新的成像技术利用地球扭曲的表面揭示岩石内部

GPS、雷达和激光扫描等表面测绘技术长期以来一直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型计算技术让科学家能够利用这些技术来观察地球内部。

研究人员将这项新技术称为“变形成像”，它提供的结果与成像相当，但提供了有关地球地壳和地幔硬度的直接信息。西蒙·皮埃尔 (Simone Puel) 说，这一特性对于了解和其他大规模地质过程的工作原理至关重要。他在德克萨斯大学杰克逊分校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。

“材料特性(如刚度)对于理解俯冲带或整个科学中发生的不同过程至关重要，”Puel 说道。“当与、电磁或重力等其他技术相结合时，应该能够以前所未有的方式实际生成更全面的力学模型。”

普埃尔现在是加州理工学院的博士后学者，他在今年早些时候发表了他的方法背后的理论。6月份发表在《科学进展》杂志上的一项最新研究展示了该方法的实际应用。它利用 2011 年日本东北期间记录的 GPS 数据对地下约 100 公里处进行成像。

该图像揭示了环太平洋火山带部分下方的板块和火山系统，其中包括一个低硬度区域，据信该区域是该系统的深层岩浆库——这是首次仅使用表面信息探测到这样的岩浆库。

该方法依赖于这样一个事实：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，而其他部分则更坚硬。这导致地壳收缩和膨胀不均匀。例如，在期间，地球的振动方式反映了它的组成成分，使地表以明显的方式变形。

为了将这种不均匀的变形转化为地下图像，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维空间中变化。然后，该模型根据期间 GPS 传感器相对于彼此的移动量计算地下刚度。结果是基于地表变化的地球内部 3D 图片。

新方法的一个优点是它可以利用卫星的测量数据。这些卫星包括美国宇航局即将发射的 NISAR 航天器，这是与印度空间研究组织的联合任务，每 12 天将以非常高的分辨率绘制整个地球的地图。

这项研究的共同作者、杰克逊学院的教授托尔斯滕·贝克尔表示，利用这项新技术，NISAR 可以为世界上一些地质最危险的地区提供重要见解。通过连续绘制地球表面地图，该卫星将使科学家能够跟踪断层在周期中的结构变化。

论文合著者、田纳西大学沃克分校机械工程系和田纳西大学奥登分校计算工程与科学研究所教授奥马尔·加塔斯表示，新方法可能是构建地球数字孪生的重要一步。这些复杂的计算机模型通过确定在哪里进行新的观察，然后吸收新的数据，不断自我改进。

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