Forskare vid University of Texas har utvecklat en teknik som kallas deformationsavbildning som använder ytkarteringsdata för att se jordens inre strukturer. Denna metod förbättrar vår förståelse av geologiska fenomen och har framgångsrikt avbildat underjordiska områden som påverkades av Tohoku-jordbävningen 2011. Kredit: Bladet.se.com
En ny beräkningsteknik som utvecklats möjliggör användning av ytkarteringsteknologier som GPS att analysera underjordiska geologiska strukturer.
Denna metod, som kallas deformationsavbildning, ger insikter om styvheten hos jordskorpan och manteln, vilket förbättrar vår förståelse för geologiska processer som jordbävningar. Tekniken har redan gett en detaljerad bild av underjordiska områden under jordbävningen i Tohoku 2011 och har potential för omfattande framtida tillämpningar med satellitdata.
Ny geologisk avbildningsteknik
Ytkarteringsteknik som GPS, radar och laserskanning har länge använts för att mäta egenskaper på jordens yta. Nu tillåter en ny beräkningsteknik som utvecklats vid University of Texas i Austin forskare att använda dessa tekniker för att titta in i planeten.
En GPS-station på toppen av Sierra Nevada-bergen. Forskare vid University of Texas i Austin använde GPS-nätverk för att avbilda planetens inre. Kredit: UNAVCO/National Science Foundation
Fördelar med Deformation Imaging
Den nya tekniken, som beskrivs av forskare som ”deformationsavbildning”, ger resultat som är jämförbara med seismisk avbildning men ger direkt information om styvheten hos planetens skorpa och mantel. Den här egenskapen är väsentlig för att förstå hur jordbävningar och andra storskaliga geologiska processer fungerar, säger Simone Puel, som utvecklade metoden för ett forskningsprojekt vid University of Texas Institute for Geophysics medan han gick på forskarskolan vid UT Jackson School of Geosciences.
”Materialegenskaper som styvhet är avgörande för att förstå de olika processerna som sker i en subduktionszon eller i jordbävningsvetenskap i allmänhet,” sa Puel. ”När det kombineras med andra tekniker som seismisk, elektromagnetisk eller gravitation, borde det vara möjligt att faktiskt producera en mycket mer omfattande mekanisk modell av en jordbävning på ett sätt som aldrig har gjorts tidigare.”
En grafik som visar styvheten i jordskorpan under Japan. Bilden avslöjar gränsen där Japans kontinentala platta (stor mörkröd fläck) kolliderar med den styvare oceaniska plattan (mörkblå fläck). De mindre mörkröda fläckarna i mitten av bilden är sannolikt ett magmasystem som matar Japans vulkaner (röda trianglar). Bilden skapades med hjälp av data som samlats in med en ny deformationsteknik som utvecklats av forskare vid UT Austin. Kredit: Simone Puel
Banbrytande tillämpning och metodik
Puel, som nu är postdoktor vid California Institute of Technology, publicerade teorin bakom sin metod tidigare i år. En färsk studie publicerad i juni i Vetenskapens framsteg visar det i aktion. Den använde GPS-data som registrerades under Japans jordbävning i Tohoku 2011 för att avbilda underytan ner till cirka 100 kilometer under jord.
Bilden avslöjade de tektoniska plattorna och det vulkaniska systemet under den japanska delen av Pacific Ring of Fire, inklusive ett område med låg styvhet som tros vara en djup magma-reservoar som matar systemet – första gången en sådan reservoar har upptäckts med endast yta information.
Metoden förlitar sig på det faktum att jordskorpan är en klyfta av stenigt material med olika elastiska egenskaper. Vissa delar är mer följsamma och andra är styvare. Detta gör att skorpan drar ihop sig och expanderar ojämnt. Under en jordbävning, till exempel, vibrerar jorden på ett sätt som reflekterar vad den är gjord av och lämnar ytan deformerad på ett tydligt sätt.
För att förvandla denna ojämna deformation till en bild av underytan, konstruerade forskarna en datormodell som behandlar jorden som om den vore ett förenklat elastiskt material, samtidigt som den låter dess elastiska styrka variera i tre dimensioner. Modellen beräknade sedan styvheten under ytan baserat på hur mycket GPS-sensorerna hade rört sig i förhållande till varandra under jordbävningen. Resultatet är en 3D-bild av jordens inre baserad på förändringar på ytan.
Det finns några varningar. Trots att modellen genererar en väv av 12,5 miljoner datapunkter är bilden inte lika skarp som seismisk tomografi, det vanligaste sättet att avbilda jordens inre. Men det mäter direkt styvhet, ett viktigt mått för att bygga mer sofistikerade modeller av jorden.
Framtida tillämpningar och konsekvenser
En annan fördel är att den nya metoden kan använda mätningar gjorda av satelliter. Dessa inkluderar NASAs kommande rymdfarkoster NISAR, ett gemensamt uppdrag med den indiska rymdforskningsorganisationen som kommer att kartlägga hela världen i mycket hög upplösning var 12:e dag.
Med den nya tekniken kan NISAR erbjuda viktiga insikter om några av världens mest geologiskt farliga regioner, säger studiens medförfattare Thorsten Becker, professor vid Jackson School. Genom att kontinuerligt kartlägga jordens yta kommer satelliten att tillåta forskare att spåra strukturella förändringar i jordbävningsförkastningar när de går igenom sin jordbävningscykel.
Medförfattare Omar Ghattas, professor vid UT Walker Department of Mechanical Engineering och UT Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, sa att den nya metoden kan vara ett viktigt steg för att bygga jordens digitala tvillingar. Dessa komplexa datormodeller förbättrar sig ständigt genom att identifiera var de ska göra nya observationer och sedan assimilera de nya data.
”När modellerna blir bättre, eftersom data är rikare och mer informativa, kanske vi kan komma till den punkt där vi kan börja säga något om förutsägbarheten av jordbävningar,” sa han.
Forskningen finansierades av National Science Foundation och US Department of Energy. Andra medförfattare inkluderar Dunyu Liu, en beräkningsgeoforskare vid UTIG, och Umberto Villa, en forskare vid Oden-institutet.