การศึกษาโครงสร้างโลกด้วยคลื่นไหวสะเทือน

นักธรณีฟิสิกส์สร้างภาพสามมิติของภายในโลกโดยการกลับค่าเวลาการเดินทางและรูปคลื่นของคลื่นไหวสะเทือน ซึ่งเผยให้เห็นเปลือกโลก เนื้อโลก และแก่นโลก รวมถึงความผิดปกติของความเร็วที่แสดงถึงการพาความร้อนและธรณีแปรสัณฐาน

Definition

การศึกษาด้วยคลื่นไหวสะเทือน (Seismic tomography) เป็นระเบียบวิธีปัญหาผกผันที่สร้างภาพสามมิติของความเร็วคลื่นไหวสะเทือนภายในโลกขึ้นใหม่จากชุดข้อมูลขนาดใหญ่ของการวัดเวลาการเดินทางและรูปคลื่น และร่วมกับแบบจำลองอ้างอิงหนึ่งมิติ มันกำหนดความรู้ของเราเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของโลก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการกำหนดโครงสร้างภายในของโลกจากการสังเกตการณ์คลื่นไหวสะเทือน: การค้นพบขอบเขตหลัก (Moho, รอยต่อแก่นโลก-เนื้อโลก, แก่นโลกชั้นใน), แบบจำลองอ้างอิงของโลก, และการกลับค่าแบบโทโมกราฟีของข้อมูลเวลาการเดินทางและรูปคลื่นสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเร็วสามมิติ โดยจะกล่าวถึงการศึกษาด้วยคลื่นตัวกลางและคลื่นพื้นผิว, ความละเอียดและการทำให้ปัญหาผกผันที่ไม่ถูกต้องมีความเสถียร, และการตีความความผิดปกติของความเร็วในแง่ของอุณหภูมิ, องค์ประกอบ, และการไหล เน้นที่การสร้างภาพภายในมากกว่าแหล่งกำเนิด

Core questions

• ขอบเขตภายในหลักของโลกถูกค้นพบด้วยคลื่นไหวสะเทือนได้อย่างไร?
• เวลาการเดินทางและรูปคลื่นถูกกลับค่าเพื่อโครงสร้างความเร็วสามมิติได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวจำกัดความละเอียดของภาพโทโมกราฟี และการกลับค่าถูกทำให้เสถียรได้อย่างไร?
• ความผิดปกติของความเร็วถูกตีความในแง่ของอุณหภูมิ, องค์ประกอบ, และการไหลได้อย่างไร?

Key concepts

• แบบจำลองอ้างอิงของโลกและโครงสร้างความเร็วตามแนวรัศมี
• รอยต่อโมโฮโรวิซิก, รอยต่อแก่นโลก-เนื้อโลก, และแก่นโลกชั้นใน
• การศึกษาด้วยคลื่นตัวกลางและคลื่นพื้นผิว
• ปัญหาผกผัน, การทำให้เป็นระเบียบ, และความละเอียด
• ความผิดปกติของความเร็วในฐานะตัวแทนของอุณหภูมิและองค์ประกอบ

Key theories

แบบจำลองอ้างอิงโลกแบบแบ่งชั้น

ข้อมูลเวลาการเดินทางหลายทศวรรษถูกสังเคราะห์เป็นแบบจำลองอ้างอิงที่มีสมมาตรทรงกลม เช่น PREM ซึ่งระบุความเร็ว, ความหนาแน่น, และการลดทอนเป็นฟังก์ชันของความลึก โดยเป็นพื้นฐานในการวัดความผิดปกติสามมิติ

การกลับค่าแบบโทโมกราฟี

การศึกษาด้วยคลื่นไหวสะเทือนถือว่าการสร้างภาพเป็นปัญหาผกผันเชิงเส้น โดยเชื่อมโยงการรบกวนในการสังเกตเวลาการเดินทางหรือรูปคลื่นกับการรบกวนในความเร็วตามเส้นทางรังสีหรือเคอร์เนลความไว และแก้ระบบที่ทำให้เป็นระเบียบเพื่อกู้คืนโครงสร้างสามมิติ

Mechanisms

ความเร็วคลื่นไหวสะเทือนขึ้นอยู่กับโมดูลัสความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของหิน ซึ่งแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ, องค์ประกอบ, เฟส, และการมีอยู่ของหินหลอมเหลวหรือของไหล โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่เย็นและหนาแน่นจะมีความเร็วสูง และวัสดุที่ร้อนหรือหลอมเหลวบางส่วนจะมีความเร็วต่ำ ดังนั้น ภาพความเร็วที่กลับค่าจากเส้นทางรังสีที่ตัดกันจำนวนมากจึงกลายเป็นแผนที่ตัวแทนของสถานะทางความร้อนและองค์ประกอบภายใน

Clinical relevance

ภาพโทโมกราฟีของเนื้อโลกจำกัดตำแหน่งของแผ่นเปลือกโลกที่มุดตัวและพวยพุ่งขึ้น เชื่อมโยงภายในโลกกับการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกและภูเขาไฟฮอตสปอต และในระดับเปลือกโลกสนับสนุนการศึกษาอันตรายและทรัพยากร; แบบจำลองอ้างอิงเป็นจุดยึดสำหรับการระบุตำแหน่งแผ่นดินไหวทั่วโลก

History

Mohorovicic ระบุรอยต่อเปลือกโลก-เนื้อโลกในปี 1909, Gutenberg ระบุรอยต่อแก่นโลก-เนื้อโลก, และ Lehmann ค้นพบแก่นโลกชั้นในในปี 1936; แบบจำลองอ้างอิงโลกเบื้องต้น (Preliminary Reference Earth Model) ปี 1981 และการเพิ่มขึ้นของการศึกษาด้วยคลื่นไหวสะเทือนเชิงคำนวณในทศวรรษ 1980 ได้เปิดยุคของการสร้างภาพสามมิติของโลกส่วนลึก

Key figures

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

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

การศึกษาด้วยคลื่นไหวสะเทือนคล้ายกับการสแกน CT ทางการแพทย์อย่างไร?

ทั้งสองสร้างภาพภายในขึ้นใหม่จากการวัดหลายครั้งตามเส้นทางที่ตัดผ่านร่างกายในทิศทางต่างๆ; ในการศึกษาด้วยคลื่นไหวสะเทือน รังสีคือคลื่นไหวสะเทือน และปริมาณที่สร้างภาพคือความเร็วคลื่น ซึ่งแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิและองค์ประกอบของหิน

เราทราบได้อย่างไรว่าโลกมีแก่นโลกชั้นในที่เป็นของแข็ง?

Inge Lehmann พบในปี 1936 ว่าคลื่นไหวสะเทือนบางชนิดที่ไปถึงอีกด้านหนึ่งของโลกสามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อแก่นโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลวล้อมรอบแก่นโลกชั้นในที่เป็นของแข็งที่แตกต่างกันซึ่งหักเหคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ได้รับการยืนยันโดยการสังเกตการณ์อื่นๆ อีกมากมายนับตั้งแต่นั้นมา