כולנו מכירים את השימוש הרב שנעשה בדימות בעולם הרפואה. אמצעים כמו צילומי רנטגן, סריקות אולטרסאונד, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) או דימות תהודה מגנטית (MRI) מספקים לרופאים ולחוקרים מידע יקר ערך על המתרחש מתחת לעורנו. גם בחקר הקרקע משתמשים בדימות למטרה דומה: לחשוף את הנסתר מאחורי חומרים דחוסים ואטוּמים למראה.
מחקר חדש שפורסם בכתב העת Communications Earth & Environment מראה כי טכניקות המבוססות על שיטות דימות רפואיות מתקדמות מסוגלות לספק תמונה מפורטת של לועו הפנימי של הר געש. השיטה החדשה, שפיתחו יחד צוותי מחקר מהמרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי ומהמכון לפיזיקה פלנטרית בפריז, מספקת תמונות ברמת פירוט והפרדה (רזולוציה) גבוהה במיוחד של לוע הר הגעש לה סופרייר (La Soufrière) בקבוצת האיים גוואדלופ שבים הקריבי.
הטכניקה החדשה היא גרסה מתקדמת של שיטת ניתוח נתונים נפוצה שנקראת דימות מטריצה. השיטה מבוססת על יצירת תמונה תלת-ממדית של האובייקט הנסרק באמצעות הצלבה של נתונים שהתקבלו ממספר מצומצם של חיישנים, שכל אחד מהם מספק מידע חד-ממדי. דימות מטריצה פותח במקור לצרכים רפואיים, ומשתמשים בו בין השאר לניתוח נתונים שהתקבלו במכשירי אולטרסאונד וטומוגרפיה ממוחשבת. במחקר הנוכחי, התאימו את השיטה לצורך עיבוד הנתונים המגיעים מחיישנים שנקראים גיאופונים – מכשירים נפוצים במחקרים גיאולוגיים, שמאפשרים למדוד את תנועות הקרקע.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
היריון יקר - אנרגטית
נחמה בבטן מלאה
תן חיוך (וגם צחוק)
גלים בבטן האדמה
גלים סייסמיים הם גלים שנעים בתוך הקרקע לאחר שנוצרו ממקור כמו רעש אדמה, פעילות געשית או פיצוץ מעשה ידי אדם בגובה פני הקרקע. הגלים הללו משנים את מהירותם בהתאם לחומר שבו הם נעים - ככל שהחומר צפוף יותר או מצוי בלחץ גבוה יותר, הגלים ינועו מהר יותר. כשגל כזה עובר בין שכבות עם מאפיינים שונים, הוא נשבר בזווית מסוימת, והשבירה הזאת מאפשרת לזהות איפה עוברים הגבולות בין שכבה לשכבה. אם נעקוב בקפידה אחרי תנועת הגלים שתיעדו החיישנים, נוכל למפות את הרכב החומרים בקרום כדור הארץ.
השיטה החדשה מאפשרת להתמודד עם האתגרים הטמונים בפענוח מבנים תת-קרקעיים באזורים געשיים, שברבים מהם מסוכן ומסובך מדי להתקין חיישנים רבים. על כן חוקרים נאלצים להתבסס על תיעוד מצומצם של הגלים הסייסמיים הנוצרים מתנודות בקרקע.
כדי להדגים איך דימות מטריצה יכול לספק תמונה איכותית של לוע הר הגעש באמצעות מערך דל של חיישנים גיאופונים, בחרו החוקרים בהר הגעש לה סופרייר, שרשת החיישנים המותקנת בו דלילה. עד כה, מרבית הסקרים הגיאופיזיים שעסקו בעיבוד רעשי רקע תת-קרקעיים התבססו על תנועת גלי השטח – גלים אופקיים שנעים על פני השטח – ודרכם ניסו להבין מה קורה בעומק האדמה.
השיטה מתבססת על עיבוד רעשי רקע של תנועת גלי גוף – גלים שמתקדמים אל פנים כדור הארץ, ולא נשארים על פני השטח. ברוב הסקרים של גלי גוף משתמשים בהערכות מוקדמות לא מדויקות על מבנה השכבות שמתחת לפני הקרקע, אך דימות המטריצה חוסך את הצורך בהנחות כאלה. גלי הגוף סיפקו מידע ישיר ומדויק של מבנה הר הגעש בעומק רב. כך זיהו החוקרים בין השאר שהלוע הצר של הר הגעש מגיע לעומק של חמישה קילומטרים, ושבתחתיתו נמצא אזור שהחוקרים כינו "מערכת אחסון המגמה", המורכבת מכמה שכבות של סלע מותך (מגמה). מתחתן נמצאת שכבת הבסיס של ההר. השיטה מאפשרת ליצור תמונה עד לעומק של עשרה קילומטרים ברמת הפרדה של מאה מטרים. מדובר בשיפור ניכר ביכולת לחקור את מעמקי האדמה במקומות שבהם כמות חיישני התנודות מוגבלת.
החוקרים משוכנעים שהשיטה ניתנת ליישום באתרים נוספים ומדגישים כי היא חסכונית בפריסת חיישנים. יישומה עשוי לסייע בחיזוי התפרצויות של הרי געש, וכך להציל חיים רבים ברחבי העולם. הצלחתה טמונה בין השאר ביכולתה להפחית עיוותים שמתרחשים כשגלים סייסמיים מגיבים למרכיבים תת-קרקעיים אלה ואחרים ויוצרים קפיצות באותות הנקלטים בגלל ההבדל במהירות הגלים בחומרים שונים. השילוב של דימות המטריצה עם שיטות להפחתת עיוותים הוכיח את יעילותו.
"דימות מטריצה יכול להפוך לכלי מהפכני באופן שבו מדענים חוקרים ובונים מודלים של הרי געש", כתבו החוקרים. התפרצויות געשיות הפתיעו את התרבות האנושית פעמים רבות לאורך ההיסטוריה, כפי שקרה בעבר בפומפיי וממשיך להתרחש גם בימינו, למשל באיסלנד. פיתוח שיטות יצירתיות עשוי לבשר על עידן חדש בניטור ההתפרצויות הגעשיות.
שקד אנגלברג, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
