Газар хөдлөлтийн томографийн үндсэн онол ба хэрэглээ
Газар хөдлөлтийн томографи нь газар хөдлөлтийн долгион ашиглан дэлхийн дотор талыг "зураг авахад" ашигладаг геофизикийн арга юм. Анагаах ухаанд рентген туяанаас бие махбодийн гурван хэмжээст дүрсийг үүсгэдэг компьютер томографийн нэгэн адил газар хөдлөлтийн томографи нь газар хөдлөлтийн цаг хугацаа, далайц эсвэл газар хөдлөлтийн сүлжээгээр бүртгэгдсэн долгионы хэлбэрийн өгөгдлийг ашиглан газрын доорх бүтцийг загварчилдаг. Энэ арга нь чухал ач холбогдолтой, учир нь дэлхийн дотор талыг шууд ажиглах боломжгүй байдаг бол хавтангийн тектоник, галт уулын идэвхжил, газар хөдлөлт зэрэг динамик нь гүн дэх чулуулгийн физик шинж чанарын өөрчлөлтөөс ихээхэн хамаардаг.
1. Газар хөдлөлтийн долгионы үндсэн ойлголт
Газар хөдлөлтийн долгион нь чулуулгаар тархдаг уян харимхай долгион юм. Газар хөдлөлтийн долгионыг ерөнхийдөө дараахь байдлаар хуваадаг.
1. Биеийн долгион
– Р долгион (анхдагч/шахалт): хамгийн хурдан тархдаг, хатуу болон шингэн бодисоор дамжин өнгөрч чаддаг, шахалтын хурд болон нягтралын өөрчлөлтөд мэдрэмтгий байдаг.
– S долгион (хоёрдогч/хэлбэлзэл): P-ээс удаан, шингэнд тархаж чадахгүй, чулуулгийн хөшүүн байдалд (хэлбэлзлийн модуль) мэдрэмтгий.
2. Гадаргуугийн долгион
Жишээлбэл, алслагдсан газар хөдлөлтийн бичлэгт ерөнхийдөө давамгайлдаг Рэйли ба Лав долгионууд нь тархалттай бөгөөд литосферийн бүтцийн хувьд гүехэн астеносфер хүртэл маш их мэдээлэл өгдөг.
Газар хөдлөлтийн долгионы хурд нь уян харимхай параметрүүд (модуль) болон нягтралаас хамаарна. Температур, эрдэс бодисын найрлага, даралт, сүвэрхэг чанар, хагарал, шингэн эсвэл хэсэгчилсэн хайлмал байгаа эсэх зэрэг өөрчлөлтүүд нь хурданд нөлөөлнө. Энэ нь газрын доорх геологийн нөхцөл байдлын талаарх мэдээллийг өгөхийн тулд хурдны хэлбэлзлийг зураглах физик үндэс суурь юм.
2. Томографийн зарчим: Урд болон хойд талын асуудал
Газар хөдлөлтийн томографи нь хоёр тооцооллын ойлголт дээр суурилдаг:
а) Урагшлах асуудал (урагшлах асуудал)
Дэлхийн загварыг (жишээлбэл, долгионы хурдны тархалт) харгалзан үзвэл бид газар хөдлөлтийн өгөгдлийн таамаглалыг тооцоолж болно: долгионы эх үүсвэрээс (газар хөдлөлт эсвэл хиймэл эх үүсвэр) станц хүртэлх аяллын хугацаа. Энгийн цацрагийн онолын аргад долгионы зам нь Фермагийн зарчмыг дагадаг цацраг гэж үздэг: долгион нь хамгийн бага аяллын хугацаатай замыг сонгодог.
Математикийн хувьд аяллын хугацаа \(T\)-г дараах байдлаар бичиж болно:
\[
T = \int_{\text{ray}} \frac{ds}{v(\mathbf{x})}
\]
энд \(v(\mathbf{x})\) нь \(\mathbf{x}\) байрлал дахь долгионы хурд, \(ds\) нь замын уртын элемент юм.
б) Урвуу бодлого
Үүний эсрэг нь үнэн: бид ажиглалтын өгөгдөлтэй (аялалын хугацаа, аяллын хугацааны үлдэгдэл, гадаргуугийн долгионы тархалт эсвэл долгионы хэлбэр) бөгөөд хамгийн сайн тохирох хурдны загварыг тооцоолохыг хүсч байна. Урвуу бодлого нь ерөнхийдөө өвөрмөц бус бөгөөд буруу тавигдсан байдаг: олон загварууд адилхан сайн тохирч болох бөгөөд өгөгдөл нь тодорхойгүй байдал/шуугиан агуулдаг. Тиймээс тэгшлэх, чийгшүүлэх эсвэл геологийн хязгаарлалт гэх мэт тогтмолжуулах шаардлагатай.
Практикт урвууг ихэвчлэн шугаман аргаар гүйцэтгэдэг: анхны загварыг бага зэрэг өөрчилж, дараа нь аяллын хугацааны зөрүүг дараах байдлаар тооцоолно:
\[
\delta T \approx \int_{\text{ray}} \delta s(\mathbf{x})\, ds
\]
энд \(\delta s = \delta(1/v)\) нь удаашралын хэлбэлзэл юм. Эдгээр тэгшитгэлүүдийг том шугаман системд \( \mathbf{d} = \mathbf{Gm} \) болгон байрлуулж, дараа нь намсгасан хамгийн бага квадратын арга эсвэл түүний хувилбаруудаар шийднэ.
3. Газар хөдлөлтийн томографийн төрлүүд
1) Аяллын хугацааны томографи
Хамгийн түгээмэл арга нь олон газар хөдлөлтөөс P ба S фазын ирэлтийг ашигладаг. Өгөгдөл нь лавлагаа загвартай (жишээлбэл, дэлхийн хэмжээнд IASP91 эсвэл ak135) харьцуулсан аяллын хугацааны үлдэгдэл юм. Ялангуяа станцын сүлжээ нягт бол царцдас болон дээд мантийн 3 хэмжээст хурдны загварчлалд тохиромжтой.
2) Гадаргуугийн долгионы томографи
Рэйли/Лав долгионы дисперсийг (фаз/бүлгийн хурдны үетэй холбоотой өөрчлөлт) ашиглан. Гүехэн болон завсрын бүтцэд мэдрэмтгий энэхүү томографи нь литосферийн зузаан, бага хурдтай бүс (LVZs) болон температурын хэлбэлзлийг зураглахад маш хэрэгтэй.
3) Телесейсмик томографи (телесейсмик томографи)
Алсын зайн газар хөдлөлт (телесейсмик)-ийг ашиглан долгион нь мантигаар дамжин өнгөрч, дараа нь орон нутгийн сүлжээгээр бүртгэгддэг. Давуу тал: тэдгээр нь олон эх үүсвэртэй бөгөөд янз бүрийн чиглэлээс ирдэг тул судалгааны талбайн гүний эзэлхүүнийг, жишээлбэл, галт уулын доор эсвэл субдукцийн бүсийг "гэрэлтүүлэхэд" тусалдаг.
4) Долгион хэлбэрийн томографи / бүтэн долгион хэлбэрийн инверси (FWI)
Зөвхөн ирэх хугацааг төдийгүй бүрэн долгионы хэлбэрийг ашиглах нь онолын хувьд өндөр нарийвчлалтай байдаг, учир нь энэ нь далайц болон фазын мэдээллийг бүрэн ашигладаг боловч орон нутгийн хамгийн бага урхинаас зайлсхийхийн тулд том тооцооллын шаардлага болон сайн анхны загвар шаарддаг.
4. Боловсруулалт ба урвуу үйл явцын ерөнхий үе шатууд
1. Өгөгдөл цуглуулах
Байнгын болон түр зуурын сейсмометрээс бичлэг цуглуулах. Хайгуулын хэмжээнд эх үүсвэр нь дэлбэрэлт эсвэл чичирхийлэл байж болно; бүс нутгийн-дэлхийн хэмжээнд анхдагч эх үүсвэр нь газар хөдлөлт юм.
2. Үе шатыг тодорхойлох ба сонгох
P, S эсвэл гадаргын долгионы ирэх хугацааг тодорхойлох. Сонгох чанар нь загварын чанарыг тодорхойлно.
3. Анхны залруулга ба загварчлал
Цагийн залруулга (цагийн зөрүү), өндрийн залруулга болон лавлагаа загварын сонголт. Анхны загвар нь 1 хэмжээст эсвэл энгийн 3 хэмжээст байж болно.
4. Цацрагийн ул мөр / долгионы симуляци
Мэдрэмжийн матрицыг байгуулахын тулд синтетик туяа эсвэл долгионы хэлбэрийн замыг тооцоол.
5. Урвуу ба тогтмолжуулалт
Хурдны загварыг олж авахын тулд системийг шийдвэрлэх. Зорилго дээр үндэслэн тогтмолжуулалтыг сонгоно: хурц гажигийг тодруулах уу эсвэл жигд чиг хандлагыг тодруулах уу.
6. Шийдвэрийн үнэлгээ ба найдвартай байдлын туршилт
Жишээлбэл, аль хэсгүүд нь өгөгдөлд үнэхээр шийдэгдэж байгааг харахын тулд шатрын самбарын тест, spike test эсвэл ковариац/цэгийн тархалтын функцийн шинжилгээг ашиглана.
5. Хурдны загварын тайлбар
Томографийн үр дүн нь ихэвчлэн харьцангуй хурдны гажигийн газрын зураг байдаг: өндөр хурдны бүсийг ихэвчлэн сэрүүн, нягт эсвэл илүү хатуу чулуулаг (жишээлбэл, живж буй хавтангууд) гэж тайлбарладаг. Бага хурдны бүс нь өндөр температур, өөрчлөгдсөн чулуулаг, шингэнээр дүүрсэн хагарлын бүс, эсвэл хэсэгчилсэн хайлалтыг илтгэж болно - ихэвчлэн идэвхтэй галт уул эсвэл халуун астеносфертой холбоотой байдаг.
Гэсэн хэдий ч хурд нь олон хүчин зүйлээс хамаардаг тул тайлбар хийхдээ болгоомжтой байх хэрэгтэй. Хамгийн тохиромжтой нь газар хөдлөлтийн томографийг таталцлын хүч, соронзонтеллурик (MT), геодези, гадаргуугийн геологи, петрологи зэрэг бусад өгөгдөлтэй хослуулсан болно.
6. Газар хөдлөлтийн томографийн хэрэглээ
a) Субдукцийн бүс ба хавтангийн динамикийн судалгаа
Дэлхийн болон бүс нутгийн томографи нь мантийн субдукцийн хавтангийн геометр, гүн, сегментчилэл зэргийг багтаасан газрын зургийг гаргаж авах боломжтой. Энэхүү мэдээлэл нь томоохон газар хөдлөлтийн эх үүсвэр, хавтангийн холболтын механизм, тухайн бүс нутгийн тектоник хувьслыг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
б) Галт уулын систем ба гамшгийг бууруулах арга хэмжээ
Галт уулын бүсэд томографи нь магмын камер, өсөн нэмэгдэж буй шингэний зам эсвэл өөрчлөгдсөн чулуулагтай холбоотой бага хурдтай бүсийг тодорхойлж чаддаг. Тогтмол хяналттай үед хурдны өөрчлөлт (цаг хугацааны хэт томографи) нь дэлбэрэлтийн эрт үеийн сэрэмжлүүлэгт хамааралтай шингэн/магмын хөдөлгөөний үзүүлэлтийг өгч чадна.
в) Эрчим хүч болон нөөцийн хайгуул
Гүехэн царцдасын хэмжээнд томографийг нүүрсустөрөгч, геотермаль болон уул уурхайн хайгуулд ашигладаг. Хурдны хэлбэлзэл нь литологи, хагарлын бүтэц, хагарлын бүс, нөөцийг газрын зурагт гаргахад тусалдаг. Геотермальд томографийг MT-тэй нэгтгэх нь ихэвчлэн үр дүнтэй байдаг: томограф нь уян хатан мэдээллийг өгдөг бол MT нь шингэний дамжуулах чанарын мэдээллийг өгдөг.
d) Идэвхтэй хагарал ба газар хөдлөлтийн аюулын шинж чанар
Орон нутгийн томографи нь хагарлын эргэн тойрон дахь сул бүс, гэмтлийн бүс, олон янз байдлыг илрүүлж чаддаг. Энэ нь хагарлын сегментчилэл, боломжит түгжигдэх чадвар, долгионы олшруулалтад нөлөөлдөг хурдны хэлбэлзлийг (талбайн нөлөө) ойлгоход тусалдаг.
e) Бүс нутгийн царцдас ба литосферийн бүтэц
Гадаргуугийн долгионы томографийн тусламжтайгаар судлаачид литосферийн зузаан, Мохо хил хязгаар, астеносферийн аномалиудыг газрын зурагт буулгаж чадна. Үр дүн нь сав газрын үүсэл, орогенез, эх газрын хувьсал зэрэг геодинамик загваруудын үндэс суурь болдог.
7. Хязгаарлалт ба бэрхшээлүүд
Газар хөдлөлтийн томографи нь эх үүсвэр болон станцуудын тархалтаас ихээхэн хамаардаг. Газар хөдлөлт цөөн эсвэл станцууд сийрэг байдаг газруудад гэрэлтүүлэг муу байх бөгөөд энэ нь нарийвчлал багатай байдаг. Цаашилбал, хүчтэй олон янз байдал эсвэл тодорхой давтамжийн хувьд цацрагийн онолын таамаглалууд нь нарийвчлал багатай байж болно. Дуу чимээ, сонголтын алдаа, гипотөвийн байршлын тодорхойгүй байдал нь инверсийн үр дүнд нөлөөлж болно. Тиймээс нарийвчлалын үнэлгээ болон олон аргыг нэгтгэх нь хэт тайлбарлахаас зайлсхийхэд чухал ач холбогдолтой.
Хаах
Газар хөдлөлтийн томографи нь дэлхийн дотоод бүтцийг орон нутгийн хэмжээнээс дэлхийн хэмжээнд хүртэл судлах гол хэрэгсэл юм. Үүний онолын үндэс нь чулуулгийн уян хатан шинж чанар ба долгион тархалтын хоорондын хамаарал, түүнчлэн тогтмолжуулалт, нягтралын туршилт шаарддаг урвуу бодлогуудыг шийдвэрлэхэд суурилдаг. Үүний хэрэглээ нь өргөн хүрээтэй: живүүлэх хавтангууд болон галт уулын магмын системийг зураглахаас эхлээд эрчим хүчний хайгуул, газар хөдлөлтийн аюулын үнэлгээ хүртэл. Газар хөдлөлтийн сүлжээ, тооцоолол, урвуу аргууд (долгионы хэлбэрийн бүрэн урвууг оролцуулан) хөгжсөнөөр газар хөдлөлтийн томографи нь шинжлэх ухаан, гамшгийн үр дагаврыг бууруулах зорилгоор илүү тод, илүү мэдээлэл сайтай дүрс гаргах чадвартай болж байна.
Хэрэв та хүсвэл би энэ өгүүллийг илүү эрдэм шинжилгээний хувилбар болгон (ишлэл болон ном зүйн жагсаалттай) өөрчлөх эсвэл хэрэглээний аль нэгэнд (жишээлбэл, галт уул эсвэл газрын гүний дулааны эрчим хүчний томографи) анхаарлаа төвлөрүүлж болно.
