形变成像：彻底改变我们对地球地下奥秘的看法

长期以来，GPS、雷达和激光扫描等地表测绘技术一直被用于测量地球表面的特征。现在，德克萨斯大学奥斯汀分校开发的一种新计算技术让科学家们可以利用这些技术来观察地球内部。

内华达山脉顶上的全球定位系统站。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员利用 GPS 网络为地球内部成像。图片来源：UNAVCO/美国国家科学基金会

这项新技术被研究人员称为"形变成像"，其结果可与地震成像相媲美，但能提供有关地壳和地幔刚性的直接信息。西蒙娜-普埃尔（Simone Puel）说，她在德克萨斯大学杰克逊地球科学学院读研究生期间，为德克萨斯大学地球物理研究所的一个研究项目开发了这种方法。

"刚度等材料特性对于理解俯冲带或一般地震科学中发生的不同过程至关重要，"Puel 说。"当与地震、电磁或重力等其他技术相结合时，就有可能以一种前所未有的方式制作出更全面的地震力学模型。"

显示日本地下地壳硬度的图形。图片显示了日本大陆板块（暗红色大块）与较硬的海洋板块（深蓝色大块）碰撞的边界。图像中央较小的暗红色斑块很可能是为日本火山（红色三角形）提供能量的岩浆系统。该图像是利用UT Austin 研究人员开发的一种新型形变成像技术收集的数据绘制的。图片来源：Simone Puel

普埃尔现在是加州理工学院的一名博士后学者，他在今年早些时候发表了他的方法背后的理论。6 月发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项最新研究展示了这一方法的实际应用。该研究利用2011年日本东北地震期间记录的GPS数据，对地下约100公里处的地表进行了成像。

该图像揭示了太平洋火环日本部分下方的构造板块和火山系统，包括一个低刚度区域，该区域被认为是为火山系统提供能量的深层岩浆库，这是首次仅利用地表信息探测到这种岩浆库。

这种方法的依据是，地壳是由具有不同弹性特性的岩石材料组成的大杂烩。有些部分更柔韧，有些部分更坚硬。这导致地壳收缩和膨胀不均匀。例如，在地震发生时，地球的振动就会反映出它是由什么构成的，从而使地表发生明显的变形。

为了将这种不均匀变形转化为地表下的图像，研究人员构建了一个计算机模型，将地球视为一种简化的弹性材料，同时允许其弹性强度在三个维度上变化。然后，该模型根据全球定位系统传感器在地震中的相互移动程度计算出地表下的刚度。结果就是根据地表的变化绘制出地球内部的三维图像。

不过，尽管该模型生成了由 1250 万个数据点组成的网络，但图像的清晰度不如地震层析成像，而地震层析成像是对地球内部成像的最常用方法。不过，它可以直接测量刚度，这对建立更复杂的地球模型非常重要。

另一个优势是，新方法可以利用卫星进行测量。这些卫星包括美国国家航空航天局（NASA）即将发射的 NISAR 航天器，这是一项与印度空间研究组织（Indian Space Research Organization）的联合任务，每 12 天将以极高分辨率绘制全球地图。

研究报告的合著者、杰克逊学院教授托尔斯滕-贝克尔（Thorsten Becker）说，利用这项新技术，NISAR可以为世界上一些地质灾害最严重的地区提供重要的洞察力。通过持续绘制地球表面地图，该卫星将使科学家能够跟踪地震断层在地震周期中的结构变化。

该论文的共同作者、UT沃克大学机械工程系和UT奥登计算工程与科学研究所教授奥马尔-加塔斯（Omar Ghattas）说，这种新方法可能是建立地球数字双胞胎的重要一步。这些复杂的计算机模型通过确定在哪里进行新的观测，然后吸收新的数据，从而不断完善自己。

他说："随着模型越来越完善，数据越来越丰富，信息量越来越大，也许我们就可以开始对地震的可预测性发表一些看法了。"

编译自/ScitechDaily