地震波トモグラフィーと地球構造

地震波の走時と波形をインバージョンすることにより、地震学者は地球内部の3次元画像を構築し、地殻、マントル、核、および対流とテクトニクスを示す速度異常を明らかにします。

Definition

地震波トモグラフィーは、大量の走時および波形測定値から地球内部の地震波速度の3次元画像を再構築する逆問題手法であり、1次元参照モデルとともに地球内部構造に関する我々の知識を定義します。

Scope

このトピックは、地震観測から地球内部構造を決定すること、すなわち主要な境界（モホ面、核-マントル境界、内核）の発見、参照地球モデル、および走時と波形データを用いた3次元速度変動のトモグラフィーインバージョンを扱います。実体波および表面波トモグラフィー、分解能、不良設定逆問題の正則化、ならびに温度、組成、および流れの観点からの速度異常の解釈について論じます。重点は震源ではなく内部のイメージングに置かれています。

Core questions

• 地球の主要な内部境界はどのようにして地震学的に発見されたのでしょうか？
• 走時と波形はどのようにして3次元速度構造にインバージョンされるのでしょうか？
• トモグラフィー画像の分解能を制限するものは何ですか、またインバージョンはどのように安定化されるのでしょうか？
• 速度異常は温度、組成、および流れの観点からどのように解釈されるのでしょうか？

Key concepts

• 参照地球モデルと放射状速度構造
• モホロビッチ不連続面、核-マントル境界、および内核
• 実体波および表面波トモグラフィー
• 逆問題、正則化、および分解能
• 温度と組成の代理としての速度異常

Key theories

層状参照地球モデル

数十年にわたる走時データは、PREMのような球対称参照モデルに統合され、深さの関数として速度、密度、および減衰を規定し、3次元異常が測定される際のベースラインを提供します。

トモグラフィーインバージョン

地震波トモグラフィーは、イメージングを線形化された逆問題として扱い、観測された走時または波形の摂動をレイパスまたは感度カーネルに沿った速度の摂動に関連付け、正則化されたシステムを解いて3次元構造を回復します。

Mechanisms

地震波速度は、岩石の弾性率と密度に依存し、これらは温度、組成、相、および溶融物や流体の存在によって変化します。冷たく密度の高い物質は一般に速く、高温または部分的に溶融した物質は遅いため、多くの交差するレイパスからインバージョンされた速度画像は、内部の熱的および組成状態の代理マップとなります。

Clinical relevance

マントルのトモグラフィー画像は、沈み込んだスラブと上昇するプルームの位置を制約し、内部とプレート運動およびホットスポット火山活動を結びつけ、地殻スケールではハザードおよび資源研究を支援します。参照モデルは、世界中の地震位置決定の基準となります。

History

モホロビッチは1909年に地殻-マントル境界を特定し、グーテンベルクは核-マントル境界を特定し、レーマンは1936年に内核を発見しました。1981年のPREM（Preliminary Reference Earth Model）と1980年代の計算機トモグラフィーの台頭は、深部地球の3次元イメージングの時代を開きました。

Key figures

• Inge Lehmann
• Andrija Mohorovicic
• Adam Dziewonski
• Don Anderson

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

地震波トモグラフィーは医療用CTスキャンとどのように似ていますか？

どちらも、異なる方向に体を横切る経路に沿って行われた多くの測定値から内部画像を再構築します。地震波トモグラフィーでは、レイは地震波であり、画像化される量は波速であり、これは岩石の温度と組成によって変化します。

地球に固体内核があることはどのようにしてわかったのですか？

インゲ・レーマンは1936年に、地球の遠方に到達する特定の地震波は、液体の外核が、波を異なる方法で屈折させる明確な固体の内核を取り囲んでいる場合にのみ説明できることを発見しました。この構造は、その後多くの他の観測によって確認されています。