Сейсмическая томография

Короновский Н. В. Сейсмическая томография /Соросовский образовательный журнал, том 6, №11, 2000

Значения скоростей различных сейсмических волн позволяют рассчитать распределение плотности вещества и давления внутри Земли. Наибольшим признанием учёных до последнего времени пользовалась модель строения Земли К. Е. Буллена, созданная в 1959-1969 годах. В последнее время используется более новая, уточнённая модель PREM (Prelimenary Reference Earth Model), которая характеризуется “нормальным”, то есть усреднённым распределённым с глубинной различных физических параметров, в том числе скоростей сейсмических волн.

Очевидно, что, чем больше регистрируется землетрясений, тем точнее и полнее информация о недрах нашей планеты. В последние десятилетия количество сейсмических станций во всём мире многократно увеличилось, а следовательно, возрос поток информации, обработка которой требует огромный по объёму и трудоёмких вычислений. И тут вовремя появились быстродействующие компьютеры, позволившие на многие порядки ускорить процесс вычислений новых данных, непрерывно поступающих с сейсмостанций.

Именно эти два фактора – новые сейсмические станции и компьютеры позволили выявить небольшие (до 5%) отклонения скоростей прохождения сейсмических волн через недра Земли относительно стандартных моделей их распределения К. Е. Буллена или PREM. Геологам открылась удивительная картина размещения аномальных участков в мантии Земли с положительными или отрицательными значениями скоростей упругих объёмных сейсмических волн относительно их “нормальных” значений для соответствующих глубин. Эти участки можно наблюдать как в двух- , так и в трёхмерном изображении. Методы, позволяющие получать подобные объёмные картины неоднородностей в мантии и коре Земли, получили название сейсмической томографии.

Теоретические основы сейсмотомографии

Сейсмческая томография базируется на измерении скоростей объёмных и поверхностных сейсмических волн, направленных таким образом, чтобы “просветить” интересующее геофизиков непрозрачное тело, например массив горных пород, который исследователь не может непосредственно наблюдать. При этом массив неподвижен, так же как источники и приёмники сейсмических волн.

Приложение силы к твёрдому упругому телу – горной породе, например, в виде удара, мгновенного смещения по разлому, подземного взрыва – вызывает в нём деформацию, то есть сейсмическую волну, которая распространяется во все стороны от места приложения силы. Наиболее эффективным способом образования сильных колебаний является землетрясение, волны деформаций от очага или гипоцентра которого пронизывают весь земной шар. Специальные приборы – сейсмографы улавливают и фиксируют эти волны, преобразованные в колебания почвы, и записывают их в виде сейсмограмм.

Вполне очевидно, что , чем больше сейсмических волн проходит через какую-либо неоднородность в мантии земли или земной коре, тем более подробную информацию об изменениях фаз, периодов, амплитуд и скоростей этих волн мы будем иметь. Количество записей особенно важно, так как одно землетрясение даёт лишь одну, усреднённую скорость волны вдоль луча, попавшего на сейсмоприёмник. Но когда лучей много и они идут с разных сторон, взаимно пересекаясь, тогда информация об источнике волн гораздо более полная. Иными словами, на сейсмоприёмники поступят данные о флуктуациях многих физических параметров, которые после трудоёмкого процесса их обработки покажут, какие существуют отклонения от стандартной модели. Поскольку землетрясений ежегодно происходит сотни тысяч, а станции, регистрирующих сейсмические волны, многие тысячи, необходимо обработать колоссальный объём материала, который может сделать только быстродействующая ЭВМ. Современные цифровые сейсмографы регистрируют сейсмические волны и позволяют сразу же вводить их в ЭВМ. Следует отметить, что исследования сейсмических границ и неоднородностей внутри Земли представляют собой сложную, непрерывно совершенствуемую задачу. Необходимо отфильтровать помехи и шумы, неизбежно возникающие при определении времени вступления продольных, поперечных и других волн на сейсмограмме.

Существуют различные методы для определения глубинных сейсмических границ и неоднородностей, связанные с отражёнными, преломлёнными и обменными волнами. Но можно использовать, как это и делается в сейсмотомографии, сразу все типы волн, не изучая их последовательно, а как бы суммируя их вместе. Это так называемая многоволновая томография, которая даёт гораздо более качественное представление о глубинных неоднородностях. Надо подчеркнуть, что известные алгоритмы для построения изображений на основе анализа скоростей сейсмических волн удачно дополняются знанием особенностей геологических разрезов, которые хорошо известны для верхних горизонтов Земной коры и прежде всего осадочных толщ, но хуже для её более глубинных уровней и ещё хуже для мантии Земли.

Процесс отбора необходимых сейсмических параметров и оценка их качества для получения томографического изображения столь же важны, как и конечный результат – построение трёхмерной картины интересующей нас неоднородности в недрах Земли. Именно отбор экспериментальных сейсмических данных, а также их первичная обработка являются тем необходимым основанием, на котором строится вся дальнейшая работа для получения изображения. Это особо следует подчеркнуть для того, чтобы было понятно, почему сейсмотомографические изображения, в основу которых положен, казалось бы, одинаковый первичный материал, при обработке разными исследователями могут значительно отличаться.

Томографическая модель мантии земли

Сейсмическая томография позволила получить первые представления о конвективных течениях вещества в мантии Земли. До этого геологи и геофизики имели лишь умозрительные представления о подобных движениях в мантии, основываясь на явно несовершенных числовых моделях конвекции и изменениях поля силы тяжести на поверхности Земли. Та картина, которая открылась геофизикам при использовании сейсмотомографии для изучения неоднородностей в мантии Земли, оказалась во многом неожиданной, что было продемонстрировано Д. Л. Андерсоном и А. М. Дзевонским ещё в начале 80-х годов. Самое важное, что удалось выявить, - разнонаправленное горизонтальное или близкое к нему движение относительно холодного и нагретого вещества, а не только перемещение в вертикальной плоскости, как это предполагалось раньше. Холодные и горячие струи вещества мантии образуют сложное переплетение в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и при этом не наблюдается полного соответствия их глубинных продолжений по отношению к поверхностным.

Так, например, нагретые колонны мантийного вещества под областями новейшего вулканизма или рифтовыми зонами срединно-океанических хребтов не поднимаются из глубины в виде прямых колонн, а имеют весьма причудливую форму, отклоняясь в стороны и обладая отростками, апофизами, шарообразными вздутиями.

Однако в пределах верхней мантии подтвердились основные положения теории тектоники литосферных плит, и мы действительно наблюдаем погружение холодных и более плотных океанических пластин под более лёгкие континентальные и подъём нагретого вещества вдоль осей рифтовых океанических и континентальных зон. Но эти закономерности непростые. Погружающееся холодные плиты имеют различные углы падения от почти вертикальных до очень пологих. Часть из них достигает глубины верхней и нижней мантии (@670 км). Часть проникает ниже, а некоторые как бы продавливают поверхность верхней и нижней мантии, раздуваясь и образуя “бульбу”.

Надо отметить, что подобные, весьма впечатляющие картины субдуцирующейся холодной, “быстрой” океанической плиты, погружающейся под континентальную, сейчас выявлены почти во всех островных дугах: Камчатской, Курильской, Японской, Марианской, а также в активных окраинах типа Андийской.