探測地球深部:看如何給地球做「CT」

2020-11-23 泡泡網

探測地球深部：看如何給地球做「CT」

人類有一個「毛病」，總想窺視物體內部的結構。用大刀切開一個西瓜，綠皮紅囊黑子的排布就一目了然了。人體不是西瓜，不可隨意切開，因為碰一碰肉體中的神經，也常常令人痛苦難堪。對人體結構的了解，自古而來多依賴對屍體的解剖。對活體呢？中醫用手指號脈、西醫用聽診器聽音，以窺探體內心臟及血管系統的健康狀況。

當然，現代科技已經可以不通過直接接觸人體就能無痛地探測出體內的微細結構如血管、息肉、腫瘤等等，例如十分普及的「CT」技術，是「Computerized Tomography」的縮寫，即「計算機斷層掃描術」。 CT診斷就用X射線掃描人體來獲得大量的數據，通過計算機複雜且大量的運算，把X射線形成的影像繪製在一張「斷層」上，讓肉眼能夠識別活體切面上的細微結構以及變異情況。

與人體相同，地球在可見光下同樣是不透明的「黑物體」。中國有「穿山鏡」的傳說，總希望能夠窺視地球內部的結構。從給人體做CT的科技獲得啟示，類似CT技術也可以窺視地球的內部結構。但地球與人體不同。人體小，在通常的CT儀器中均可以進行各方向的三維立體掃描，而對地球的掃描只能在地表進行，屬平面的二維掃描。所以，給地球做CT更加困難，更需要「黑科技」。基於CT技術相似的原理與思路，把X射線這一電磁波換成由物體振動而產生的彈性波（如聲波），並基於更強大的計算機計算技術，1975年出現了「斜向地震反射偏移剖面計算機成像技術」，奠定了地震層析成像的基礎，能夠通過地震勘探的方法，繪製出地下斜向地層的結構，用於尋找石油天然氣礦藏。

我們用什麼窺探地球？

地球物理，顧名思義，就是利用物理原理來研究地球。地球物理人最喜歡的就是跟醫學CT做類比來解釋自己的工作性質，的確如此，地球物理探測跟醫學探測人體具有很多相似點。首先簡單回顧一下醫學CT的工作原理，它向人體發射一束X射線，人體的各個組織對X射線吸收能力不同，因此同一束X射線再透過人體不同之後就發生了不同程度的改變，這時候再將這種差異性改變轉化成我們易於解釋的圖像即可用於診斷了。我們地球物理也是利用地球內部結構的物理屬性差異來研究其內部構造的，也就是利用我們的儀器設備給地球做「CT」。

  圖1 醫學CT與地球物理  

我們怎麼給地球做「CT」？

地球物理所能分辨的物理屬性主要是那些呢？經過近百年的發展，人們發展了一系列地球物理探測方法，這些方法針對地球內部的密度差異、磁化率差異、速度差異以及導電性差異等，分別對應重力勘探、磁法勘探、地震勘探以及電法勘探這些常用的地球物理探測方法。其中，重力、磁法和電法方法考慮地下介質的整體效應，而地震方法主要針對速度、密度結構變化的突變界面，且具有更高的解析度。

那麼這些物理屬性差異怎麼跟地球深部結構對應起來呢？首先我們需要將深部構造的地質問題轉化成地球物理模型，在這些模型中，地質現象將被上述物理屬性所表徵。聯繫上述地質與地球物理問題的紐帶就是巖石物性。我們的地球由各種各樣的巖石以及包含在巖石中的流體所組成，每一種巖石，包括每種巖石在特定的溫度、壓力條件下都有其對應的物理屬性參數，這是地球物理方法用於區分不同介質的基礎。當然，這些物理屬性並不是一一對應的，同樣的物理屬性可能代表不同的巖石以及不同狀態下的不同巖石，這就是地球物理探測多解性的根源，因此需要結合多種地球物理探方法進行判斷，多數時候還需結合地質以及地球化學資料來進行判斷。

疑難雜症，我們都能看！

首先，深部地球物理研究認識地球的圈層結構。目前流行的地球模型是將其分為三個基本圈層：地殼、地幔和地核。這個三個基本圈層又可以進一步細分，如地殼可分為上地殼(縱波速度，Vp=5.9~6.3km/s)、中地殼(Vp=6.4~6.7km/s)和下地殼(Vp=6.8~7.6km/s)，且其具有明顯的物性差異。總體上，地球內部隨著深部的變化，其物理屬性參數呈現遞變變化，但又存在明顯的屬性突變界面（圖2 ），如莫霍面，地球化學研究認為其為巖石的相變界面，在地球物理上主要變現為速度和密度的突變界面，其速度突變到8km/s以上，密度突變到3g/cm3以上。與此同時，還存在明顯殼內低初速層(Vp<6km/s)和殼內高導層，且通常具有對應關係。在這些物理屬性突變界面通常能夠觀察到明顯的地球物理異常（圖3 ），其中電法和地震法縱向上比較敏感（深度方向），其異常明顯，而重磁方法則不容易觀測出深度方向的物性變化。我們將這些觀測異常與巖石物理屬性結合起來，就可以解釋地球內部的圈層的變化特徵了。

圖2 地球不同深度的物理屬性

圖3 圈層結構地球物理異常示意圖

同時，深部地球物理聚焦於地球的橫向不均勻性。研究表明，我們的地球並非完全的圈層結構，同一圈層在橫向上物質組分、狀態也會存在差異，就像我們的地表既有高山平原，又有江河湖海一樣，這種明顯的差異反映了地球的演化過程。我們常討論的板塊的運動就是一種橫向不均勻性，不同的板塊具有不同的演化歷史和物質組分，當其在構造運動中拼貼在一起時，其縫合線兩側具有明顯的物性差異。最明顯的就是大陸板塊和大洋板塊的界限，後者通常呈楔狀插入到大陸板塊之下。大洋地殼通常為矽鎂質地殼，其速度和密度相對於大陸的矽鋁質地殼要高，兩者存在明顯的物性差異，地球物理方法在跨越不同地體兩側進行勘測過程中，會得到明顯的觀測異常（圖4 ）。

圖4 不同塊體拼合的地球物理異常示意圖

另外，深部地球物理還會討論深部局部異常。局部異常也是地球內部演化的產物。以一個深部巖漿囊來舉例說明，巖漿囊主要是一些熔融物質，通常來自於可能更深層，其密度和速度通常高於周圍的巖石，且可能具有磁性，其導電性一般較差，因此表現為高速、高密度、高電阻率、高磁性的異常體。在地球物理探測中，每一種方法都是針對其中的某類屬性，得到這種屬性的剖面圖或者曲線圖（圖5）。

圖5 局部異常的地球物理響應示意圖

上述過程講的是地球物理正問題，即什麼樣的地球深部結構對應什麼樣的地球物理異常。而我們地球物理研究地球深部結構則是反問題，即通過觀測異常推斷深部結構。這就需要我們綜合考慮各項參數，將觀測到的地球物理異常結合地質與地球化學資料進行綜合分析。同時，還需要提高對地球物理觀測數據的利用率，使得觀測異常轉化為直觀與精確。

目前，我國給地球做CT，讓地球成為「透明地球」，不僅有地震層析成像法，還有電磁波層析成像法，不僅應用於石油天然氣等能源礦產勘探領域，而且還應用於金屬礦產、非金屬礦產、水汽礦產勘探領域，為我國礦業的發展做出了巨大的貢獻。   

出品：科普中國 

策劃：中國地質調查局科普辦公室（中國地質調查局地學文獻中心） 

製作：中國地質調查局中國地質科學院地球深部探測中心 吉林大學   符偉，侯賀晟，楊瑨，國瑞 

監製：中國科學院計算機網絡信息中心 

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