新開發的計算技術可利用GPS等地表測繪技術分析地下地質結構。這種方法稱為”形變成像”，可幫助我們深入了解地殼和地函的剛性，從而加深我們對地震等地質過程的理解。該技術已在2011 年東北地震中提供了地下區域的詳細情況，並有可能在未來與衛星資料一起廣泛應用。

長期以來，GPS、雷達和雷射掃描等地表測繪技術一直被用於測量地球表面的特徵。現在，德州大學奧斯汀分校開發的一種新計算技術讓科學家可以利用這些技術來觀察地球內部。

內華達山脈頂上的全球定位系統站。德州大學奧斯汀分校的研究人員利用GPS 網路為地球內部成像。圖片來源：UNAVCO/美國國家科學基金會

這項新技術被研究人員稱為”形變成像”，其結果可與地震成像相媲美，但能提供有關地殼和地函剛性的直接資訊。西蒙娜-普埃爾（Simone Puel）說，她在德克薩斯大學傑克遜地球科學學院攻讀研究生期間，為德克薩斯大學地球物理研究所的研究計畫開發了這種方法。

“剛度等材料特性對於理解俯衝帶或一般地震科學中發生的不同過程至關重要，”Puel 說。 “當與地震、電磁或重力等其他技術相結合時，就有可能以一種前所未有的方式製作出更全面的地震力學模型。”

顯示日本地下地殼硬度的圖形。圖片顯示了日本大陸板塊（暗紅色大塊）與較硬的海洋板塊（深藍色大塊）碰撞的邊界。影像中央較小的暗紅色斑塊很可能是為日本火山（紅色三角形）提供能量的岩漿系統。該圖像是利用UT Austin 研究人員開發的一種新型形變成像技術收集的數據繪製的。圖片來源：Simone Puel

普埃爾現在是加州理工學院的博士後學者，他在今年早些時候發表了他的方法背後的理論。 6 月發表在《科學進展》（Science Advances）上的一項最新研究展示了此方法的實際應用。該研究利用2011年日本東北地震期間記錄的GPS數據，對地下約100公里處的地表進行了成像。

該圖像揭示了太平洋火環日本部分下方的構造板塊和火山系統，包括一個低剛度區域，該區域被認為是為火山系統提供能量的深層岩漿庫，這是首次僅利用地表資訊探測到這種岩漿庫。

這種方法的依據是，地殼是由具有不同彈性特性的岩石材料組成的大雜燴。有些部分較柔韌，有些部分較硬。這導致地殼收縮和膨脹不均勻。例如，在地震發生時，地球的振動就會反映出它是由什麼組成的，從而使地表發生明顯的變形。

為了將這種不均勻變形轉化為地表下的圖像，研究人員建立了一個電腦模型，將地球視為一種簡化的彈性材料，同時允許其彈性強度在三個維度上變化。然後，該模型根據全球定位系統感測器在地震中的相互移動程度計算出地表下的剛度。結果就是根據地表的變化繪製出地球內部的三維影像。

不過，儘管該模型產生了由1250 萬個數據點組成的網絡，但影像的清晰度不如地震層析成像，而地震層析成像是對地球內部成像最常用的方法。不過，它可以直接測量剛度，這對建立更複雜的地球模型非常重要。

另一個優點是，新方法可以利用衛星進行測量。這些衛星包括美國國家航空暨太空總署（NASA）即將發射的NISAR 太空船，這是一項與印度太空研究組織（Indian Space Research Organization）的聯合任務，每12 天將以極高解析度繪製全球地圖。

研究報告的合著者、傑克遜學院教授托爾斯滕-貝克爾（Thorsten Becker）說，利用這項新技術，NISAR可以為世界上一些地質災害最嚴重的地區提供重要的洞察力。透過持續繪製地球表面地圖，該衛星將使科學家能夠追蹤地震斷層在地震週期中的結構變化。

論文的共同作者、UT沃克大學機械工程系和UT奧登計算工程與科學研究所教授奧馬爾-加塔斯（Omar Ghattas）說，這種新方法可能是建立地球數字雙胞胎的重要一步。這些複雜的電腦模型透過確定在哪裡進行新的觀測，然後吸收新的數據，從而不斷完善自己。

他說：”隨著模型越來越完善，數據越來越豐富，資訊量越來越大，也許我們就可以開始對地震的可預測性發表一些看法了。”

編譯自/ ScitechDaily