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.