Сейсмическая томография и строение Земли

Инвертируя времена пробега и формы сейсмических волн, сейсмологи создают трехмерные изображения внутренней структуры Земли, выявляя кору, мантию и ядро, а также аномалии скоростей, которые отражают конвекцию и тектонику.

Definition

Сейсмическая томография — это методология обратной задачи, которая реконструирует трехмерные изображения сейсмической скорости внутри Земли по большим наборам измерений времен пробега и форм волн, и вместе с одномерными эталонными моделями она определяет наши знания о внутренней структуре Земли.

Scope

Эта тема охватывает определение внутренней структуры Земли по сейсмическим наблюдениям: открытие основных границ (Мохоровичича, граница ядро-мантия, внутреннее ядро), эталонные модели Земли и томографическую инверсию данных о временах пробега и формах волн для получения трехмерных вариаций скоростей. Рассматриваются томография объемных и поверхностных волн, разрешение и регуляризация некорректных обратных задач, а также интерпретация аномалий скоростей с точки зрения температуры, состава и потоков. Акцент делается на визуализации внутренней структуры, а не на источнике.

Core questions

• Как были сейсмически обнаружены основные внутренние границы Земли?
• Как времена пробега и формы волн инвертируются для получения трехмерной скоростной структуры?
• Что ограничивает разрешение томографических изображений и как стабилизируется инверсия?
• Как интерпретируются аномалии скоростей с точки зрения температуры, состава и потоков?

Key concepts

• Эталонные модели Земли и радиальная скоростная структура
• Граница Мохоровичича, граница ядро-мантия и внутреннее ядро
• Томография объемных и поверхностных волн
• Обратные задачи, регуляризация и разрешение
• Аномалии скоростей как индикаторы температуры и состава

Key theories

Слоистая эталонная модель Земли

Десятилетия данных о временах пробега были синтезированы в сферически-симметричные эталонные модели, такие как PREM, которые определяют скорость, плотность и затухание как функции глубины, обеспечивая базовую линию, относительно которой измеряются трехмерные аномалии.

Томографическая инверсия

Сейсмическая томография рассматривает визуализацию как линеаризованную обратную задачу, связывая возмущения в наблюдаемых временах пробега или формах волн с возмущениями скорости вдоль лучевых траекторий или ядер чувствительности, и решая регуляризованную систему для восстановления трехмерной структуры.

Mechanisms

Сейсмическая скорость зависит от упругих модулей и плотности горных пород, которые варьируются в зависимости от температуры, состава, фазового состояния и присутствия расплава или флюидов; холодный, плотный материал обычно имеет высокую скорость, а горячий или частично расплавленный материал — низкую, поэтому изображение скорости, инвертированное по множеству пересекающихся лучевых траекторий, становится косвенной картой термического и композиционного состояния недр.

Clinical relevance

Томографические изображения мантии позволяют определить местоположение субдуцирующих плит и восходящих плюмов, связывают внутреннюю структуру с движением плит и вулканизмом горячих точек, а на масштабах земной коры поддерживают исследования опасностей и ресурсов; эталонные модели служат основой для определения местоположения землетрясений по всему миру.

History

Мохоровичич идентифицировал границу кора-мантия в 1909 году, Гутенберг локализовал границу ядро-мантия, а Леманн открыла внутреннее ядро в 1936 году; Предварительная эталонная модель Земли 1981 года и развитие вычислительной томографии в 1980-х годах открыли эру трехмерной визуализации глубоких недр Земли.

Key figures

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

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

Чем сейсмическая томография похожа на медицинское КТ-сканирование?

Обе методики реконструируют внутреннее изображение по множеству измерений, выполненных вдоль путей, пересекающих тело в разных направлениях; в сейсмической томографии лучами являются сейсмические волны, а измеряемой величиной — скорость волны, которая варьируется в зависимости от температуры и состава породы.

Как мы узнали, что Земля имеет твердое внутреннее ядро?

Инге Леманн в 1936 году обнаружила, что некоторые сейсмические волны, достигающие дальней стороны Земли, могли быть объяснены только в том случае, если жидкое внешнее ядро окружает отдельное твердое внутреннее ядро, которое по-разному преломляет волны; эта структура с тех пор была подтверждена многими другими наблюдениями.