在冷战期间，美国和国际监测机构可以发现核试验，并专注于测量它们的大小。今天，他们正在全球寻找更小的炸药测试。
桑迪亚国家实验室的研究人员Sandy Ballard和来自桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室的同事开发了SALSA3D，这是一个地幔和地壳的三维模型，旨在帮助确定所有类型的爆炸的位置。(兰迪·蒙托亚拍摄)
在国家核安全局国防核不扩散研发办公室的赞助下，桑迪亚国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室合作开发了一种称为SALSA3D或桑迪亚洛斯阿拉莫斯3D的地幔和地壳三维模型。该模型的目的是帮助位于奥地利维也纳的美国空军和国际全面禁止核试验条约组织（CTBTO）更准确地定位所有类型的爆炸。
该模型使用可伸缩的三角形镶嵌和地震层析成像来绘制地球的“纵波地震速度”，桑迪亚的地球物理学家桑迪·巴拉德说，这是地球内部岩石和其他物质的一种欧洲杯足球竞彩特性，表明纵波通过它们的速度，是精确定位地震事件的一种方法。纵波——地震发生后首先测量到的——在地震发生地点和探测站之间来回移动岩石和其他物质中的颗粒。欧洲杯足球竞彩欧洲杯猜球平台
他补充说，SALSA3D还减少了模型预测中的不确定性，这是决策者在发现可疑活动时必须采取行动的一个重要特征。
“当发生地震或核爆炸时，你不仅需要知道它发生在哪里，还需要知道有多清楚。对于这些大型3d模型来说，这是一个难题。这主要是一个计算问题，”巴拉德说。“数学并不难，只是完成它就很难，而我们已经做到了。”
Sandia团队自2007年以来一直在为模型编写和改进代码，现在正在演示SALSA3D比当前模型更精确。
在最近的测试中，SALSA3D能够在一个地理区域预测地震事件的来源，该地理区域比传统的一维模型小26%，比最近开发的与一维模型一起使用的区域地震旅行时间(RSTT)模型小9%。
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Sandia最近向其他地球科学家、地震学家和公众发布了SALSA3D框架——该模型所基于的三角形镶嵌网格。通过标准化框架，地震研究界可以更容易地共享地球结构模型，全球监测机构可以更好地测试不同的模型。巴拉德说，这两项活动都因今天提供的型号过多而受阻。（见方框。）
“土工布使模型兼容并使一切标准化，”他说。“如果每个人都同意，这将真正促进不同模型的共享。”
当爆炸发生时，能量以波的形式在地球上传播，由美国和国际地面监测站的地震仪采集，这些地面监测站与世界各地的核爆炸监测组织有关联。科学家利用这些信号来确定位置。
他们首先预测了波从源头经过地球到达每个站所需的时间。巴拉德说，要计算出这一点，他们必须知道地球物质从地壳到内核的地震速度。欧洲杯足球竞彩
他说:“如果你使用的材料具有很高的地震速度，那么地震波传播得非常快，但能量在其他材料中传播得不那么快，所以信号从震源到接收者需要更长的时间。”欧洲杯足球竞彩
在过去的100年里，地震学家利用一维模型预测了地震能量从震源到接收者的传播时间。这些模型至今仍被广泛使用，它们只考虑了地震速度的径向变化，而忽略了地理方向的变化。它们给出的地震事件位置相当准确，但远不如高保真三维模型计算的位置精确。
现代地球三维模型，如SALSA3D，考虑了由岩石和其他材料性质的微小横向差异引起的地震波前畸变。欧洲杯足球竞彩
例如，当波浪穿过一个被称为俯冲带的地质特征时，就会发生变形，比如南美洲西海岸下方的俯冲带，太平洋下方的一个板块正潜入安第斯山脉下方。巴拉德说，这种情况发生的速度与指甲的生长速度差不多，但从地质学角度讲，这是很快的。
一维模型,如广泛使用ak135在1990年代开发的,擅长预测时波的旅行时间从源到接收器的距离很大,因为这些海浪花大部分的时间穿越最深的,大多数地球同质的部分。它们在预测到附近事件的传播时间方面做得不是很好，在这些事件中，波的大部分时间都在地壳或地幔最浅的部分，这两部分包含的物质比下地幔和地核的种类更多。欧洲杯足球竞彩
RSTT是桑迪亚、洛斯阿拉莫斯和劳伦斯利弗莫尔国家实验室联合开发的先前模型，它试图解决这个问题，在大约60-1200英里（100-2000公里）的范围内工作得最好。
不过，“我们得到的最大错误是接近地球表面。这就是材料变化最大的地方，”巴拉德说。欧洲杯足球竞彩
地震层析成像提供了SALSA3D精度
今天，地球科学家正在绘制三个维度的地图:半径、纬度和经度。
任何研究过地球仪或世界地图集的人都知道，离赤道越近，传统的经线和纬线网格就可以正常工作，但在两极，这些线靠得太近了。巴拉德说，为了监测核爆炸，地球模型必须准确地描述极地地区的特征，即使它们距离遥远，因为地震波在它们下面传播。
三角形镶嵌解决了节点，或三角形的交叉点，甚至在极点都可以精确建模。在需要更多细节的地方，三角形可以小一些，在不需要太多细节的地方，比如海洋，三角形可以大一些。此外，这个模型延伸到地球内部，就像没有圆形外壳边缘的馅饼堆成的圆柱。
桑迪亚计算地震速度的方法使用了与MRI检测肿瘤相同的数学方法，只不过是在全球范围内，而不是在人类范围内。
桑迪亚使用了由洛斯阿拉莫斯实验室的地面真相目录收集的全球11.8万次地震和1.3万个当前和以前的监测站的历史数据。
桑迪说：“我们采用了一种称为地震层析成像（seismic tomography）的方法，在这种方法中，我们获取了数百万个观测到的旅行时间，并将它们转化为地震速度，从而创建数据集。这在数学上类似于线性回归，但需要使用类固醇。”。线性回归是一种简单的数学方法，用于模拟已知变量和一个或多个未知变量之间的关系。由于Sandia团队对数十万个未知变量进行建模，因此他们采用了一种称为最小二乘法的数学方法，以最大限度地减少先前地震事件数据与预测之间的差异。
Sandia拥有1000万个数据点，它使用一个具有大约400个核心处理器的分布式计算机网络来描述每个节点的地震速度。
监测机构可以使用SALSA3D预先计算从网络中的每个站点到地球上每个点的旅行时间。他说，当需要实时计算新地震事件的位置时，震源到接收器的移动时间可以在毫秒内计算出来，并在大约一秒钟内确定能量的来源。
SALSA3D特性的不确定性建模
但是没有一个模型是完美的，所以Sandia开发了一种方法来测量SALSA3D每次预测中的不确定性，基于每个节点的速度的不确定性，以及这种不确定性如何影响从地震事件到每个监测站的每个波的走时预测。
SALSA3D为监测站的用户估计地震事件最可能发生的位置和答案中的不确定性，以帮助他们作出决定。
国际禁试条约规定，现场检查只能在疑似核试验场周围1000平方公里(385平方英里)范围内进行。今天，像SALSA3D这样的三维地球模型正在帮助世界上大多数地区达到甚至有时显著超过这个阈值。
巴拉德说:“这非常困难，因为问题太大了。”“但我们必须在1000平方公里内找到它，否则他们可能会在错误的地方搜索。”
来源:http://www.sandia.gov/