PDF《给地球做“CT”》

1 给地球做"CT" 人类有一个"毛病",总想窥视物体内部的结构.

用大刀切开一个西瓜,绿 皮红囊黑子的排布就一目了然了.人体不是西瓜,不可随意切开,因为碰一碰肉 体中的神经,也常常令人痛苦难堪.对人体结构的了解,自古而来多依赖对尸体 的解剖.对活体呢?中医用手指号脉、西医用听诊器听音,以窥探体内心脏及血 管系统的健康状况.当然,现代科技已经可以不通过直接接触人体就能无痛地探 测出体内的微细结构如血管、息肉、肿瘤等等,例如十分普及的"CT"技术,是"Computerized Tomography"的缩写,即"计算机断层扫描术". CT 诊断就 用X射线扫描人体来获得大量的数据,通过计算机复杂且大量的运算,把X射线 形成的影像绘制在一张"断层"上,让肉眼能够识别活体切面上的细微结构以及 变异情况. 与人体相同,地球在可见光下同样是不透明的"黑物体".中国有"穿山镜" 的传说,总希望能够窥视地球内部的结构.从给人体做 CT 的科技获得启示,类似CT 技术也可以窥视地球的内部结构.但地球与人体不同.人体小,在通常的 CT 仪器中均可以进行各方向的三维立体扫描,而对地球的扫描只能在地表进行, 属平面的二维扫描.所以,给地球做 CT 更加困难,更需要"黑科技".基于 CT 技术相似的原理与思路, 把X射线这一电磁波换成由物体振动而产生的弹性波 (如 声波),并基于更强大的计算机计算技术,1975 年出现了"斜向地震反射偏移 剖面计算机成像技术",奠定了地震层析成像的基础,能够通过地震勘探的方法, 绘制出地下斜向地层的结构,用于寻找石油天然气矿藏. 我们用什么窥探地球 地球物理,顾名思义,就是利用物理原理来研究地球.地球物理人最喜欢的 就是跟医学 CT 做类比来解释自己的工作性质,的确如此,地球物理探测跟医学 探测人体具有很多相似点.首先简单回顾一下医学 CT 的工作原理,它向人体发 射一束 X 射线,人体的各个组织对 X 射线吸收能力不同,因此同一束 X 射线再透 过人体不同之后就发生了不同程度的改变,这时候再将这种差异性改变转化成我 们易于解释的图像即可用于诊断了.我们地球物理也是利用地球内部结构的物理 属性差异来研究其内部构造的,也就是利用我们的仪器设备给地球做"CT".

2 图1医学 CT 与地球物理 我们怎么给地球做"CT"? 地球物理所能分辨的物理属性主要是那些呢?经过近百年的发展,人们发展 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.其中,重力、磁法和电法方法考虑地下介质 的整体效应,而地震方法主要针对速度、密度结构变化的突变界面,且具有更高 的分辨率. 那么这些物理属性差异怎么跟地球深部结构对应起来呢?首先我们需要将深 部构造的地质问题转化成地球物理模型,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.我们的地球由 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. 疑难杂症,我们都能看 首先,深部地球物理研究认识地球的圈层结构.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.这个三个基本圈层又可以进一步细分, 如地壳可分为上地壳 ( 纵波速度,Vp=5.9~6.3km/s)、中地壳 (Vp=6.4~6.7km/s)