Формирование изображений высокого разрешения в неоднородной земной коре с помощью мюонной радиографии. Структура плотности ниже вулканического дна кратера горы Asama, Япония (8.09.2007)
Abstract
High resolution imaging in the inhomogeneous crust with cosmic-ray muon radiography: The density structure below the volcanic crater floor of Mt. Asama, Japan
Hiroyuki K.M. Tanaka, Toshiyuki Nakano, Satoru Takahashi, Jyunya Yoshida, Minoru Takeo, Jun Oikawa, Takao Ohminato, Yosuke Aoki, Etsuro Koyama, Hiroshi Tsuji, Kimio Niwa
Мы разработали новую методику построения изображений чтобы рассмотреть неоднородную структуру земной коры. Как пример, мы выполнили измерения вулкана горы Asama, и изучили возможность использования азимутально изотропического потока космических мюонов в диапазоне энергий до нескольких ТэВ.
Принцип методики - то, что, измеряя мюонное поглощение по различным почти горизонтальным путям через твердое тело, можно вывести распределение плотности во внутренности объекта. Мюонный детектор площадью 4000 см2 был установлен в 1-м глубины установку, расположенной на расстоянии примерно 1 км от вершины кратера горы Asama.
Мюонные треки внутри эмульсионных слоев детектора были проанализированы 3-мерной системой обработки изображений для определения, чтобы определить уровень поглощения энергии по различным путям мюонов через область вершины кратера. Типичная угловая разрешающая способность мюонного датчика - 10 мрад соответствует пространственной разрешающей способности 10 м. на расстоянии 1 км.
Такие измерения были бы идеальны для изучения мелкой структуры коры в местах, которые не могут быть изучены другими методами из-за сильной разнородности и труднодоступности, поэтому их структуру не могли определить обычными электромагнитными или сейсмическими методиками. Существующий метод может также обеспечить трехмерные изображения материала под поверхностью, путем измерения из двух или более разных точек.
В этой аботе мы составили изображения нескольких сотен метров ниже дна кратера горы Asama (Япония), и обнаружили область высокой плотности, которая по положению и форме соответствует насыпи лавы, созданной в течение последнего извержения. Прямо ниже насыпи лавы мы нашли область низкой плотности.
Относительная точность измерения плотности 1-3%. Разрешающая способность этого метода для структур мелкой плотности значительно выше чем, в обычных геофизических методиках.
- High resolution imaging in the inhomogeneous crust with cosmic-ray muon radiography: The density structure below the volcanic crater floor of Mt. Asama, Japan
We have developed a novel radiographic imaging method to survey the inhomogeneous structure of the crust. As an example, we performed measurements at Mt. Asama volcano, and studied the feasibility of using an azimuthally isotropic flux of cosmicray muons in the energy range up to a few TeV. The principle of the technique is that by measuring muon absorption along different nearly horizontal paths through a solid body, one can deduce the density distribution in the interior of the object. A muon detector with an area of 4000 cm2 was installed in a 1-m deep instrument vault located about 1 km from the summit crater of Mt. Asama. Muon tracks within emulsion layers in the detector were analyzed by 3d image processing to determine the level of energy absorption along different ray paths through the summit crater region. A typical angular resolution of the muon detector of 10 milliradians (mrad) corresponds to a spatial resolution of 10 m at a distance of 1 km. The measurements would be ideal for studying the shallow structure of the crust at sites which cannot be well resolved because of their strong structural heterogeneity and potential difficulty to be accessed, and which therefore cannot have their structure determined by conventional electromagnetic or seismic techniques. The present method can also provide three dimensional images of the subsurface by making measurements from two or more different points. In this work, we have radiographically imaged a few hundred meters below the crater floor of Mt. Asama, Japan, and have detected a dense region, which corresponds to the position and shape of a lava mound created during the last eruption (Urabe, B., Watanabe, N., Murakami, M., Topographic change of the summit crater of Asama Volcano during the 2004 eruption derived from Airborne Synthetic Aperture Radar (SAR) measurements, Bulletin of Geographical Survey Institute, 53, 1–6 (2006).). Right below the lava mound we found a low density region that suggests a drain-back-induced porous conduit (Urabe, B., Watanabe, N., Murakami, M., Topographic change of the summit crater of Asama Volcano during the 2004 eruption derived from Airborne Synthetic Aperture Radar (SAR) measurements, Bulletin of Geographical Survey Institute, 53, 1–6 (2006).). The density contrast was resolved with a precision of 1–3%. This method provides a resolution of the shallow density structure that is significantly higher than is possible with conventional geophysical measurements. / 1146.00 Кб