Введение к работе
Актуальность исследования.
Известно, что Алтае-Саянская складчатая область относится к сейсмически активным территориям России. Для выяснения механизмов образования землетрясений и связи особенностей глубинного строения Земли с сейсмичностью и поверхностными геологическими структурами необходимы детальные геофизические сведения о строении литосферы и, прежде всего, данные о распределении значений скорости упругих волн в земной коре и мантии региона. За предшествующий период развития метода глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) получены региональные сведения о строении северной части Алтае-Саянской складчатой области, в то время как центральные и южные участки территории остаются практически неизученными (Рис. 1). Несмотря на важность дальнейшего развития региональных и детальных сейсмических работ, в настоящее время эти высокозатратные исследования не проводятся.
Одним из путей снижения затрат при получении информации о глубинном строении регионов могут быть методики, основанные на системах наблюдений с естественными источниками (землетрясениями) и промышленными взрывами. За период инструментальных наблюдений на территории Алтае-Саянской складчатой области зарегистрировано несколько десятков тысяч записей от сейсмических событий. Известным и широко распространенным методом определения глубинного строения сейсмоактивных регионов является сейсмическая томография с естественными источниками. Однако широкое ее применение для получения достоверной информации о глубинном строении Алтае-Саянской складчатой области затруднено по ряду причин, основными из которых являются: редкая и нерегулярная сейсмологическая сеть станций и большие ошибки определения эпицентров и времени в очагах землетрясений. В данном исследовании показано, что применение методик, основанных на использовании градиентов поверхностных годографов, позволяет существенно снизить влияние названных погрешностей.
Таким образом, актуальность исследования заключается в необходимости усовершенствования методов обработки имеющихся сейсмологических данных для определения параметров модели глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области.
Рис. 1. Схема сейсмических наблюдений в Алтае-Саянской складчатой области (а) и в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения (б).
Объектом исследования является верхняя часть земной коры и поверхность Мохоровичича Алтае-Саянской складчатой области на предмет обнаружения скоростных неоднородностей.
Цель исследования - по данным времен вступлений волн от землетрясений, зарегистрированных на площадной сети сейсмических станций, определить параметры модели глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области.
Задача исследования - разработать методику интерпретации данных площадных наблюдений продольных (Pg, Рп) и поперечных (Sg, Sn) волн от землетрясений и установить особенности изменения скоростей в верхней коре, граничных скоростей и глубин до поверхности Мохоровичича. Этапы исследования.
Изучить известные способы интерпретации данных площадных сейсмологических наблюдений на предмет их использования при разработке новой методики. На основе метода сейсмической томографии и способов, основанных на использовании градиентов поверхностных годографов, разработать методику построения скоростной модели верхней части земной коры по данным площадных наблюдений прямых Pg- и Sg-волн от землетрясений.
Применяя разработанную методику к данным времен вступлений Pg- и Sg-волн от землетрясений на региональной сети станций,
определить особенности изменения скоростей продольных и поперечных волн в верхней коре Алтае-Саянской складчатой области.
Определить рельеф поверхности Мохоровичича и изменения граничных скоростей по данным Рп- и Sn-волн, зарегистрированных региональной сетью сейсмологических станций, используя методику интерпретации площадных наблюдений преломленных волн.
Установить особенности изменения скорости продольных и поперечных волн в верхней части земной коры эпицентральной области Чуйского землетрясения по зарегистрированным на локальной сети станций временам вступлений Pg- и Sg-волн от афтершоков методом сейсмической томографии.
Методы исследования, фактический материал.
Теоретической основой поставленной задачи является лучевая теория распространения сейсмических волн в неоднородной изотропной среде. В основе разработанной методики лежат идеи СВ. Крылова, B.C. Селезнева, В.Д. Суворова и др., предложивших способы интерпретации данных площадных сейсмических наблюдений, принципы которых основаны на использовании горизонтальных компонент векторов-градиентов поверхностных годографов преломленных волн для определения значений граничных скоростей и углов наклона преломляющей поверхности. Для изучения строения поверхности Мохоровичича в Алтае-Саянской складчатой области применялась адаптированная автором методика интерпретации данных площадных наблюдений преломленных волн. Для определения скоростного строения верхней части земной коры автором разработаны способы, базирующиеся на линеаризованной постановке обратной кинематической задачи, предложенные в работах А.С. Алексеева, М.М. Лаврентьева, В.Г. Романова и др. Аналогичный подход независимо широко развивался за рубежом в известных работах К. Аки, A.M. Дзевонски и др. под названием сейсмической томографии на временных задержках.
В качестве экспериментальных данных использованы материалы о временах вступлений упругих волн от землетрясений и промышленных взрывов (около 8000 и 2000 событий, соответственно), зарегистрированных на региональной сети сейсмических станций Алтае-Саянской складчатой области, и от афтершоков Чуйского землетрясения (около 300 событий), зарегистрированных на локальной сети. Экспериментальные материалы получены коллективами Алтае-Саянского филиала Геофизической службы СО РАН и Лаборатории экспериментальной сейсмологии ИНГГ СО РАН в период 1984-2003 гг.
(для региональной сети, охватывающей северную и центральную часть Алтае-Саянской области и включавшей в себя за разные периоды от 10 до 20 станций) и за октябрь 2003г (для локальной сети из 13 станций, расположенных в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения).
Для верификации программ и проверки результатов обработки экспериментальных данных применялось численное моделирование поля времен пробега сейсмических волн в неоднородных изотропных средах. В рамках решения задачи использовались математические методы: двумерная сплайн-аппроксимация, решение больших систем линейных уравнений по методу наименьших квадратов с регуляризацией, вычисление статистических характеристик.
При определении абсолютных глубин залегания поверхности Мохоровичича, построения референтной модели верхней части земной коры и сравнительного анализа результатов исследования использовалась априорная информация о глубинном сейсмическом строении северных участков Алтае-Саянской складчатой области по данным профилей ГСЗ и геотраверсов. Защищаемые научные результаты.
Разработана и применена методика сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа для определения скоростного строения верхней коры по данным времен вступлений Pg- и Sg-волн от землетрясений, зарегистрированных на площадной сети станций.
В верхней коре Алтае-Саянской складчатой области выделена зона пониженных значений скорости продольных волн и коэффициента Пуассона (до 6.0-6.1 км/с и 0.22-0.24) северо-западного (под восточной частью Горного Алтая) и северо-восточного (под Западным Саяном) простирания. Повышенные значения параметров (до 6.3-6.4 км/с и 0.25-0.26) соответствуют южным частям Кузнецкого Алатау и Южно-Минусинской впадины.
З.По сейсмологическим данным построены карты рельефа поверхности Мохоровичича и граничных скоростей Р- и S-волн в центральной части Алтае-Саянской области. Скорости принимают значения, характерные для юга Западно-Сибирской плиты (7.8-8.2 км/с и 4.4-4.5 км/с, соответственно). Между значениями мощности земной коры, полученными по сейсмическим и гравитационным данным выявлено существенное различие (до 6-7 км), которое может быть связано или с влиянием неучтенных плотностных неоднородностей в нижней части коры или с изостатически неуравновешенным ее состоянием.
4. В эпицентральной области Чуйского землетрясения аномалии скорости имеют северо-западное простирание. Юго-западная граница Чаган-Узунского блока, Чуйской и Курайской впадин наиболее отчетливо выделяется в изменениях коэффициента Пуассона (до глубины 15 км) в виде зоны с переходными значениями от повышенных до 0.26 (под Чаган-Узунским блоком) к пониженным до 0.24 (под Северо- и Южно-Чуйским хребтами), к которой приурочены эпицентр Чуйского землетрясения и вытянутая в северо-западном направлении область его афтершоков.
Новизна работы. Личный вклад.
Разработана оригинальная методика сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа, предназначенная для определения скоростного строения верхней коры по данным наблюдений прямых Pg- и Sg-волн площадной сейсмологической сетью станций.
С использованием разработанной методики построены карты изменения скоростей продольных и поперечных волн, упругих модулей и коэффициента Пуассона для верхней коры малоизученной центральной части Алтае-Саянской складчатой области на площади около 250 тыс. км2.
Применена методика интерпретации площадных наблюдений преломленных Рп- и Sn-волн от землетрясений, с помощью которой построены карты рельефа поверхности Мохоровичича и изменения значений граничных скоростей продольных и поперечных волн в центральной части Алтае-Саянской складчатой области.
Методом сейсмической томографии установлены изменения скорости продольных и поперечных волн и коэффициента Пуассона в верхней коре эпицентральной зоны крупного (М=7.3) Чуйского землетрясения 2003г.
Практическое значение.
Предложенная методика обработки времен вступлений волн от землетрясений обеспечивает снижение затрат на получение достаточно надежной информации о глубинном строении регионов. По данным преломленных Рп- и Sn-волн устанавливаются рельеф поверхности Мохоровичича и значения граничных скоростей продольных и поперечных волн. Результаты обработки Pg- и Sg-волн дают информацию об изменениях скорости продольных и поперечных волн в верхней части земной коры.
До настоящего времени определение координат землетрясений в Алтае-Саянской области производилось с использованием однородной однослойной модели земной коры с постоянными мощностью и граничными скоростями. Установленные в работе распределения скоростей продольных и поперечных волн в верхней части земной коры, рельеф поверхности Мохоровичича и изменения граничных скоростей используются для более точного определения координат гипоцентров землетрясений.
Публикации и апробация работы.
Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2000г.); на международной геофизической конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000г.); на геофизической конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001г.); на международной геофизической конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003г.); на научно-практической конференции «Алтайское (Чуйское) землетрясение: прогнозы, характеристики, последствия» (Горно-Алтайск, 2004г.); на международной научной конференции, посвященной 90-летию академика Н.Н.Пузырева «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004г.); на 2-м международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы земли» (Новосибирск, 2005г.); на международном научно-практическом семинаре «Модели строения земной коры и верхней мантии» (Санкт-Петербург, 2007г.); на молодежной конференции «Трофимуковские чтения - 2007» (Новосибирск, 2007г.); на сейсмическом семинаре ИНГГ СО РАН (Новосибирск, 2008г.).
По теме диссертации опубликовано 11 работ, из которых 1 статья в ведущем научном рецензируемом издании, рекомендованном Перечнем ВАК («Геология и геофизика»), 1 - в рецензируемом журнале («Вестник НЯЦ РК»), 9 - материалы российских и международных конференций и симпозиумов.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 3-х глав и заключения, с общим объемом 156 страниц, содержит 53 рисунка. Список литературы включает 107 наименований.
Благодарности. За помощь в формировании научных взглядов, поддержку в проведении исследовательской работы соискатель
благодарен своему научному руководителю д.г.-м.н. B.C. Селезневу. За всестороннюю помощь и ценные советы при обсуждении материалов исследования автор глубоко признателен к.г.-м.н. В.М. Соловьеву. Ценные замечания д.т.н. А.Ф. Еманова и д.г.-м.н. В.Д. Суворова помогли при формулировании научного обоснования проведенного исследования. За предоставленные экспериментальные материалы и методические рекомендации автор благодарит коллег из Алтае-Саянского филиала ГС СО РАН: А.Г. Филину, к.г.-м.н. А.А. Дергачева, к.г.-м.н. А.А. Еманова, Е.В. Лескову, В.Г. Подкорытову и др.
