Sismik tomografi - Seismic tomography

Sismik tomografi , deprem veya patlamaların ürettiği sismik dalgalarla Dünya'nın alt yüzeyini görüntülemek için kullanılan bir tekniktir. P- , S- ve yüzey dalgaları, sismik dalga boyu, dalga kaynağı mesafesi ve sismograf dizisi kapsamına dayalı farklı çözünürlüklerin tomografik modelleri için kullanılabilir. Sismometrelerde alınan veriler ters bir problemi çözmek için kullanılır, burada dalga yollarının yansıma ve kırılma yerleri belirlenir. Bu çözüm, yapısal, termal veya bileşimsel varyasyonlar olarak yorumlanabilecek hız anomalilerinin 3 boyutlu görüntülerini oluşturmak için kullanılabilir. Yerbilimciler bu görüntüleri çekirdek, manto ve levha tektonik süreçlerini daha iyi anlamak için kullanırlar .

Teori

Tomografi ters bir problem olarak çözüldü . Sismik yolculuk süresi verileri, ilk Dünya modeliyle karşılaştırılır ve model, model tahminleri ile gözlemlenen veriler arasında mümkün olan en iyi uyuma ulaşılana kadar modifiye edilir. Dünya tek tip bileşime sahip olsaydı sismik dalgalar düz çizgiler halinde hareket ederdi, ancak bileşimsel katman, tektonik yapı ve termal değişimler sismik dalgaları yansıtır ve kırar . Bu varyasyonların konumu ve büyüklüğü, ters çevirme işlemi ile hesaplanabilir, ancak tomografik ters çevirmelerin çözümleri benzersiz değildir.

Sismik tomografi, bir bilgisayarın alıcı verilerini 3 boyutlu bir görüntü üretmek için işlemesi açısından tıbbi x-ışını bilgisayarlı tomografiye (CT taraması) benzer , ancak CT taramalarında seyahat süresi farkı yerine zayıflama kullanılır. Sismik tomografi, yeryüzünde yansıtılan ve kırılan eğri ışın yollarının analizi ve deprem merkez üssündeki potansiyel belirsizlik ile ilgilenmelidir . BT taramaları doğrusal x-ışınlarını ve bilinen bir kaynağı kullanır.

Tarih

Sismik tomografi, büyük sismogram veri kümeleri ve iyi konumlandırılmış deprem veya patlama kaynakları gerektirir. Bunlar, 1960'larda küresel sismik ağların genişlemesiyle ve 1970'lerde dijital sismograf veri arşivlerinin kurulmasıyla daha yaygın bir şekilde kullanılabilir hale geldi. Bu gelişmeler, ters problemleri çözmek ve model testi için teorik sismogramlar oluşturmak için gerekli olan hesaplama gücündeki gelişmelerle eşzamanlı olarak meydana geldi.

1977'de, sismik hızın ilk sismik dizi ölçekli 2D haritasını oluşturmak için P dalgası gecikme süreleri kullanıldı. Aynı yıl, mantodaki hız anomalileri için 150 küresel harmonik katsayıları belirlemek için P dalgası verileri kullanılmıştır . Çok sayıda bilinmeyen olduğunda gerekli olan yinelemeli teknikleri kullanan ilk model 1984'te yapıldı. Bu, tomografik modelleri yineleme için karşılaştırmak için gerekli başlangıç ​​referans çerçevesini sağlayan Dünya'nın ilk radyal anizotropik modeli üzerine inşa edildi. İlk modeller, mevcut modellerin birkaç yüz kilometre çözünürlüğüne kıyasla ~ 3000 ila 5000 km çözünürlüğe sahipti.

Sismik tomografik modeller, sismik ağların hesaplanması ve genişletilmesindeki gelişmelerle gelişir. Küresel vücut dalgalarının Son modeller üzerinde 10 kullanılan 7 10 model traveltimes 5 için 10 6 bilinmeyenler.

İşlem

Sismik tomografi, gözlenen verilerle tutarlı modeller oluşturacak şekilde büyük ters problemleri çözerek yer altı anormalliklerinin 2D ve 3D görüntülerini oluşturmak için sismik kayıtları kullanır. Özellik çözünürlüğü için uygun bir dalga boyunda bölgeye nüfuz eden veri ve sismik dalga türlerinin mevcudiyetine bağlı olarak kabuk ve litosfer, sığ manto, bütün manto ve çekirdekteki anormallikleri çözmek için çeşitli yöntemler kullanılır. Modelin doğruluğu, sismik verilerin kullanılabilirliği ve doğruluğu, kullanılan dalga türü ve modelde yapılan varsayımlarla sınırlıdır.

P dalgası verileri, çoğu yerel modelde ve küresel modellerde, yeterli deprem ve sismograf yoğunluğuna sahip alanlarda kullanılır. S- ve yüzey dalgası verileri, okyanus havzalarında ve dalma bölgelerinden uzakta olduğu gibi, bu kapsamın yeterli olmadığı küresel modellerde kullanılır. İlk varış süreleri en yaygın kullanılanlardır, ancak yansıyan ve kırılan aşamaları kullanan modeller, çekirdeği görüntüleyenler gibi daha karmaşık modellerde kullanılır. Dalga fazları veya türleri arasındaki farklı seyahat süreleri de kullanılır.

Yerel tomografi

Yerel tomografik modeller, kapsamlı kalıcı ağ kapsama alanına sahip sismik olarak aktif bir bölgede olmadıkça, genellikle belirli alanları hedefleyen geçici bir sismik diziye dayanır. Bunlar, kabuk ve üst mantonun görüntülenmesine izin verir .

  • Kırınım ve dalga denklem tomografisi , yalnızca ilk varış zamanlarından ziyade tam dalga biçimini kullanır. Tüm varışların genlik ve fazlarının ters çevrilmesi, tek başına iletim seyahat süresinden daha ayrıntılı yoğunluk bilgisi sağlar. Teorik çekiciliğe rağmen, bu yöntemler, hesaplama masrafları ve zor ters çevirmeler nedeniyle yaygın olarak kullanılmamaktadır.
  • Yansıma tomografisi keşif jeofiziğinden kaynaklanmıştır . Kabuk derinliklerindeki küçük ölçekli özellikleri çözmek için yapay bir kaynak kullanır. Geniş açılı tomografi benzerdir, ancak alıcı ofsetine geniş bir kaynaklıdır. Bu, kabuk altı derinliklerinden kırılan sismik dalgaların tespitine izin verir ve kıtasal mimariyi ve plaka kenarlarının ayrıntılarını belirleyebilir. Bu iki yöntem genellikle birlikte kullanılır.
  • Yeterli sismometre kapsama alanına sahip sismik olarak aktif bölgelerde yerel deprem tomografisi kullanılır. Kaynak ve alıcılar arasındaki yakınlık göz önüne alındığında, kesin bir deprem odak konumu bilinmelidir. Bu, model hesaplamalarında hem yapının hem de odak konumlarının aynı anda yinelemesini gerektirir.
  • Telesismik tomografi , yerel bir sismik diziye doğru yukarı doğru sapan uzak depremlerden gelen dalgaları kullanır. Modeller, dizi açıklığına benzer derinliklere, tipik olarak kabuk ve litosferin görüntülenmesi için derinliklere (birkaç yüz kilometre) ulaşabilir. Dalgalar dikeyden 30 ° 'ye yakın hareket ederek kompakt özelliklere dikey bir bozulma yaratır.

Bölgesel veya global tomografi

Kuzey Amerika'nın güneyindeki mantodaki P ve S dalgası hız değişimleri basitleştirilmiş ve yorumlanmış, yitilmiş Farallon Plakası'nı göstermektedir.

Bölgesel ve global ölçekli tomografik modeller genellikle uzun dalga boylarına dayanır. Çeşitli modellerin, görüntüledikleri batık plakalar ve süperplumlar gibi büyük özellik boyutları nedeniyle yerel modellere göre birbirleriyle daha iyi anlaşmaları vardır . Bütün mantodan tüm dünyayı kapsama değiş tokuşu, kaba çözünürlük (yüzlerce kilometre) ve küçük özellikleri görüntüleme güçlüğüdür (örneğin, dar dumanlar). Genellikle yeraltının farklı kısımlarını görüntülemek için kullanılsa da, P ve S dalgasından türetilmiş modeller, görüntünün örtüştüğü yerlerde genel olarak hemfikirdir. Bu modeller hem kalıcı sismik istasyonlardan hem de tamamlayıcı geçici dizilerden gelen verileri kullanır.

  • İlk varış seyahat süresi P dalgası verileri, mantonun en yüksek çözünürlüklü tomografik görüntülerini oluşturmak için kullanılır. Bu modeller, yeterli sismograf kapsamına ve deprem yoğunluğuna sahip bölgelerle sınırlıdır, bu nedenle, sismik ağları olmayan inaktif plaka iç mekanları ve okyanus havzaları gibi alanlar için kullanılamaz. P dalgalarının diğer aşamaları, daha derin manto ve çekirdeği görüntülemek için kullanılır.
  • Sınırlı sismograf veya deprem kapsama alanı olan alanlarda, tomografik modeller için birden fazla S dalgası fazı kullanılabilir. Bunlar, dahil olan mesafeler ve daha az sekme fazı verisi mevcut olduğundan, P dalgası modellerinden daha düşük çözünürlüklüdür. S dalgaları, farklı varış zamanı modelleri için P dalgaları ile birlikte de kullanılabilir.
  • Yüzey dalgaları , vücut dalgası (P ve S) verilerinin mevcut olmadığı yerlerde kabuk ve üst manto tomografisi için kullanılabilir. Hem Rayleigh hem de Love dalgaları kullanılabilir. Düşük frekanslı dalgalar, düşük çözünürlüklü modellere yol açmaktadır, bu nedenle bu modeller kabuk yapısı ile zorlanmaktadır. Serbest salınımlar veya normal mod sismolojisi , bir tür yüzey dalgası olarak düşünülebilecek yeryüzünün uzun dalga boylu, düşük frekanslı hareketleridir. Bu salınımların frekansları, sismik verilerin Fourier dönüşümü yoluyla elde edilebilir . Bu yönteme dayalı modeller geniş ölçeklidir, ancak doğrudan depremlerden elde edilen verilere kıyasla nispeten tek tip veri kapsama avantajına sahiptir.
  • Zayıflatma tomografisi , sismik dalgaların elastik ağırlıklı dalga formundan elastik olmayan sinyali çıkarmaya çalışır. Bu yöntemin avantajı, sıcaklığa duyarlılığı, dolayısıyla manto bulutları ve yitim bölgeleri gibi termal özellikleri görüntüleyebilmesidir. Bu yaklaşımda hem yüzey hem de vücut dalgaları kullanılmıştır.
  • Ortam gürültüsü tomografisi , okyanus ve atmosferik rahatsızlıkların oluşturduğu rastgele dalga alanlarından gelen dalga biçimlerini çapraz ilişkilendirir. Bu yöntemin en büyük avantajı, diğer yöntemlerden farklı olarak sonuç üretmek için deprem veya başka bir olayın meydana gelmesini gerektirmemesidir. Yöntemin bir dezavantajı, önemli miktarda zaman gerektirmesidir, genellikle en az bir yıl, ancak birkaç yıllık veri toplama da yaygındır. Bu yöntem, yüksek çözünürlüklü görüntüler üretmiştir ve aktif bir araştırma alanıdır.
  • Dalga biçimleri sismik analizde ışınlar olarak modellenir, ancak tüm dalgalar ışın yolunun yakınındaki malzemeden etkilenir . Sonlu frekans etkisi, çevreleyen ortamın sismik bir kayıtta elde ettiği sonuçtur. Sonlu frekans tomografisi bunu hem seyahat süresi hem de genlik anormalliklerini belirlemede hesaba katarak görüntü çözünürlüğünü arttırır. Bu, malzeme özelliklerinde çok daha büyük varyasyonları (yani% 10-30) çözme yeteneğine sahiptir.

Başvurular

Sismik tomografi anizotropiyi, esnekliği, yoğunluğu ve toplu ses hızını çözebilir. Bu parametrelerdeki varyasyonlar, manto tüyleri, yitim levhaları ve mineral faz değişiklikleri gibi işlemlere atfedilen termal veya kimyasal farklılıkların bir sonucu olabilir. Tomografi ile görüntülenebilen daha büyük ölçekli özellikler, kıtasal kalkanların altındaki yüksek hızları ve okyanus yayılma merkezlerinin altındaki düşük hızları içerir .

Hotspot'lar

Afrika büyük düşük kayma hızı bölgesi (süperplume)

Manto tüyü hipotezi, sıcak noktalar olarak adlandırılan plaka tektoniği ile kolayca açıklanamayan volkanizma alanlarının , kabukta diyapire dönüşen çekirdek-manto sınırı kadar derinden termal yükselmenin bir sonucu olduğunu öne sürüyor . Tomografik görüntüler bazı sıcak noktaların altında anormallikler olduğunu öne sürse de, bu aktif olarak tartışmalı bir teoridir. Bunlardan en iyi görüntülenenler, alt mantonun S-dalgası modellerinde görülebilen ve hem termal hem de bileşimsel farklılıkları yansıttığına inanılan büyük düşük kayma hızı bölgeleri veya süperplumlardır.

Yellowstone hotspot de volkanizmanın sorumludur Yellowstone Caldera ve birlikte sönmüş calderas bir dizi Snake River Plain . Yellowstone Jeodinamik Projesi, sıcak noktanın altındaki bulutları görüntülemeye çalıştı. Yellowstone'un altında ~ 30 ila 250 km derinlikte güçlü, düşük hızlı bir cisim ve 60 ° batı-kuzeybatıya batan 250 ila 650 km derinlikte daha zayıf bir anomali buldular. Yazarlar, bu özellikleri, sıcak noktanın altındaki manto tüyünün, S-dalgası modellerinde görülen üst mantodaki akışla doğuya doğru saptırılmasına bağlıyor.

Havai sıcak nokta üretilen Hawaii Emperor tepeciğe zinciri . Tomografik görüntüler, 500 ila 600 km genişliğinde ve 2.000 km derinliğe kadar olduğunu gösteriyor.

Yitim bölgeleri

Yalan plakalar, hareket ettikleri mantodan daha soğuktur. Bu, tomografik görüntülerde görülebilen hızlı bir anormallik yaratır. Hem Kuzey Amerika'nın batı kıyılarının altına batan Farallon levhası hem de Asya'nın altına batan Hint levhasının kuzey kısmı tomografi ile görüntülendi.

Sınırlamalar

Küresel sismik ağlar 1960'lardan bu yana istikrarlı bir şekilde genişledi, ancak hala kıtalar ve sismik olarak aktif bölgelerde yoğunlaştı. Okyanuslar, özellikle güney yarımkürede örtülmüş durumda. Bu alanlardaki tomografik modeller, daha fazla veri elde edildiğinde iyileşecektir. Depremlerin dengesiz dağılımı doğal olarak modelleri sismik olarak aktif bölgelerde daha iyi çözünürlüğe yönlendirir.

Bir modelde kullanılan dalganın türü, elde edebileceği çözünürlüğü sınırlar. Daha uzun dalga boyları yeryüzünün derinliklerine nüfuz edebilir, ancak yalnızca büyük özellikleri çözmek için kullanılabilir. Derin manto modellerinde kullanılamayacakları değiş tokuş ile yüzey dalgaları ile daha iyi çözünürlük elde edilebilir. Dalgaboyu ve özellik ölçeği arasındaki eşitsizlik, görüntülerde düşük büyüklük ve boyutta anormalliklere neden olur. P ve S dalgası modelleri, tahrik malzemesi özelliğine bağlı olarak anormallik türlerine farklı yanıt verir. İlk varış zamanına dayalı modeller doğal olarak daha hızlı yolları tercih eder ve bu verilere dayalı modellerin yavaş (genellikle sıcak) özelliklerin daha düşük çözünürlüğe sahip olmasına neden olur. Sığ modeller, kıtasal kabuktaki önemli yanal hız değişimlerini de dikkate almalıdır.

Sismik tomografi yalnızca mevcut hız anormalliklerini sağlar. Önceki yapılar bilinmemektedir ve yeraltındaki yavaş hareket oranları (yılda mm'den cm'ye), modern zaman ölçeklerindeki değişikliklerin çözümlenmesini yasaklamaktadır.

Tomografik çözümler benzersiz değildir. Bir modelin geçerliliğini analiz etmek için istatistiksel yöntemler kullanılabilmesine rağmen, çözülemeyen belirsizlik kalır. Bu, farklı model sonuçlarının geçerliliğini karşılaştırmanın zorluğuna katkıda bulunur.

Hesaplama gücü, tomografik modellerde sismik veri miktarını, bilinmeyenlerin sayısını, ağ boyutunu ve yinelemeleri sınırlar. Bu, sınırlı şebeke kapsamı ve deprem yoğunluğu nedeniyle uzaktaki verilerin daha karmaşık işlenmesini gerektiren okyanus havzalarında özellikle önemlidir. Sığ okyanus modelleri, daha ince kabuk nedeniyle daha küçük model ağ boyutu gerektirir.

Tomografik görüntüler tipik olarak anormalliklerin gücünü temsil eden bir renk rampası ile sunulur. Bu, turuncudan kırmızıya değişimin maviden sarıya daha ince olması gibi, görsel renk algılarına dayalı olarak eşit değişikliklerin farklı büyüklükte görünmesi sonucunu doğurur. Renk doygunluğunun derecesi de yorumları görsel olarak çarpıtabilir. Görüntüleri analiz ederken bu faktörler dikkate alınmalıdır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar