还记得地球的“里三层外三层”吗？
    还记得像鸡蛋一样分层的地球内部结构吗？
 

图 1 地球的内部圈层

    那么半径达6371km的地球，我们是如何知道它的内部结构呢？这里给大家介绍一种常用的地球物理方法—地震层析成像（Seismic Tomography）。 

    那什么是地震层析成像呢？那得从CT说起，20世纪60年代初期，美国科学家Cormack从数学和实验结果中证实了根据X射线的投影可以唯一地确定人体内部结构，从而奠定了医学诊断上图像重建理论的基础，即X射线CT（X Ray Computer Tomography）。20世纪70年代计算机X 射线断层扫描技术(Computed Tomography或Computerized Tomography，CT)问世于医学领域。当我们生病的时候去医院做检查，医生有时会说，你去做个CT。于是乎，我们就被送进了治疗室：
 

 
图 2 做胸透

    然后就看到了这样的图片：
 

图 3 胸透的结果

    那么CT技术是如何工作的呢？

    用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可拍摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。
 

 
图 4 CT工作的基本原理

    随着CT技术的成功应用，Tomography 技术进入地球物理学领域称为地震层析成像（Seismic Tomography），即利用地震波来探测地球内部的物性参数，从而得到地球内部速度结构。因为地球内部物质(岩石、金属)的地震波速度与其物理性质有比较稳定的相关性，所以地震层析成像能获得地球内部物质的结构。
 

图 5 地球内部层析成像原理

    地震层析成像是了解地球内部结构的主要工具。地球半径是6371km，目前最深的人工钻井才十几千米，直接了解地球内部结构是不现实的。地震波能穿透地球内部的任何深度。一百多年来，全世界地震仪记录了汗牛充栋的地震资料，而且每天还在不断地增加。利用这些地震资料进行地震层析成像来获知地球内部结构，是切实可行的方法。地震灾害是人类遭受的巨大自然灾害之一。地震预报和工程抗震都需要对断层周围物质的性质和地球板块的运动有确切的了解，因而地震层析成像也是防震减灾不可或缺的工具。 

    20世纪70年代以前，地球物理学家使用全球地震观测资料编制P、S 波走时表，利用简单的走时反演方法获得了地球内部结构的一些重要知识，如发现了莫霍面、核幔分界面、内外核分界面，建立了一维地球分层模型—— 布伦模型。1980年05月国际地球标准模型委员会推荐由多依旺斯基（Adam M.Dziwonski）教授和安德森（D.L.Anderson）教授提出来的初步参考地球模型，作为当前国际上临时的地球参考模型，供参考对比和使用。这个模型在1981年第21届国际大地测量与地球物理联合会上正式通过。称为初步参考地球模型，简称PREM（Preliminary Reference Earth Model）
 

图 6 PREM模型

    地球物理探测随信息技术同步发展，大约每10年就更新换代，地球内部更深更精细的成像不断涌现。全球除了几千个固定地震台站在连续监测地震活动之外，还有几万台流动的地震仪，安置在海底和大陆，采集全球和重点区域的地壳运动。2005年，地球物理学家完成了CRUST 2.0全球地壳地震波速成像，分辨率达到2°×2°。
 

图 7 Crust 2.0模型（地壳厚度模型）

    20世纪70年代初，三维地震层析成像被提出。20世纪80年代以后，随着全球地震观测台网的不断增多、宽频带数字化地震资料的应用、反演理论的实用化以及电子计算机技术的飞速发展，三维地震层析成像蓬勃发展起来。20世纪70年代到2000年的30年间，高频地震射线近似是地震层析成像的主要方法。自2000年以来的最近10年，有限频率地震层析成像开始发展起来。传统的地震层析成像方法获得了地球内部的静态大尺度结构 —— 地壳、地幔、内核、外核、岩石圈、软流圈等，这已经没有大的争议。
 

图 8 层析成像对局部区域地下速度结构的研究

    20世纪80年代初期，海湾石油公司与美国加州大学合作，从80年代开始秘密利用反射数据重建地下速度结构，在1984年的SEG年会上首次公布了地震层析成像的研究成果，引起了轰动。80年代后期，美国国家技术研究所与加拿大多伦多大学在几个油田上作了跨孔地震层析成像试验；我国长江流域规划办公室和西安煤研所分别在三峡及大同煤矿进行了地震层析成像试验；地矿部物化探所也在三个金属矿上进行了少量的试验。此后层析成像的发展更是方兴未艾，它不仅适应了油气勘探的要求，而且渗透到以提高采收率为目标的油藏工程的全过程。三维地震层析成像在油气勘探中运用比较广泛，利用高覆盖的数据，我们可以得到地下比较精准的三维地震地层模型。
 

 
图 9 某地区三维层析成像水平切面中的河道砂