给地球做“CT”

2018-06-01 09:01 来源:新华网 责任编辑:李好

  地球物理,顾名思义,就是利用物理原理来研究地球,通过利用地球内部结构的物理属性差异来研究其内部构造,使用仪器设备给地球做“CT”。

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  怎么给地球做“CT”?

  经过近百年的发展,科学家们建立了一系列地球物理探测方法,这些方法针对地球内部的密度差异、磁化率差异、速度差异以及导电性差异等,分别对应重力勘探、磁法勘探、地震勘探以及电法勘探这些常用的地球物理探测方法。

  这些物理属性怎么跟地球深部结构对应起来?首先需要将地球深部构造的地质问题转化为地球物理模型,在这些模型中,地质现象将被上述物理属性所表征。联系上述地质与地球物理问题的纽带就是岩石物性。地球是由各种各样的岩石以及包含在岩石中的流体所组成,每一种岩石,包括每种岩石在特定的温度、压力条件下都有其对应的物理属性参数,这是地球物理方法用于区分不同介质的基础。当然,这些物理属性并不是一一对应的,同样的物理属性可能代表不同的岩石以及不同状态下的不同岩石,这就是地球物理探测多解性的根源,因此需要结合多种地球物理探方法进行判断,多数时候还需结合地质以及地球化学资料来进行判断。

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  首先,深部地球物理对认识地球的圈层结构有所研究。目前流行的地球模型是将其分为三个基本圈层:地壳、地幔和地核。地球内部随着深部的变化,其物理属性参数呈现递变变化,但又存在明显的属性突变界面(图2 )。在这些物理属性突变界面通常能够观察到明显的地球物理异常(图3 )。人们将这些观测异常与岩石物理属性结合起来,就可以解释地球内部的圈层的变化特征。

地球不同深度的物理属性

圈层结构地球物理异常示意图

  同时,深部地球物理聚焦于地球的横向不均匀性。研究表明,地球并非完全的圈层结构,同一圈层在横向上物质组成部分、状态也会存在差异,就像地表既有高山平原,又有江河湖海一样,这种明显的差异反映了地球的演化过程。人们常讨论的板块运动就是一种横向不均匀性,不同的板块具有不同的演化历史和物质组成部分,当其在构造运动中拼贴在一起时,其缝合线的两侧具有明显的物性差异。地球物理方法在跨越不同地体两侧进行勘测过程中,会得到明显的观测异常(图4 )。

不同块体拼合的地球物理异常示意图

  另外,深部地球物理还会讨论地球深部的局部异常。局部异常也是地球内部演化的产物,以一个深部岩浆囊举例,岩浆囊主要是一些熔融物质,其密度和速度通常高于周围的岩石,其导电性一般较差,因此表现为高速、高密度、高电阻率、高磁性的异常体。在地球物理探测中,每一种方法都是针对其中的某类属性,得到这种属性的剖面图或者曲线图(图5)。

局部异常的地球物理响应示意图

  目前,我国给地球做CT,让地球成为“透明地球”,不仅有地震层析成像法,还有电磁波层析成像法,不仅应用于石油天然气等能源矿产勘探领域,而且还应用于金属矿产、非金属矿产、水汽矿产勘探领域,为我国矿业的发展做出了巨大的贡献。

  作者:符伟,侯贺晟,杨瑨,国瑞(中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心 吉林大学)

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