新的成像技術(shù)利用地球扭曲的表面揭示巖石內(nèi)部

GPS、雷達(dá)和激光掃描等表面測(cè)繪技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直用于測(cè)量地球表面的特征?，F(xiàn)在，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開(kāi)發(fā)的一種新型計(jì)算技術(shù)讓科學(xué)家能夠利用這些技術(shù)來(lái)觀察地球內(nèi)部。

研究人員將這項(xiàng)新技術(shù)稱為“變形成像”，它提供的結(jié)果與成像相當(dāng)，但提供了有關(guān)地球地殼和地幔硬度的直接信息。西蒙·皮埃爾 (Simone Puel) 說(shuō)，這一特性對(duì)于了解和其他大規(guī)模地質(zhì)過(guò)程的工作原理至關(guān)重要。他在德克薩斯大學(xué)杰克遜分校地球科學(xué)學(xué)院讀研究生期間，為德克薩斯大學(xué)地球物理研究所的一個(gè)研究項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了這種方法。

“材料特性(如剛度)對(duì)于理解俯沖帶或整個(gè)科學(xué)中發(fā)生的不同過(guò)程至關(guān)重要，”Puel 說(shuō)道。“當(dāng)與、電磁或重力等其他技術(shù)相結(jié)合時(shí)，應(yīng)該能夠以前所未有的方式實(shí)際生成更全面的力學(xué)模型。”

普埃爾現(xiàn)在是加州理工學(xué)院的博士后學(xué)者，他在今年早些時(shí)候發(fā)表了他的方法背后的理論。6月份發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)最新研究展示了該方法的實(shí)際應(yīng)用。它利用 2011 年日本東北期間記錄的 GPS 數(shù)據(jù)對(duì)地下約 100 公里處進(jìn)行成像。

該圖像揭示了環(huán)太平洋火山帶部分下方的板塊和火山系統(tǒng)，其中包括一個(gè)低硬度區(qū)域，據(jù)信該區(qū)域是該系統(tǒng)的深層巖漿庫(kù)——這是首次僅使用表面信息探測(cè)到這樣的巖漿庫(kù)。

該方法依賴于這樣一個(gè)事實(shí)：地殼是由具有不同彈性特性的巖石材料組成的大雜燴。有些部分更柔韌，而其他部分則更堅(jiān)硬。這導(dǎo)致地殼收縮和膨脹不均勻。例如，在期間，地球的振動(dòng)方式反映了它的組成成分，使地表以明顯的方式變形。

為了將這種不均勻的變形轉(zhuǎn)化為地下圖像，研究人員構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，將地球視為一種簡(jiǎn)化的彈性材料，同時(shí)允許其彈性強(qiáng)度在三維空間中變化。然后，該模型根據(jù)期間 GPS 傳感器相對(duì)于彼此的移動(dòng)量計(jì)算地下剛度。結(jié)果是基于地表變化的地球內(nèi)部 3D 圖片。

新方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以利用衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)。這些衛(wèi)星包括美國(guó)宇航局即將發(fā)射的 NISAR 航天器，這是與印度空間研究組織的聯(lián)合任務(wù)，每 12 天將以非常高的分辨率繪制整個(gè)地球的地圖。

這項(xiàng)研究的共同作者、杰克遜學(xué)院的教授托爾斯滕·貝克爾表示，利用這項(xiàng)新技術(shù)，NISAR 可以為世界上一些地質(zhì)最危險(xiǎn)的地區(qū)提供重要見(jiàn)解。通過(guò)連續(xù)繪制地球表面地圖，該衛(wèi)星將使科學(xué)家能夠跟蹤斷層在周期中的結(jié)構(gòu)變化。

論文合著者、田納西大學(xué)沃克分校機(jī)械工程系和田納西大學(xué)奧登分校計(jì)算工程與科學(xué)研究所教授奧馬爾·加塔斯表示，新方法可能是構(gòu)建地球數(shù)字孿生的重要一步。這些復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型通過(guò)確定在哪里進(jìn)行新的觀察，然后吸收新的數(shù)據(jù)，不斷自我改進(jìn)。

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