Project starał się zobrazować pióropusz pod gorącym punktem. Znaleźli silne ciało o niskiej prędkości na głębokości od ~ 30 do 250 km pod Yellowstone i słabszą anomalię na głębokości od 250 do 650 km, która opadała 60 ° na zachód-północny zachód. Autorzy przypisują te cechy pióropuszowi płaszcza pod gorącym punktem, który jest odchylany na wschód przez przepływ w górnym płaszczu widoczny w modelach fal S.

W hawajskim hotspocie powstał łańcuch gór podwodnych Hawaiian-Emperor . Zdjęcia tomograficzne pokazują, że ma on szerokość od 500 do 600 km i głębokość do 2000 km.

Strefy subdukcji

Płyty subdukcyjne są zimniejsze niż płaszcz, do którego się przesuwają. Powoduje to szybką anomalię, która jest widoczna na obrazach tomograficznych. Tomograficznie sfotografowano zarówno płytę Farallona, która znajdowała się pod zachodnim wybrzeżem Ameryki Północnej, jak i północną część płyty indyjskiej, która została podbita pod Azją.

Ograniczenia

Globalne sieci sejsmiczne rozrastały się systematycznie od lat 60. XX wieku, ale nadal koncentrują się na kontynentach i w regionach aktywnych sejsmicznie. Oceany, szczególnie na półkuli południowej, są niewidoczne. Modele tomograficzne w tych obszarach poprawią się, gdy dostępnych będzie więcej danych. Nierównomierne rozmieszczenie trzęsień ziemi w naturalny sposób zniekształca modele w celu uzyskania lepszej rozdzielczości w regionach aktywnych sejsmicznie.

Rodzaj fali zastosowanej w modelu ogranicza rozdzielczość, jaką może on osiągnąć. Dłuższe fale mogą wnikać głębiej w ziemię, ale można ich używać tylko do rozróżniania dużych obiektów. Lepszą rozdzielczość można osiągnąć za pomocą fal powierzchniowych, z tym że nie można ich używać w modelach głębokiego płaszcza. Rozbieżność między długością fali a skalą cech powoduje, że na obrazach pojawiają się anomalie o zmniejszonej wielkości i rozmiarze. Modele fal P i S różnie reagują na rodzaje anomalii w zależności od właściwości materiału napędowego. Modele oparte na czasie pierwszego przybycia naturalnie preferują szybsze ścieżki, co powoduje, że modele oparte na tych danych mają niższą rozdzielczość wolnych (często gorących) funkcji. Modele płytkie muszą również uwzględniać znaczne wahania prędkości bocznej w skorupie kontynentalnej.

Tomografia sejsmiczna podaje tylko aktualne anomalie prędkości. Wszelkie wcześniejsze konstrukcje są nieznane, a powolne tempo przemieszczania się w podłożu (od mm do cm na rok) uniemożliwia rozstrzygnięcie zmian we współczesnych skalach czasowych.

Rozwiązania tomograficzne nie są unikalne. Chociaż do analizy poprawności modelu można zastosować metody statystyczne, pozostaje nierozwiązywalna niepewność. Przyczynia się to do trudności w porównaniu ważności wyników różnych modeli.

Moc obliczeniowa ogranicza ilość danych sejsmicznych, liczbę niewiadomych, rozmiar siatki i iteracje w modelach tomograficznych. Ma to szczególne znaczenie w basenach oceanicznych, które ze względu na ograniczony zasięg sieci i gęstość trzęsień ziemi wymagają bardziej złożonego przetwarzania odległych danych. Płytkie modele oceaniczne wymagają również mniejszego rozmiaru oczek modelu ze względu na cieńszą skorupę.

Obrazy tomograficzne są zazwyczaj przedstawiane z rampą kolorów przedstawiającą siłę anomalii. Konsekwencją tego jest to, że pojawiają się równe zmiany o różnej wielkości w oparciu o wizualne postrzeganie koloru, takie jak zmiana z pomarańczowego na czerwony jest bardziej subtelna niż z niebieskiego na żółty. Stopień nasycenia kolorów może również wizualnie wypaczyć interpretacje. Podczas analizy obrazów należy wziąć pod uwagę te czynniki.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne