Sejsmolodzy wykonują tomografię komputerową całego płaszcza
Tomografia sejsmiczna działa na podobnej idei jak medyczny tomograf: wiele fal przechodzących przez badany obiekt różnymi drogami pozwala odtworzyć jego wnętrze. Zamiast promieni rentgenowskich geofizycy wykorzystują fale z trzęsień ziemi i tysiące sejsmometrów. Jeśli fala dociera szybciej lub wolniej niż przewiduje model odniesienia, oznacza to, że część jej drogi przebiegała przez materiał o innych własnościach. Po połączeniu ogromnej liczby takich pomiarów powstają trójwymiarowe mapy płaszcza pokazujące m.in. chłodne zanurzone płyty, gorętsze obszary i złożoną strukturę pod kontynentami.
Od pojedynczego czasu do trójwymiarowej mapy
Pojedyncza fala mówi niewiele, bo jej czas przejścia jest sumą efektów wzdłuż całej drogi. Gdy jednak przez ten sam obszar przechodzą fale z wielu trzęsień i w wielu kierunkach, problem zaczyna przypominać tomografię. Każdy promień wnosi inne ograniczenie. Algorytmy szukają przestrzennego rozkładu prędkości, który najlepiej wyjaśnia cały zestaw obserwacji. Wynik nie jest fotografią skał, lecz modelem: siatką obszarów, w których fale P lub S poruszają się nieco szybciej albo wolniej od wartości odniesienia.
Co oznacza „szybkie” i „wolne” wnętrze
Prędkość fali zależy od temperatury, składu mineralnego, fazy, zawartości stopu i innych czynników. W wielu częściach płaszcza chłodniejszy, sztywniejszy materiał daje wyższe prędkości, a gorętszy — niższe, ale interpretacja nie jest automatyczna. To ważne ograniczenie: mapa tomograficzna pokazuje przede wszystkim anomalie sejsmiczne, a dopiero po połączeniu z mineralogią i geodynamiką można wnioskować, co je powoduje. Dlatego kolorowej mapy nie należy czytać jak bezpośredniego termometru.
Co można zobaczyć
Tomografia pozwala śledzić struktury znacznie głębiej niż jakiekolwiek wiercenie. Obrazowane są między innymi fragmenty płyt zanurzających się w strefach subdukcji, zmiany grubości litosfery, obszary częściowego topnienia w płytszej skorupie i płaszczu oraz wielkoskalowe anomalie w dolnym płaszczu. Rozdzielczość zależy od liczby i geometrii dróg fal: tam, gdzie trzęsień i stacji jest dużo, obraz może być znacznie dokładniejszy niż w słabo próbkowanych regionach oceanicznych.
Tomografia nie jest magicznym skanerem
W medycznym CT źródła i detektory są kontrolowane, a ciało ma ograniczone rozmiary. W sejsmologii badacz nie wybiera miejsca trzęsienia, a stacje rozmieszczone są nierównomiernie. Powoduje to obszary lepiej i gorzej rozdzielone oraz zależność wyniku od metod obliczeniowych. Modele z różnych zespołów mogą różnić się w szczegółach, ale najważniejsze wielkoskalowe struktury powtarzają się w niezależnych analizach. To właśnie zgodność wielu zestawów danych czyni tomografię jednym z podstawowych narzędzi współczesnej geofizyki.
Kolory na tomogramie nie są bezpośrednim termometrem
Mapy tomograficzne często pokazują czerwone i niebieskie obszary jako wolniejsze i szybsze anomalie prędkości. Łatwo odczytać je automatycznie jako „gorące” i „zimne”, ponieważ temperatura silnie wpływa na prędkość fal. To jednak interpretacja, nie bezpośredni pomiar temperatury. Na prędkość oddziałują również skład chemiczny, obecność częściowego stopienia, woda, struktura minerałów i kierunkowe uporządkowanie kryształów. Dlatego kolory są najpierw anomaliami sejsmicznymi, a dopiero później — po zestawieniu z geologią i fizyką minerałów — otrzymują znaczenie termiczne.
Różne tomografie mogą wyglądać inaczej i nadal być użyteczne
Rekonstrukcja zależy od tego, jakie trzęsienia i stacje wykorzystano, jakie rodzaje fal analizowano, jak wygładzono model i jak rozwiązano problem obszarów słabo pokrytych danymi. Z tego powodu dwa globalne modele nie muszą mieć identycznych drobnych plam. Badacze zwracają szczególną uwagę na struktury powtarzające się w wielu niezależnych rozwiązaniach. Tam, gdzie różne zestawy danych wskazują podobną anomalię, rośnie zaufanie, że przedstawia ona rzeczywisty element płaszcza, a nie artefakt matematycznej rekonstrukcji.