Earthscope - Earthscope

Логотип EarthScope

Earthscope является науки о Земле программа с использованием геологических и геофизических методов для изучения структуры и эволюции североамериканский континенте и понять процессы, управляющие землетрясениями и вулканы. Проект состоит из трех компонентов: USArray, то Пограничная обсерватория, а Обсерватория разломов Сан-Андреас на глубине.

Проект финансируется Национальный фонд науки (NSF), а полученные данные общедоступны в режиме реального времени. Организации, связанные с проектом, включают UNAVCO, то Объединенные научно-исследовательские институты сейсмологии (ИРИС), Стэндфордский Университет, то Геологическая служба США (USGS) и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Несколько международных организаций также вносят свой вклад в эту инициативу.

Обсерватории

Есть три обсерватории EarthScope, в том числе Обсерватория разломов Сан-Андреас на глубине (SAFOD), Пограничная обсерватория (PBO), а Сейсмическая и магнитотеллурическая обсерватория (USArray). Эти обсерватории состоят из скважины в активная неисправность зона спутниковая система навигации (GPS) приемники, наклономеры, лазер с длинной базой тензометры, скважинные тензометры стационарные и переносные сейсмографы, и магнитотеллурический станции. Различные компоненты EarthScope будут предоставлять интегрированные и высокодоступные данные о геохронология и термохронология, петрология и геохимия, структура и тектоника, поверхностные отростки и геоморфология, геодинамический моделирование рок физика, и гидрогеология.

Сейсмическая и магнитотеллурическая обсерватория (USArray)

USArray, управляемый IRIS, - это 15-летняя программа по размещению плотной сети постоянных и переносных сейсмографов на всей территории США. Эти сейсмографы регистрируют сейсмические волны, возникающие в результате землетрясений, происходящих по всему миру. Сейсмические волны являются индикаторами распределения энергии внутри Земли. Анализируя записи землетрясений, полученные с помощью этой плотной сетки сейсмометров, ученые могут узнать о структуре и динамике Земли, а также о физических процессах, контролирующих землетрясения и извержения вулканов. Цель USArray в первую очередь - лучше понять структуру и эволюцию Континентальный разлом, литосфера, и мантия под Северной Америкой.

USArray состоит из четырех объектов: транспортабельный массив, гибкий массив, ссылка Сети и Магнитотеллурическое Facility.

Транспортируемый массив состоит из 400 сейсмометров, которые развертываются в скользящей сетке по всей территории Соединенных Штатов в течение 10 лет. Станции расположены на расстоянии 70 км друг от друга и могут наносить на карту верхние 70 км поверхности Земли. Примерно через два года станции перемещаются на восток к следующему участку в сети - если они не приняты организацией и не установлены на постоянной основе. После завершения зачистки США более 2000 локаций будут заняты. В Сетевой объект Array отвечает за сбор данных со станций переносного массива.

Гибкий массив состоит из 291 широкополосной станции, 120 короткопериодных станций и 1700 активных станций-источников. Гибкий массив позволяет нацеливать сайты более целенаправленно, чем широкий переносимый массив. Естественные или искусственно созданные сейсмические волны можно использовать для картирования структур на Земле.

Опорная сеть состоит из постоянных сейсмических станций, расположенных на расстоянии около 300 км друг от друга. Эталонная сеть обеспечивает основу для переносимого массива и гибкого массива. EarthScope добавила и обновила 39 станций к уже существующим Продвинутая национальная сейсмическая система, который является частью Справочной сети.

Магнитотеллурическая установка состоит из семи постоянных и 20 переносных датчиков, которые регистрируют электромагнитные поля. Это электромагнитный эквивалент сейсмических групп. Переносные датчики перемещаются по подвижной сетке, аналогичной сетке переносного массива, но находятся на месте примерно за месяц до их перемещения в следующее место. Магнитотеллурическая станция состоит из магнитометр, четыре электроды, и блок записи данных, которые закопаны в неглубоких скважинах. Электроды ориентированы с севера на юг и с востока на запад и пропитаны солевым раствором для улучшения проводимости с землей.

GPS-геодатчик EarthScope, компонент обсерватории границы плит (PBO)

Пограничная обсерватория (PBO)

Обсерватория границ плиты PBO состоит из серии геодезический приборы, приемники глобальной системы позиционирования (GPS) и скважинные деформографы, которые были установлены, чтобы помочь понять границу между Североамериканская плита и Тихоокеанская плита. Сеть PBO включает несколько основных компонентов обсерваторий: сеть из 1100 постоянных, непрерывно работающих спутниковая система навигации (GPS) станции, многие из которых предоставляют данные с высокой скоростью и в реальном времени, 78 скважин сейсмометры, 74 скважинных деформографа, 26 наклономеров для неглубоких скважин и шесть лазерных деформографов с длинной базой. Эти инструменты дополняются InSAR (интерферометрический радар с синтезированной апертурой ) и LiDAR (обнаружение света и дальность ) изображения и геохронология приобретен в рамках инициативы GeoEarthScope. PBO также включает комплексные информационные продукты, управление данными, а также образовательные и информационные мероприятия. Эти постоянные сети дополняются пулом переносных GPS приемники, которые могут быть развернуты для временных сетей для исследователей, для измерения движения земной коры в конкретной цели или в ответ на геологическое событие. Часть EarthScope, принадлежащая обсерватории границы плит, находится под управлением UNAVCO, Inc. UNAVCO - это некоммерческий консорциум, управляемый университетом, который способствует исследованиям и образованию, используя геодезия.

Схематическое изображение основной и пилотной скважин SAFOD

Обсерватория разломов Сан-Андреас на глубине (SAFOD)

Глубинная обсерватория разломов Сан-Андреас (SAFOD) состоит из основной скважины, которая пересекает активную Сан-Андреас разлом на глубине примерно 3 км и пилотная скважина примерно в 2 км к юго-западу от разлома Сан-Андреас. Данные от инструментов, установленных в скважинах, которые состоят из геофон датчики, системы сбора данных и часы GPS, а также образцы, собранные во время бурения, помогут лучше понять процессы, которые контролируют поведение разлома Сан-Андреас.

Продукты данных

Данные, собранные из различных обсерваторий, используются для создания различных типов информационных продуктов. Каждый информационный продукт решает разные научные проблемы.

P-волновая томография

Томография представляет собой метод создания трехмерного изображения внутренних структур твердого объекта (например, человеческого тела или земли) путем наблюдения и записи различий в эффектах прохождения энергетических волн, падающих на эти структуры. Энергетические волны представляют собой P-волны, генерируемые землетрясениями, и регистрируют их скорости. Данные высокого качества, которые собираются постоянными сейсмическими станциями USArray и Продвинутой национальной сейсмической системой (ANSS), позволят создавать сейсмические изображения недр Земли под Соединенными Штатами с высоким разрешением. Сейсмическая томография помогает ограничить скоростную структуру мантии и помогает понять происходящие химические и геодинамические процессы. С использованием данных, собранных USArray, и глобальных данных о времени пробега, можно создать глобальную томографическую модель неоднородности скоростей P-волн в мантии. Диапазон и разрешение этого метода позволят исследовать ряд проблем, вызывающих озабоченность в североамериканской мантийной литосфере, включая природу основных тектонических особенностей. Этот метод свидетельствует о различии толщины и аномалии скорости мантийная литосфера между стабильным центром континента и более активным западом Северной Америки. Эти данные жизненно важны для понимания локальной эволюции литосферы, и в сочетании с дополнительными глобальными данными, они позволят отобразить мантию за пределами нынешней протяженности массива США.

Эталонные модели приемников

Компания EarthScope Automated Receiver Survey (EARS) создала прототип системы, которая будет использоваться для решения нескольких ключевых элементов производства продуктов EarthScope. Одна из систем-прототипов - эталонная модель приемника. Он обеспечит толщину земной коры и средние отношения Vp / Vs земной коры под станциями, перевозимыми на массиве USArray.

P-волны и S-волны от сейсмографа

Окружающий сейсмический шум

Основная функция Продвинутой национальной сейсмической системы (ANSS) и USArray заключается в предоставлении высококачественных данных для мониторинга землетрясений, изучения источников и исследования структуры Земли. Полезность сейсмических данных значительно возрастает, когда уровни шума и нежелательных вибраций уменьшаются; однако широкополосные сейсмограммы всегда будут содержать определенный уровень шума. Основными источниками шума являются либо сами приборы, либо окружающие вибрации Земли. Обычно собственный шум сейсмометра будет намного ниже уровня сейсмического шума, и каждая станция будет иметь характерный шумовой образец, который можно рассчитать или наблюдать. Источники сейсмический шум в пределах Земли вызваны любым из следующего: действия людей на или вблизи поверхности Земли, объекты, перемещаемые ветром с движением, передаваемым на землю, проточная вода (речной поток), прибой, вулканическая активность, или длительный наклон из-за термической нестабильности из-за плохой конструкции станции.

В проекте EarthScope будет представлен новый подход к исследованиям сейсмического шума, в котором не предпринимаются попытки просмотреть непрерывные волновые формы для устранения тела и поверхностные волны от естественных землетрясений. Сигналы землетрясений обычно не включаются в обработку шумовых данных, потому что они, как правило, маловероятны даже при низких уровнях мощности. Две цели, стоящие за сбором данных о сейсмическом шуме, - предоставить и задокументировать стандартный метод расчета фонового фонового шума окружающей среды и охарактеризовать изменение уровней фонового фонового шума в США в зависимости от география, сезон и время суток. Новый статистический подход предоставит возможность вычислять функции плотности вероятности (PDF) для оценки всего диапазона шума на данной сейсмической станции, позволяя оценивать уровни шума в широком диапазоне частот от 0,01 до 16 Гц (100-0,0625). период s). С использованием этого нового метода будет намного проще сравнивать характеристики сейсмического шума между различными сетями в разных регионах.

Анимация землетрясения

Сейсмометры переносной группы USArray регистрируют прохождение многочисленных сейсмических волн через заданную точку вблизи поверхности Земли, и, как правило, эти сейсмограммы анализируются для определения свойств структуры Земли и источника сейсмических волн. Учитывая пространственно плотный набор сейсмических записей, эти сигналы также можно использовать для визуализации реальных непрерывных сейсмических волн, обеспечивая новые идеи и методы интерпретации сложных эффектов распространения волн. Используя сигналы, записанные массивом сейсмометров, проект EarthScope сможет анимировать сейсмические волны, когда они проходят через переносимый массив USArray для выбранных более крупных землетрясений. Это позволит проиллюстрировать региональные и телесейсмические явления распространения волн. Сейсмические данные, собранные как с постоянных, так и с переносных сейсмических станций, будут использоваться для создания компьютерной анимации.

Региональные тензоры моментов

Тензор сейсмического момента - один из фундаментальных параметров землетрясений, который может быть определен из сейсмических наблюдений. Это напрямую связано с ориентацией разлома землетрясения и направлением разрыва. В моментная величина, Mw, полученная из магнитуды тензора момента, является наиболее надежной величиной для сравнения и измерения силы землетрясения с другими магнитудами землетрясений. Тензоры моментов используются в широком спектре областей сейсмологических исследований, таких как статистика землетрясений, масштабные соотношения землетрясений и инверсия напряжений. Создание решений регионального тензора момента с соответствующим программным обеспечением для умеренных и сильных землетрясений в США будет осуществляться с помощью переносной группы USArray и широкополосных сейсмических станций Advance National Seismic System. Результаты получены во временной и частотной областях. Подгонка формы сигнала и цифры согласования амплитуды и фазы позволяют пользователям оценить качество тензора момента.

Геодезический мониторинг западной части США и Гавайев

Оборудование и методы глобальной системы позиционирования (GPS) предоставляют ученым-геологам уникальную возможность изучать региональные и местные движения тектонических плит и проводить мониторинг опасных природных явлений. Очищенные сетевые решения из нескольких массивов GPS были объединены в региональные кластеры в связи с проектом EarthScope. Массивы включают Тихоокеанский Северо-Западный геодезический массив, Пограничную обсерваторию EarthScope, Западно-канадский массив деформации и сети, находящиеся в ведении Геологической службы США. Ежедневные измерения GPS с ~ 1500 станций вдоль Тихого океана / Северной Америки граница плиты обеспечивают точность до миллиметра и могут использоваться для отслеживания перемещений земной коры. С использованием программного обеспечения для моделирования данных и записанных данных GPS появилась возможность количественно оценить деформацию земной коры, вызванную тектоника плит, землетрясения, оползни возможны извержения вулканов.

Зависящая от времени деформация

Цель состоит в том, чтобы предоставить модели зависящей от времени деформации, связанной с рядом недавних землетрясений и других геологических событий, которые ограничиваются данными GPS. С использованием InSAR (Интерферометрический радар с синтезированной апертурой), метод дистанционного зондирования, и PBO (Plate Boundary Observatory), фиксированный набор GPS-приемников и тензометров, проект EarthScope обеспечит пространственно-непрерывные измерения деформации на обширных географических территориях с разрешением от дециметра до сантиметра.

Глобальная карта скорости деформации

Глобальная карта скорости деформации (GSRM) - это проект Международной литосферной программы, задача которой состоит в том, чтобы определить глобальную самосогласованную модель поля скорости деформации и скорости деформации, совместимую с геодезическими и геологическими полевыми наблюдениями, собранными с помощью GPS, сейсмометров и деформографов. GSRM - это цифровая модель поля тензора глобального градиента скорости, связанного с аккомодацией современных движений земной коры. Общая миссия также включает: (1) участие отдельных исследователей в создании глобальных, региональных и локальных моделей; (2) архивировать существующие наборы данных геологической, геодезической и сейсмической информации, которые могут способствовать лучшему пониманию явлений деформации; и (3) архивировать существующие методы моделирования скоростей деформации и переходных процессов деформации. Заполненная глобальная карта скорости деформации предоставит большой объем информации, которая будет способствовать пониманию динамики континентов и количественной оценке сейсмических опасностей.

Наука

EarthScope рассмотрит семь тем с помощью обсерваторий.

Конвергентные маржинальные процессы

Конвергентная окраина океана и континента

Конвергентные поля, также известные как сходящиеся границы, являются активными областями деформации между двумя или более тектонические плиты сталкиваются друг с другом. Конвергентные поля создают области тектоническое поднятие, Такие как Горные хребты или вулканы. EarthScope фокусируется на границе между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой на западе США. EarthScope предоставит геодезические данные GPS, сейсмические изображения, подробную сейсмичность, магнитотеллурические данные, InSAR, карты поля напряжений, цифровые модели рельефа, фоновая геология и палеосейсмология для лучшего понимания конвергентных маржинальных процессов.