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          地球的體檢報告--地震層析成像
          2023-12-06 10:21:59

              還記得地球的“里三層外三層”嗎?
              還記得像雞蛋一樣分層的地球內部結構嗎?
           

           

          圖 1 地球的內部圈層

              那么半徑達6371km的地球,我們是如何知道它的內部結構呢?這里給大家介紹一種常用的地球物理方法—地震層析成像(Seismic Tomography)。 

              那什么是地震層析成像呢?那得從CT說起,20世紀60年代初期,美國科學家Cormack從數學和實驗結果中證實了根據X射線的投影可以唯一地確定人體內部結構,從而奠定了醫學診斷上圖像重建理論的基礎,即X射線CT(X Ray Computer Tomography)。20世紀70年代計算機X 射線斷層掃描技術(Computed Tomography或Computerized Tomography,CT)問世于醫學領域。當我們生病的時候去醫院做檢查,醫生有時會說,你去做個CT。于是乎,我們就被送進了治療室:
           

           
          圖 2 做胸透

              然后就看到了這樣的圖片:
           

           


          圖 3 胸透的結果

              那么CT技術是如何工作的呢?

              用X射線束對人體某部一定厚度的層面進行掃描,根據人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同,應用靈敏度極高的儀器對人體進行測量,然后將測量所獲取的數據輸入電子計算機,電子計算機對數據進行處理后,就可拍攝下人體被檢查部位的斷面或立體的圖像,發現體內任何部位的細小病變。
           

           

           
          圖 4 CT工作的基本原理

              隨著CT技術的成功應用,Tomography 技術進入地球物理學領域稱為地震層析成像(Seismic Tomography),即利用地震波來探測地球內部的物性參數,從而得到地球內部速度結構。因為地球內部物質(巖石、金屬)的地震波速度與其物理性質有比較穩定的相關性,所以地震層析成像能獲得地球內部物質的結構。
           

           


          圖 5 地球內部層析成像原理

              地震層析成像是了解地球內部結構的主要工具。地球半徑是6371km,目前最深的人工鉆井才十幾千米,直接了解地球內部結構是不現實的。地震波能穿透地球內部的任何深度。一百多年來,全世界地震儀記錄了汗牛充棟的地震資料,而且每天還在不斷地增加。利用這些地震資料進行地震層析成像來獲知地球內部結構,是切實可行的方法。地震災害是人類遭受的巨大自然災害之一。地震預報和工程抗震都需要對斷層周圍物質的性質和地球板塊的運動有確切的了解,因而地震層析成像也是防震減災不可或缺的工具。 

              20世紀70年代以前,地球物理學家使用全球地震觀測資料編制P、S 波走時表,利用簡單的走時反演方法獲得了地球內部結構的一些重要知識,如發現了莫霍面、核幔分界面、內外核分界面,建立了一維地球分層模型—— 布倫模型。1980年05月國際地球標準模型委員會推薦由多依旺斯基(Adam M.Dziwonski)教授和安德森(D.L.Anderson)教授提出來的初步參考地球模型,作為當前國際上臨時的地球參考模型,供參考對比和使用。這個模型在1981年第21屆國際大地測量與地球物理聯合會上正式通過。稱為初步參考地球模型,簡稱PREM(Preliminary Reference Earth Model)
           

           


          圖 6 PREM模型

              地球物理探測隨信息技術同步發展,大約每10年就更新換代,地球內部更深更精細的成像不斷涌現。全球除了幾千個固定地震臺站在連續監測地震活動之外,還有幾萬臺流動的地震儀,安置在海底和大陸,采集全球和重點區域的地殼運動。2005年,地球物理學家完成了CRUST 2.0全球地殼地震波速成像,分辨率達到2°×2°。
           

           


          圖 7 Crust 2.0模型(地殼厚度模型)

              20世紀70年代初,三維地震層析成像被提出。20世紀80年代以后,隨著全球地震觀測臺網的不斷增多、寬頻帶數字化地震資料的應用、反演理論的實用化以及電子計算機技術的飛速發展,三維地震層析成像蓬勃發展起來。20世紀70年代到2000年的30年間,高頻地震射線近似是地震層析成像的主要方法。自2000年以來的最近10年,有限頻率地震層析成像開始發展起來。傳統的地震層析成像方法獲得了地球內部的靜態大尺度結構 —— 地殼、地幔、內核、外核、巖石圈、軟流圈等,這已經沒有大的爭議。
           

           


          圖 8 層析成像對局部區域地下速度結構的研究

              20世紀80年代初期,海灣石油公司與美國加州大學合作,從80年代開始秘密利用反射數據重建地下速度結構,在1984年的SEG年會上首次公布了地震層析成像的研究成果,引起了轟動。80年代后期,美國國家技術研究所與加拿大多倫多大學在幾個油田上作了跨孔地震層析成像試驗;我國長江流域規劃辦公室和西安煤研所分別在三峽及大同煤礦進行了地震層析成像試驗;地礦部物化探所也在三個金屬礦上進行了少量的試驗。此后層析成像的發展更是方興未艾,它不僅適應了油氣勘探的要求,而且滲透到以提高采收率為目標的油藏工程的全過程。三維地震層析成像在油氣勘探中運用比較廣泛,利用高覆蓋的數據,我們可以得到地下比較精準的三維地震地層模型。
           

           
          圖 9 某地區三維層析成像水平切面中的河道砂




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