Chụp cắt lớp địa chấn và Cấu trúc Trái Đất

Bằng cách đảo ngược thời gian truyền sóng và dạng sóng địa chấn, các nhà địa chấn học xây dựng hình ảnh ba chiều về bên trong Trái Đất, tiết lộ lớp vỏ, lớp phủ và lõi, cùng với các dị thường vận tốc thể hiện sự đối lưu và kiến tạo.

Definition

Chụp cắt lớp địa chấn là phương pháp bài toán nghịch tái tạo hình ảnh ba chiều về vận tốc địa chấn bên trong Trái Đất từ các tập hợp lớn các phép đo thời gian truyền sóng và dạng sóng, và cùng với các mô hình tham chiếu một chiều, nó định nghĩa kiến thức của chúng ta về cấu trúc bên trong Trái Đất.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc xác định cấu trúc bên trong Trái Đất từ các quan sát địa chấn: khám phá các ranh giới chính (Moho, ranh giới lõi-lớp phủ, lõi bên trong), các mô hình Trái Đất tham chiếu, và phép đảo ngược chụp cắt lớp từ dữ liệu thời gian truyền sóng và dạng sóng để xác định các biến đổi vận tốc ba chiều. Nó đề cập đến chụp cắt lớp sóng khối và sóng mặt, độ phân giải và việc điều hòa các bài toán nghịch không xác định, cũng như việc giải thích các dị thường vận tốc theo nhiệt độ, thành phần và dòng chảy. Trọng tâm là hình ảnh hóa bên trong hơn là nguồn gốc.

Core questions

• Các ranh giới bên trong chính của Trái Đất đã được khám phá bằng địa chấn như thế nào?
• Thời gian truyền sóng và dạng sóng được đảo ngược để xác định cấu trúc vận tốc ba chiều như thế nào?
• Điều gì giới hạn độ phân giải của hình ảnh chụp cắt lớp, và phép đảo ngược được ổn định như thế nào?
• Các dị thường vận tốc được giải thích như thế nào về nhiệt độ, thành phần và dòng chảy?

Key concepts

• Các mô hình Trái Đất tham chiếu và cấu trúc vận tốc xuyên tâm
• Đứt gãy Mohorovicic, ranh giới lõi-lớp phủ và lõi bên trong
• Chụp cắt lớp sóng khối và sóng mặt
• Bài toán nghịch, điều hòa và độ phân giải
• Các dị thường vận tốc như các đại diện cho nhiệt độ và thành phần

Key theories

Mô hình Trái Đất tham chiếu phân lớp

Hàng thập kỷ dữ liệu thời gian truyền sóng đã được tổng hợp thành các mô hình tham chiếu đối xứng cầu như PREM, xác định vận tốc, mật độ và sự suy giảm theo độ sâu, cung cấp cơ sở để đo lường các dị thường ba chiều.

Đảo ngược chụp cắt lớp

Chụp cắt lớp địa chấn coi việc tạo ảnh là một bài toán nghịch tuyến tính hóa, liên hệ các nhiễu loạn trong thời gian truyền sóng hoặc dạng sóng quan sát được với các nhiễu loạn trong vận tốc dọc theo đường tia hoặc nhân nhạy cảm, và giải hệ thống được điều hòa để phục hồi cấu trúc ba chiều.

Mechanisms

Vận tốc địa chấn phụ thuộc vào mô đun đàn hồi và mật độ của đá, vốn thay đổi theo nhiệt độ, thành phần, pha và sự hiện diện của vật liệu nóng chảy hoặc chất lỏng; vật liệu lạnh, đặc thường có vận tốc nhanh và vật liệu nóng hoặc nóng chảy một phần có vận tốc chậm, do đó một hình ảnh vận tốc được đảo ngược từ nhiều đường tia cắt nhau trở thành một bản đồ đại diện cho trạng thái nhiệt và thành phần của bên trong.

Clinical relevance

Các hình ảnh chụp cắt lớp của lớp phủ giới hạn vị trí của các mảng bị hút chìm và các cột vật chất nóng đang dâng lên, liên kết bên trong với chuyển động mảng và hoạt động núi lửa điểm nóng, và ở quy mô vỏ Trái Đất hỗ trợ các nghiên cứu về nguy hiểm và tài nguyên; các mô hình tham chiếu neo định vị động đất trên toàn thế giới.

History

Mohorovicic đã xác định ranh giới vỏ-lớp phủ vào năm 1909, Gutenberg đã định vị ranh giới lõi-lớp phủ, và Lehmann đã khám phá lõi bên trong vào năm 1936; Mô hình Trái Đất Tham chiếu Sơ bộ năm 1981 và sự phát triển của chụp cắt lớp điện toán vào những năm 1980 đã mở ra kỷ nguyên hình ảnh ba chiều của Trái Đất sâu.

Key figures

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

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

Chụp cắt lớp địa chấn giống như chụp CT y tế như thế nào?

Cả hai đều tái tạo hình ảnh bên trong từ nhiều phép đo được thực hiện dọc theo các đường đi cắt qua vật thể theo các hướng khác nhau; trong chụp cắt lớp địa chấn, các tia là sóng địa chấn và đại lượng được chụp là tốc độ sóng, thay đổi theo nhiệt độ và thành phần của đá.

Làm thế nào chúng ta biết Trái Đất có lõi bên trong rắn?

Inge Lehmann đã phát hiện vào năm 1936 rằng một số sóng địa chấn đến phía xa của Trái Đất chỉ có thể được giải thích nếu lõi ngoài lỏng bao quanh một lõi bên trong rắn riêng biệt khúc xạ sóng khác nhau, một cấu trúc đã được xác nhận bởi nhiều quan sát khác kể từ đó.