Введение к работе
Актуальность.
Среди сейсмических методов исследования трансмиссионная (на проходящих волнах) томография играет одну из главных ролей, являясь надежным источником сведений о структуре и свойствах горных пород, образующих оболочки Земли, об их связи с тектоническими структурами и процессами, которые могут быть выявлены у поверхности Земли по геоморфологическим и геологическим данным.
Первые работы по сейсмической томографии в их современном понимании были выполнены на основе наблюдений на сейсмологическом профиле Памир-Байкал (Алексеев, Лаврентьев, 1968).
В России и СССР значительный вклад в развитие основ томографии был внесен в работах А.С. Алексеева, СВ. Гольдина, Т.Б. Яновской, Т.М. Облогиной, А.В. Николаева, Н.Б. Пивоваровой, Л.Б. Славиной и В.Н. Трояна, а в развитие методов пространственного картирования неоднородностей литосферы - в работах Бугаевского, Л.П. Винника, Н.Е. Гриня и других.
Наряду с развитием и совершенствованием методов решения
обратных задач, связанных с проблемами томографии, разработкой новых
алгоритмов расчета трасс сейсмических лучей, остро встала проблема
оценки качества и достоверности получаемых результатов. Была
сформулирована задача предварительного планирования
томографического эксперимента. В последние годы на территории Европы был проведен ряд крупномасштабных сейсмологических экспериментов, специально планируемых как томографические - TOR, SVEKALAPKO, BOGEMIA. Результатом этих исследований стали детальные пространственные карты распределения скоростей сейсмических волн, позволившие представить тектоническую эволюцию исследуемых регионов, внести региональные поправки в годографы сейсмических волн, а также выявить локальные зоны возможных і концентраций напряжений - динамически неустойчивых участков среды, что имеет чрезвычайно важное практическое значение при оценке сейсмического риска и мониторинге природно-технических систем.
Начиная с первых работ К. Аки (1972), доминирующее место при параметризации среды занимает блоковая модель, привлекательная с позиций объяснения наблюденных аномалий в образах общепринятых геологических структур - магматические камеры, интрузии, разломные зоны.
Автором (Николаев, Санина, 1982) в рамках блоковой аппроксимации среды была предложена модель, представляющая собой набор неоднородностей - блоков, среди которых имеются отдельные контрастные включения, и алгоритм восстановления пространственного скоростного строения региона, расположенного под группой сейсмических станций, в рамках данной модели.
Существующая мировая практика повышения точности и детальности томографических изображений состоит в наращивании плотности систем наблюдений и общего числа используемых данных наблюдений, что не всегда приводит к улучшению решения. При этом остается актуальной задача получения достоверной информации о пространственном строении среды при ограниченных объемах исходных данных и несовершенных системах наблюдений. На практике именно такая ситуация является наиболее распространенной, особенно при работах в труднодоступных районах бывшего СССР.
В течение ряда лет автором разрабатывалась методика, позволяющая в интерактивном режиме получать детальные пространственные модели среды в условиях дефицита исходной информации. В настоящей работе приведены результаты, полученные автором по совершенствованию предложенной методики и применению ее к исследованию строения литосферы отдельных регионов Средней Азии, Кавказа, Камчатки и Балтийского щита.
Целью работы является развитие предложенного ранее автором метода последовательного вычитания аномалий ( ПВА) и получение новых данных о пространственном строении ряда сейсмоопасных и асейсмичных районов Земли.
Основные задачи исследования.
-развитие и совершенствование метода последовательного вычитания аномалий.
-развитие принципов параметризации среды и анализа критериев отбора данных.
-оценка «качества» ожидаемого результата на этапе планирования эксперимента.
-применение разработанной методики к изучению литосферы по данным наблюдений на ряде сейсмических сетей, характеризующихся различными типовыми геологическими условиями.
-исследование связи характерных черт строения коры и верхней мантии с зонами возможных концентраций напряжений.
-разработка методических рекомендаций по практическому применению методов сейсмической томографии для выявления мест возможных накоплений тектонических напряжений для сейсмического и геодинамического районирования. Использование этой информации для оценки сейсмической опасности при проектировании и эксплуатации народно-хозяйственных объектов.
Научная новизна.
-развит и существенно доработан разработанный ранее автором метод последовательного вычитания аномалий;
7е*
-впервые построены трехмерные модели скоростного строения ряда районов Альпийской складчатости- Ашхабадского прогностического полигона, эпицентральной зоны Спитакского землетрясения, Грозненской очаговой зоны, Шемахинской сейсмоопасной зоны, и двумерные для Исмаилинской сейсмоопасной зоны и Родопского массива;
-установлены основные закономерности строения этих регионов, выявлены зоны возможных концентраций напряжений, показана их связь с особенностями строения земной коры и верха верхней мантии и с сейсмичностью.
-для Балтийского щита впервые получены сведения о пространственном распределении скоростных неоднородностей по Р и S волнам для территории Южной Финляндии и по Р волнам для юга Ботнического залива; установлена связь местной сейсмичности с геологическими структурами на поверхности; выявлены ранее неизвестные неоднородности строения средней части коры;
-по телесейсмическим данным получен двумерный скоростной разрез до глубин порядка 60 км, по профилю, проходящему через Кольскую сверхглубокую скважину, выявляющий основные тектонические элементы в районе заложения скважины;
-впервые получено детальное пространственное распределение скоростей сейсмических волн Р и S в литосфере для всей территории Камчатки по данным местной сейсмичности; выделены зоны тектонических нарушений, установлена значительная скоростная неоднородность нижней части земной коры, являющейся основным сейсмоактивным слоем для данного региона; выделены участки пониженных скоростей, соответствующие зонам активной вулканической деятельности.
Практическая значимость.
Разработанный автором алгоритм восстановления
пространственного распределения скоростных неоднородностей литосферы позволяет эффективно исследовать среду при ограниченных объемах экспериментального материала. Применение алгоритма позволяет надежно определять зоны тектонических нарушений, не проявляющиеся на поверхности, что делает методику особенно полезной при исследовании площадок под строительство крупных объектов.
Полученные результаты о пространственном распределении аномалий скоростей, выделение зон тектонических нарушений и установление их связи с сейсмичностью позволяют выработать рекомендации по организации систем сейсмомониторинга в сейсмоопасных районах.
На примере исследования эпицентральной зоны Спитакского землетрясения (1988 г) показано, что восстановление скоростного строения земной коры методом ПВА не уступает по точности реконструкции скоростного разреза по методике ГСЗ.
Скоростные модели, полученные в результате исследований на Балтийском щите, были использованы для введения временных поправок к существующим региональным годографам при локации сейсмических событий.
Апробация и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на: 23 и 29 Генеральных Ассамблеях IASPEI (1985 г., 1997 г.), на 3 и 4 Всесоюзных симпозиумах по вычислительной томографии (1987 и 1989 г., 1991 г.), на XXII, XXVII и XXVIII Генеральных Ассамблеях ESC (1990, 2000 г., 2002 г.), на 3 и 4 Международных научно-технических совещаниях по геотомографии (1991, 1992 гг.), на Всесоюзной конференции памяти В.Б.Сологуба (1991 г.), на IX рабочем совещании комиссии по контролируемым сейсмическим источникам (Москва, 1993 г.), на XX и XXI Генеральных Ассамблеях IUGG (1991 г., 1995 г.), на международном совещании «Структура верхней мантии Земли» (Москва, 1997 г.), на рабочих совещаниях SVEKALAPKO Europrobe (1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг.), на Международном симпозиуме «Глубинное сейсмическое исследование континентов и их морских окраин» (1998 г.), на 3-х, 4-х и 5-х геофизических чтениях им. В.В. Федынского (2001 г., 2002 г., 2003 г.), на X и XI конференциях EUG (1999 г., 2001 г.), на объединенной ассамблее EGS-AGU-EUG (Ницца, 2003 г.).
По теме диссертации опубликовано более 40 работ, основные из которых перечислены в конце реферата.
Защищаемые положения.
-
Физическая модель среды, содержащая отдельные контрастные включения. Алгоритм восстановления скоростного пространственного строения среды в рамках заданной модели, обладающий высоким пространственным разрешением.
-
Очаги сильнейших землетрясений для регионов Альпийского ( складчатого пояса: Ашхабадского прогностического полигона, района Спитакского землетрясения, Грозненской и Шемахинской очаговых зон, - располагаются в областях, соответствующих максимальному градиенту изменения скорости.
-
Области тектонических нарушений, совпадающие в значительной степени с разломными зонами, проявляются в модели как области максимального градиента скорости.
-
Характерной структурной особенностью строения Камчатки является то, что все поле скоростей можно разделить на три области: северную, среднюю и южную, отличающиеся по контрастности и разделенные зонами тектонических нарушений. Наиболее сейсмоактивными являются области, совпадающие с зонами максимальных градиентов
скорости в реконструированной модели. 5. Выделенные скоростные неоднородности в средней части земной коры Балтийского щита - в Ботническом заливе и южной Финляндии -коррелируют с рельефом границы М, что может указывать на унаследованность тектонических процессов в нижней коре(прогиб до 70 км) с особенностями строения вышележащих слоев.
Фактический материал и личный вклад автора
Постановка задач , изложенных в работе , выбор путей их решения и практическая реализация принадлежат лично автору. Им предложен метод, разработаны алгоритм и программа расчета, усовершенствована методика получения скоростной модели с учетом специфики схемы эксперимента , качества и количества сейсмологической информации в каждом регионе.
Все пространственные скоростные модели, приведенные в работе, были получены лично автором или при непосредственном участии автора.
Автор принимал участие в анализе качества исходных данных. Данные по Балтийскому щиту были получены непосредственно автором в ходе выполнения работ по международным проектам BABEL и SVEKALAPKO. Все расчеты проводились при непосредственном участии автора.
Структура и объем диссертации
