Innowacyjne modele pozwalające zajrzeć głębiej do wnętrza Ziemi
Zagrożenia naturalne, takie jak trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów, długoterminowe zmiany klimatu czy formacje złożowe, zależą bezpośrednio od procesów zachodzących dziesiątki, a nawet setki kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Niestety, ze względu na ogromne głębokości i panujące tam ekstremalne warunki wiedza o wnętrzu Ziemi była zwykle czerpana w sposób pośredni, głównie dzięki sejsmologii – badaniom poświęconym trzęsieniom ziemi i falom sejsmicznym. Jednak jak wyjaśnia Manuele Faccenda z Uniwersytetu Padewskiego, uzyskiwane w ten sposób pomiary mogą wprowadzać w błąd: „Obrazy tomograficzne zanieczyszczają liczne artefakty, które są błędnie odczytywane jako rzeczywiste anomalie ciepła i składu, prowadząc do mylnych interpretacji”. Wykorzystując techniki modelowania geodynamicznego i sejsmicznego, zespół finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu NEWTON opracował i poddał walidacji nowatorską technikę obrazowania sejsmicznego umożliwiającą lepsze zrozumienie wewnętrznej struktury i dynamiki Ziemi. Metodologia ta, uzupełniona o zaawansowane symulacje geodynamiczne, została zastosowana do badania granic zbieżnych płyt na obszarze Morza Śródziemnego i Cascadii, rzucając jeszcze więcej światła na ich złożoną strukturę podpowierzchniową i ewolucję tektoniczną.
Dokładniejsze symulacje zjawisk sejsmicznych
Tomografia wykorzystuje głęboko penetrujące fale do tworzenia obrazu danej struktury odcinek po odcinku. Wiele dziedzin nauki korzysta z tej metody, między innymi geofizycy, którzy zajmują się pomiarami fal sejsmicznych, aby zobrazować wnętrze Ziemi. Standardowe obrazowanie sejsmiczne, które wykorzystuje fale sejsmiczne generowane przez naturalnie występujące trzęsienia ziemi, opiera się na założeniu, że wnętrze Ziemi ma izotropową naturę, to znaczy posiada lokalnie stałe właściwości fizyczne, niezależnie od kierunku próbkowania przez fale sejsmiczne. Co jednak ciekawe, w rzeczywistości fale sejsmiczne wskazują na anizotropię, w której prędkość fal zmienia się w zależności od kierunku ich propagacji, co powoduje, że anizotropowe obszary płaszcza Ziemi są rejestrowane jako szybkie lub wolne, nawet w przypadku braku anomalii związanych z temperaturą lub składem. Dlatego też zespół projektu NEWTON postanowił w swoich analizach uwzględnić anizotropię sejsmiczną. Dzięki wykorzystaniu innowacyjnej techniki inwersji, która przekształca dane sejsmiczne w fizyczne właściwości skał, opracowany w ramach projektu trójwymiarowy model uwzględnia anizotropię sejsmiczną związaną z teksturą skał płaszcza. Tekstura to mikrostruktura powstająca w procesie formowania się skał, a zdaniem Faccenda – częściej w wyniku ich deformacji. „Ponieważ wiemy, że tekstury strukturalne skał płaszcza ziemskiego powstają głównie w wyniku procesów deformacji, możemy dokonać inwersji naszych danych sejsmicznych na potrzeby symulacji ewolucji skał. Pozwala nam to oczyścić model ze sztucznych anomalii prędkości i uzyskać dokładniejszy obraz płaszcza”, wyjaśnia Faccenda. Uczeni z projektu NEWTON mogli zastosować swoje metody do obszarów, gdzie zbiegają się płyty Morza Śródziemnego i Cascadii, dzięki dostępowi do wysokiej jakości danych sejsmicznych dotyczących tamtejszych granic tektonicznych. „Odkryliśmy, że wprawdzie tekstury i deformacje płaszcza są bardziej rozpowszechnione niż wcześniej sądzono, jednak w rzeczywistości są zgodne z obserwacjami geologicznymi dotyczącymi ewolucji tektonicznej regionu. Udało nam się również wykazać, że szereg znanych, ale niejednoznacznych anomalii prędkości było w rzeczywistości jedynie artefaktami”, zauważa Faccenda. Badania w ramach projektu zaowocowały stwierdzeniem, że warstwowanie skał lub minerałów miało w rzeczywistości niewielki wpływ na mechaniczne właściwości (elastyczność i lepkość) płaszcza, co pomogło rozstrzygnąć długotrwałą debatę związaną z dynamiką planety i ewolucją składu.
Szersze zastosowanie na obszarach wrażliwych ekonomicznie
W przeciwieństwie do większości istniejących technik inwersji, techniki opracowane w ramach projektu NEWTON są dostępne w pakiecie otwartego oprogramowania ECOMAN i mogą być stosowane w odniesieniu do każdego naturalnego środowiska. Przykładowo można ich użyć także na potrzeby obrazowania złożonych trójwymiarowych struktur skorupy ziemskiej, co było wcześniej możliwe tylko wzdłuż płaszczyzny pionowej lub poziomej. Umożliwia to lokalizowanie uskoków i pęknięć, a tym samym pomaga w optymalizacji działalności wydobywczej, a także poprawia wykrywanie zagrożeń. Obecnie zespół wykorzystuje te techniki do badania pól wulkanicznych, naftowych i geotermalnych, które charakteryzują się intensywnym tworzeniem się szczelin w czasie. „Nasza metodologia może pomóc w skutecznym monitorowaniu ważnych geologicznie miejsc, dostarczając kluczowych informacji na temat ich stale ewoluującej głębokiej struktury”, podsumowuje Faccenda.
Słowa kluczowe
NEWTON, sejsmiczne, fale, trzęsienie ziemi, deformacja, płaszcz, tekstura, wnętrze Ziemi, tomografia, anizotropowy, izotropowy, wybuch wulkanu, zagrożenie