第七届青年地学论坛

        密度是地球内部介质基本的物性参数，是分析地球内部介质地质属性、化学成分和构造特征的重要依据。重力反演是获取地下二维/三维密度结构成像最常用的方法，已取得了丰富成果。然而，重力对密度结构在垂向上的分辨能力不足，且重力反演具有较强多解性。因此，高分辨的密度结构成像仍是地球物理的难题之一。
        宇宙线缪子成像是近年来新兴的密度结构成像开创性新方法。宇宙线缪子是原初宇宙射线在大气层产生的高能粒子，质量为105.7 MeV/c²，是电子的207倍，质子质量的1/9，其半衰期为2.2微秒。来自不同天顶角、具有不同能量的缪子穿过物质时会产生衰减效应，而其衰减程度主要取决于缪子穿过物质的密度与路径长度之积。宇宙线缪子能够以直线穿透数百米厚岩层，基于缪子与物质相互作用的物理模型，通过布设合适的缪子成像观测系统开展缪子观测，即可实现对穿透物体类似地震层析成像分辨能力的二维或三维密度结构成像。近年来，日本、欧美等学者已将缪子成像用于火山、岩浆运移、金字塔密室、活动断层、隧道、冰川、矿产资源勘查等精细密度结构成像及动态监测领域，取得了良好的应用效果。
        针对地壳浅层密度异常相关的高精度、高分辨结构探测和成像难题，我们研制了缪子成像探测器，实现了高精度的缪子角度分辨和径迹重建，开发完成了缪子成像的物理模拟、数据处理、正反演技术和精细密度结构成像的算法和软件。并在五大连池火山、常熟地震台隧道、北京地铁隧道等地开展了缪子成像的观测和探测实验，初步结果表明了缪子成像在浅层精细密度结构探测中的适用性和有效性。
        综上，宇宙线缪子成像作为一种高分辨、高精度的被动源探测成像方法，具有对密度敏感、精度高、分辨率高、穿透力强、可完成对密度结构层析成像等优点，有望成为浅层数米至数百米深度范围内高分辨、高精度精细密度结构探测的全新地球物理方法，可为火山、隧道、活动断层等地区浅层高分辨率密度结构探测提供有力支持。同时，通过进一步开展缪子、重力、地震等地球物理方法联合观测和反演，可以建立更为可靠的密度-地震波速关系，服务地球物理反演，可为地球内部结构成像、火山岩浆运移及其随时间变化等重要基础科学问题提供重要依据。
 

缪子成像，密度结构，层析成像，火山，活动断层