Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геолого-геофизическая характеристика района исследования 12
1.1. Региональные глубинные исследования, проводимые на территории ВЕП 13
1.2. Строение осадочного чехла 16
1.3. Региональная структура поверхности кристаллического фундамента и тектонические элементы Мезенской синеклизы 26
1.4. Характеристика консолидированной коры Севера Русской плиты 34
Глава 2. Методологические основы применяемого метода обменных волн 41
2.1 Обзор современных сейсмологических методов изучения глубинного строения недр. Их достоинства и недостатки 41
2.2. Общие положения из теории волн 48
2.3 Теоретические основы метода P-приемных функций (PRF)... 51
2.4 Теоретические основы метода S-приемных функций (SRF) 59
2.5 Характеристики регистрирующей аппаратуры и отбор данных 64
2.6 Исследование структуры коры и мантии по данным станции «Климовская» 70
7 Структура земной коры и мантии по данным станции «Лешуконское» 78 2.8 Сопоставление коровых и мантийных границ в подстанционных областях «Климовская» и «Лешуконское»
Глава 3. Определение скоростной структуры земной коры и подкоровой литосферы 87
3.1 Описание алгоритма обращения приемных функций Ps в скоростной разрез, основанный на использовании метода Тихонова 87
3.2 Экспериментальный скоростной разрез земной коры по данным станции «Климовская» 90
3.3 Экспериментальный скоростной разрез земной коры по данным станции «Лешуконское» 93
3.4 Метод обращения, основанный на совместном использовании обменных волн Ps и Sp 95
3.5 Интерпретация и обсуждение результатов 99
Глава 4. Построение регионального годографа для Севера Русской плиты на основе скоростного разреза, полученного по приемным функциям 105
Глава 5. Азимутальная анизотропия верхней мантии под сейсмической станцией «Климовская 110
5.1 Проблемы упругой анизотропии в сейсмологии 110
5.2 Волновое поле в анизотропной среде 117
5.3 Метод измерения азимутальной анизотропии 124
5.4 Сбор данных и результаты измерения азимутальной анизотропии верхней мантии 128
5.5 Обсуждение результатов по анизотропии 134
Заключение 142
Список литературы
- Региональная структура поверхности кристаллического фундамента и тектонические элементы Мезенской синеклизы
- Теоретические основы метода P-приемных функций (PRF)...
- Экспериментальный скоростной разрез земной коры по данным станции «Климовская»
- Метод измерения азимутальной анизотропии
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия большое внимание уделяется комплексному изучению платформенных территорий, как весьма важной и неотъемлемой части общей (единой) геодинамической системы Земли. Принципиально новое положение о том, что Восточно-Европейская платформа как единая структура первого рода является не тектонически пассивной, а достаточно подвижной структурой, особенно в ее окраинных частях, подразумевает более тонкий подход к методике и практике изучения геологической среды платформенных регионов в комплексе всех геофизических работ и, прежде всего, сейсмологических, с подключением новых технологий сейсмического просвечивания. Неоднозначная, но существующая связь поверхностных процессов с глубинными заставляет более внимательно изучать и использовать результаты региональных глубинных исследований. Именно поэтому коровые и мантийные процессы так пристально изучаются в геофизике.
Кроме того, возросший в последние годы интерес к Арктическим и приарктическим территориям, обусловленный геополитическими аспектами, разработкой углеводородных месторождений и созданием разветвленной сети трубопроводов, определяет особую значимость изучения сейсмичности северных континентальных окраин, включая шельфы, а также требует повышения качества обработки и локации сейсмических событий Арктического сектора.
В этой связи, Архангельская область, расположенная на севере Русской плиты Восточно-Европейской платформы, является отличным полигоном для исследований сейсмологическими методами, поскольку на ее территории в настоящий момент развернута система наблюдений из десяти стационарных сейсмических станций, обеспечивающая накопление значительной базы цифровых записей, в свою очередь позволяющей проводить фундаментальные исследования земной коры и мантии. Актуальность работы обусловлена необходимостью получения надежных и детальных данных о границах в литосфере, мантии и переходной зоне мантии под Русской плитой; распределении скоростей, движениях и деформациях, вызванных пластическими течениями в верхней мантии, поскольку именно эти данные дают возможность полнее и точнее описать структуру мантии, ее динамику и эволюцию Земли в целом.
Основные цели исследования:
Определение структуры земной коры и верхней мантии в пределах Севера Русской плиты по наблюдениям обменных Ps и Sp сейсмических волн;
Построение одномерных моделей скоростного строения земной коры и верхней мантии в подстанционных областях и их сопоставление с результатами комплексных геофизических исследований;
Выявление сейсмической азимутальной анизотропии верхней мантии.
Задачи:
по цифровым записям телесейсмических землетрясений методом приемных функций обменных волн выделить основные границы обмена в литосфере и переходной зоне мантии под Русской плитой;
получить одномерные модели распределения скорости поперечных волн до глубины 52 км в подстанционных областях путем инверсии функций приемника обменных волн Ps;
получить одномерную модель распределения скорости продольных и поперечных волн до глубины 100 км путем совместного обращения функций приемника обменных волн Ps и Sp;
сопоставить полученные сейсмические результаты с другими геофизическими и геологическими данными;
на основе полученных скоростных моделей рассчитать региональный годограф для локации сейсмических событий на эпицентральных расстояниях до 2000 км;
провести измерения азимутальной сейсмической анизотропии верхней мантии по расщеплению обменных волн SKS и SKKS.
Объектом исследования настоящей работы является земная кора и верхняя мантия на Севере Русской плиты.
Исходный материал и методы исследования.
В работе использованы цифровые трехкомпонентные записи широкополосных сейсмических станций Климовская KLM (60.85с.ш., 39.52в.д.), входящей в Федеральную сеть станций Геофизической службы РАН, и Лешуконское LSH (64.87с.ш., 45.73в.д.), входящей в Архангельскую сейсмологическую сеть. В общей сложности обработано 121 землетрясение.
Информационную основу диссертационного исследования составили: оперативный сейсмологический каталог землетрясений Геофизической службы РАН, отчеты камеральных партий и производственных предприятий, проводимых комплексные геолого-геофизические исследования Севера Русской плиты, литературные данные по изучению глубинного строения района исследования.
Для обработки экспериментальных данных и выделения обменных волн была применена современная методика приемных функций обменных волн Ps и Sp (Р- S-receiver functions) (Vinnik L.P., 1977). Выявление азимутальной сейсмической анизотропии верхней мантии выполнялось по расщеплению квазипоперечных волн в фазах SKS и SKKS {Винник Л.П. и др., 1984, 1988; 1990).
В качестве основных программных средств использовались: программный комплекс обработки сейсмических записей WSG (Windows Seismic Grafer) под управлением операционной системы Windows ХР, разработанный в НЛП «Геотех» и Геофизической Службе РАН; программный комплекс обработки и анализа сейсмических данных Seismic Handler под операционной системой LinuxMandriva, разработанный в Сейсмологической
Обсерватории Grafenberg, разработчик Клаус Стаммлер; а также собственные разработки сотрудников лаборатории сейсмологических исследований ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта к.ф.-м.н. Г.Л. Косарева, к.ф.-м.н. СИ. Орешина, к.ф.-м.н. С.Г. Киселева.
Научная новизна и практическая значимость. На северных окраинах Русской плиты из-за труднодоступности проведение глубинных исследований выполнялись до сих пор в редких случаях традиционными дорогостоящими методами геофизической разведки, что технически сложно, а экономически невыгодно. В нашем случае показана возможность проводить изучение глубинного строения земных недр на основе накопленных цифровых записей далеких землетрясений, используя данные одиночных стационарных сейсмостанций, в отличие от других томографических методов, требующих широкой системы сейсмических станций, покрывающих исследуемую территорию. Работа имеет методологический характер и реализует методику функций приемника обменных волн на платформенных территориях. Данные исследования по цифровым сейсмическим записям с использованием современных компьютерных технологий на Севере Русской плиты проведены впервые. Применение метода обменных волн позволило получить надежную, сравнительно детальную информацию о сейсмической (скоростной) структуре земной коры и верхней мантии двух участков на Севере Русской плиты. Выполнено сопоставление полученных результатов с имеющимися сведениями о глубинном строении, основанных на комплексных геофизических исследованиях по профилям ГСЗ, МОВЗ на исследуемой территории. Показана хорошая сходимость результатов, что говорит об эффективности применяемого метода в платформенных областях и открывает перспективы для дальнейших исследований в окрестностях других сейсмических станций Архангельской сети, в том числе на Арктических территориях.
Как дополнение к скоростной структуре литосферы, впервые проведены измерения азимутальной анизотропии верхней мантии в пределах некоторых участков Русской плиты из наблюдений расщепления поперечной волны SKS. Подобные исследования позволяют уточнить представление о состоянии мантийного вещества, деформациях в верхах мантии, характере движения литосферных блоков северной окраины Восточно-Европейской платформы, что, в свою очередь, может выявить наиболее уязвимые в сейсмическом отношении участки. Полученные сведения о скоростях сейсмических волн и измеренные параметры азимутальной сейсмической анизотропии могут служить априорной информацией при глубинном геологическом картировании, а также являются ценными данными для уточнения модели возникновения алмазоносных месторождений Архангельской области.
Кроме того, важным итогом вышеперечисленных работ явилось создание регионального годографа "NORP" (the North of Russian Plate), рассчитанный на основе скоростного разреза литосферы Севера Русской плиты, необходимого для качественной обработки и локации региональных сейсмических событий, в том числе из Арктики, что является чрезвычайно важным в условиях увеличивающейся в последнее время техногенной нагрузки в виде масштабных
газо- и нефтедобывающих работ на шельфе и техногенной сейсмичности Арктического сектора.
Личный вклад автора. Автором выполнено адаптирование кодов программ обработки под форматы входных данных с последующей компиляцией программных комплексов. Автором также пройдена вся цепочка исследований от отбора исходных записей до обработки и анализа результатов. Все расчеты по получению P-S приемных функций, инверсии Р-функций приемника в скоростной разрез Vs, измерения азимутальной анизотропии верхней мантии были сделаны самостоятельно.
Апробация результатов и публикации.
Работа над диссертацией была связана с выполнением исследований по плановым темам ФНИР Института экологических проблем Севера УрО РАН: «Изучение закономерностей проявления сейсмогеодинамических и эколого-геохимических процессов на Севере Русской плиты» 2011 г., № госрегистрации 0120.0952768.
Тематика также поддержана Программой №4 Президиума РАН, молодежным грантом УрО РАН, госконтрактом Минобразования и науки №14.740.11.0195, грантом РФФИ№11-05-98800-Р-север-а, №10-05-00497-а
Результаты работы были представлены в виде тезисов и устных докладов на российских и международных конференциях: V и VI научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург 2009, 2011), XI и XII Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2010, Пермь 2011), Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа - регионам» (Екатеринбург, 2010), Шестой международной сейсмологической школе (Апатиты, 2011), XV Всероссийской конференции «Геологические опасности» (Архангельск, 2009), XVI Международной конференции «Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы» (Воронеж, 2010), 5 Международном симпозиуме «Современные проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (Бишкек, 2011).
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе две главы в монографии в соавторстве, одна статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 174 страницы, в том числе 50 рисунков, 6 таблиц, 3 приложения и библиографический список из 85 источников на русском языке и 38 на английском.
Региональная структура поверхности кристаллического фундамента и тектонические элементы Мезенской синеклизы
Авлакогенный комплекс представлен карбонатно-терригенными отложениями рифея. Их стратиграфическое расчленение встречает большие затруднения в силу недостаточной изученности, бедности органических остатков, отсутствия надежных реперов для корреляции. Рифейские отложения залегают в основании осадочного чехла восточных участков Мезенской синеклизы, хотя их мощность, контролируемая, в основном, рельефом поверхности фундамента изменяется в широких пределах: от полного выклинивания на склонах Балтийского щита и, возможно, на небольших по площади участках в центральной части Мезенско-Вашкинской системы поднятий (вблизи скв. 1-Ценогорская).
Среднерифейские карбонатно-терригенные образования вскрыты только на севере синеклизы скважинами 1 – Усть-Няфта и 21 – Средне-Няфтинская и только в пределах одной сравнительно небольшой структуры - Няфтинской впадины, что в настоящее время не позволяет достоверно реконструировать их распространение и состав по всей территории синеклизы.
Верхнерифейские карбонатно-терригенные образования в составе дорогорской, оменской (лешуконской), няфтинской и уфтюгской свит слагают верхнюю часть рифейских образований. Области их распространения ограничиваются, главным образом, рифейскими прогибами. В пределах выступов фундамента полностью или частично они размыты. Верхний протерозой. Синеклизный комплекс включает терригенные отложения верхнего венда, имеющие повсеместное распространение в Мезенской синеклизе. Верхний венд представлен переслаиванием пестроцветных песчаников, алевролитов, глин, иногда содержащих туфовый материал. В нижней и верхней частях разреза венда преобладают глинистые породы, в средней - песчаники. По современной стратиграфической классификации в составе вендских отложений выделяются два горизонта: редкинский в объеме усть-пинежской свиты и котлинский, расчлененный на мезенскую и падунскую свиты. Полные разрезы вендских образований вскрыты и изучены, например, в скв. 1Г (Коноша) и 59 (Вандыш).
Редкинский горизонт. Усть-Пинежская свита (Vup) в целом сложена комплексом сероцветных терригенных отложений, которые в нижней части более темные за счет примеси подстилающих образований парандовской серии, а в верхней – «зеленеют». Отложения свиты отвечают нижней, морской вулканопласто-алеврито-глинистой формации, представленной преимущественно тонкодисперсными, тонкослоистыми глинами, темно-зеленовато-серой, темно-серой, шоколадно-коричневой окраски с пачками алевролитов и песчаников. Характерная особенность формации – маркирующие прослои пепловых туфов и монтмориллонитовых глин. Граница усть-пинежской свиты с подстилающими образованиями парандовской серии в скв. 59 имеет угловое несогласие, в скв. 1Г – стратиграфическое несогласие. Максимальная мощность свиты 213.5 м (скв. 59).
Котлинский горизонт. Котлинская свита (Vkl) слагает верхнюю часть валдайской серии и вскрыта скв. 1Г и 59. Свита соответствует верхней, морской песчано-алеврито-глинистой формации и имеет постепенный переход от подстилающих пород. Граница проводится по подошве мощной (в скв. 59 интервал 812.0 – 842.5 м) песчано-алевритовой пачки. В целом формация представлена темно-зеленовато-серыми и пестроцветными глинами гидрослюдисто-каолинит-хлоритового состава со значительным развитием пачек обломочных пород.
Плитный комплекс представлен палеозойскими и мезозойскими отложениями. Палеозойские отложения, залегают на породах венда с перерывом и стратиграфическим несогласием. При этом отложения нижнего палеозоя в составе силура и девона имеют локальное распространение. Силурийские отложения известны только на крайнем северо-востоке синеклизы в Пешской впадине и сложены коричневыми и темно-серыми глинами с пачкой серых известняков в средней части разреза. Мощность этих отложений по Нижнепешской скважине составляет 152 м. Но, вероятно, в прошлом площадь распространения отложений силура и, возможно, ордовика была значительно обширнее. В кимберлитовых трубках Зимнебережного алмазоносного района встречены рифы вмещающих мергелей и алевролитов, возраст которых определяется как ордовик – силур. Размеры отдельных рифов более 100 м.
Девонские отложения представлены отложениями среднего и верхнего девона. Девонская система Присутствующие отложения девонской системы относятся к франскому ярусу. Согласно утвержденной МСК в январе 1989 г. Унифицированной системе Русской платформы по девону, франский ярус подразделяется на три подъяруса: нижний в объеме швентойского горизонта, средний в объеме саргаевского и даугавского горизонтов и верхний в объеме онежского, памужского, стипинайского и амульского горизонтов.
Теоретические основы метода P-приемных функций (PRF)...
Из общей теории известно (Сейсморазведка, 1981), что при падении на границу плоской продольной волны и соблюдении условий жесткого контакта образуются четыре новые волны (рис. 2.1): отраженная и проходящая продольные (РР) и отраженная и проходящая поперечные (PS). При этом поперечные волны оказываются поляризованными в плоскости падения (волны типа SV). Плоскость падения для произвольной точки границы проходит через нормаль к границе и нормаль к фронту падающей волны. В изотропной среде плоскость падения совпадает с плоскостью луча.
Образование продольных и поперечных волн при падении продольной волны на границу раздела. Прямыми линиями обозначены фронты, стрелками – направления движения частиц При падении плоской поперечной волны (рис. 2.2) результат зависит от поляризации падающих колебаний. Если падающая поперечная волна поляризована в плоскости падения (волна типа SV), то возникают четыре волны: отраженная и проходящая поперечные волны типа SV, отраженная и проходящая продольные волны Р. Если поперечная волна поляризована под углом к плоскости падения, то соответствующее ей смещение представляет векторную сумму смещений, происходящих в плоскости падения (SV) и перпендикулярно к ней (SH). Рис. 2.2 - Образование продольных и поперечных волн при падении поперечной волны на границу раздела. Прямыми линиями обозначены фронты, стрелками – направления движения частиц
Отражение и прохождение каждой из этих волн можно рассмотреть по отдельности, а результат будет представлять собой суперпозицию возникающих колебаний. Падение рассматриваемой поперечной волны приведет к возникновению отраженной и проходящей поперечных волн, поляризованными под некоторыми углами к плоскости падения и представляющих собой векторные суммы поперечных смещений в отраженных и проходящих волнах SV и SH, а также к возникновению отраженной и проходящих продольных волн, поляризованных в плоскости падения.
Углы падения, отражения и преломления измеряются между нормалями к фронту соответствующих волн, то есть между лучами и нормалью к границе. При нормальном падении плоской продольной волны все углы и равны нулю. Отсюда следует, что при нормальном падении плоской продольной волны на границу раздела сред обменные поперечные волны не возникают.
Коэффициент прохождения при нормальном падении всегда положителен - возникающая во второй среде продольная волна имеет ту же полярность, что и падающая на границу. При наклонном падении на границу раздела (апф ) закономерности поведения коэффициентов существенно различаются в зависимости от того, какая из скоростей, Vpi или VP2, больше. Чем выше скоростная дифференциация между контактирующими средами, тем больше (исключая область критических углов) коэффициенты отражения и прохождения обменных волн. Теоретические основы метода P-приемных функций (PRF) Методология приемных функций (или функций приемника) P-receiver function (PRF) направлена на регистрацию, выделение, интерпретацию обменных волн. Это целая философия, которая поражает одновременно своей простотой, красотой и мудростью.
Любая рефрагированная волна от удаленного источника, проходя сквозь недра Земли и выходя на поверхность, встречает на своем пути границы раздела дважды: в области источника и в области приемника. Нами будут рассматриваться обменные волны, распространяющиеся от источника как продольные и преобразованные в поперечные SV на границах под или вблизи сейсмической станции (рис. 2.3). Рис. 2.3 – Лучевая схема образования обменных волн
Метод P-receiver function (PRF) эффективен для исследования глубокой структуры Земли до 800 км. В методе Р-приемных функций интересующие нас волны распространяются от источника как продольные, а на границах в области сейсмической станции преобразуются в поперечные. Обменная волна входит в состав коды P-волны. Задача состоит в выделении этих фаз на фоне случайных помех и различных регулярных волн. Для этого необходимо знать свойства обменных волн и использовать их в алгоритме обработки исходных сейсмограмм.
Проходя путь от границы обмена к поверхности с меньшей скоростью по сравнению с рефрагированной продольной волной Р, обменные волны Ps вступают на записи с некоторым запаздыванием по отношению к волне P, их порождающей. Время запаздывания зависит от расстояния между источником и станцией и глубины границы, на которой произошел обмен. При фиксированной глубине обмена время запаздывания обменной волны Ps уменьшается с увеличением эпицентрального расстояния и возрастает с его уменьшением. В таблице 1 приведены значения времени tps запаздывания обменной волны в зависимости от лучевого параметра, соответствующего медленности волны, являющейся функцией расстояния и равной сек/градус.
Поскольку поперечная волна Ps в изотропной среде поляризована как SV, искомая волна выделяется в плоскости источник-приемник в направлении, перпендикулярном направлению поляризации в P волне. Амплитуда обменной волны Ps намного меньше амплитуды P волны, и важной задачей является выделение сигнала обменной волны на фоне различных волн и помех.
Основными и необходимыми процедурами являются: частотная фильтрация исходных записей, поворот осей на источник, стандартизация компонент, получение индивидуальных приемных функций для каждого землетрясения, суммирование трасс от нескольких землетрясений. Далее каждый этап будет рассмотрен подробнее: Частотная фильтрация.
Фильтрация исходных широкополосных записей производится сначала фильтром высоких частот, затем проводится фильтрация низкочастотным фильтром. Это вызвано тем, что колебания высоких частот с периодами 1-2 сек. несут в себе эффекты случайного рассеяния на неоднородностях и, тем самым, осложняют записи. А низкие частоты с периодами 20 сек. снижают разрешающую способность. В среднем рабочий диапазон периодов составляет от 2 до 10 сек. Ф Поворот осей на источник.
Исходные трехкомпонентные сейсмограммы записаны в системе координат ZNE. Ось Z направлена вертикально вверх, ось N - на север в горизонтальной плоскости, ось E - на восток в горизонтальной плоскости. Оси N и E поворачиваются в горизонтальной плоскости на угол, равный азимуту прихода продольной P волны, образуя оси R и T, где R -радиальная компонента, лежит в горизонтальной плоскости и направлена от эпицентра к принимающей станции, T - тангенциальная компонента, лежит в той же плоскости и перпендикулярна осям R и Z. В изотропной среде колебания на оси Т отсутствуют. Далее будем рассматривать две компоненты записи - вертикальную Z(t) и радиальную R(t).
Для наилучшего выделения сигнала обменной поперечной волны выполняется поворот на главное направление поляризации в Р-волне (ось L) и перпендикулярную ей ось Q, совпадающую с SV, который осуществляется путем математических преобразований.
Экспериментальный скоростной разрез земной коры по данным станции «Климовская»
Основная задача интерпретации обнаруженных обменных фаз в пределах коры и верней мантии (подкоровой литосферы) сводится к построению вертикальных скоростных разрезов поперечных волн в подстанционных областях по исходным данным о волнах Ps. В качестве исходного параметра, по которому восстанавливается изображение среды, используются суммарные приемные функции, характеризующие обменную волну Ps, то есть наблюденные Q-компоненты, изображенные на рис. 2.20 в предыдущей главе.
Описание алгоритма обращения приемных функций Ps в скоростной разрез, основанный на использовании метода Тихонова
Поиск оптимальной скоростной модели основан на общем методе решения некорректных обратных задач (Тихонов А.Н. и др., 1979; Гласко В.Б., 1984; Аки К., 1983). Теоретические сейсмограммы рассчитываются методом Томсона-Хаскелла (Haskell N.A., 1962) для горизонтально слоистой среды, заданной пачкой плоских однородных слоев, лежащих на однородном полупространстве.
Оптимальная модель определяется путем поиска таких значений параметров среды, которые минимизируют среднеквадратическое отклонение между теоретической и наблюдаемой сейсмограммами. В нашем случае строится скоростная модель коры и подкоровой литосферы, поэтому в качестве реальной сейсмограммы рассматривается такой участок стандартизованной записи на Q-компоненте для нулевой глубины, в который входят все обменные фазы, объясняющие скоростную структуру коры и подстилающей литосферы. Такому условию удовлетворяет интервал записи на Q-компоненте от нуля до 40 сек. Этот интервал приемной функции на нулевой глубине фазирования включает все поперечные фазы, связанные с корой: обменную волну от границы Мохо и коровые волны Ppps (отражение от дневной поверхности и обмен-отражение на подошве земной коры) и Ppss (обмен-отражение от дневной поверхности и отражение от подошвы земной коры).
За первичную волну, падающую из полупространства на горизонтально-слоистую среду, принимается суммарный импульс Р-волны, получаемый суммированием всех стандартизованных трасс на L-компоненте. Тогда синтетическая сейсмограмма на Q- компоненте может быть выражена следующим образом:
Интеграл, вычисляемый на временном интервале от 0 до Г, в реальности заменяется В минимизирующей последовательности параметров среды Хп за начальный вектор параметров принимается решение, найденное при предыдущем значении регуляризирующего параметра а.
Число итераций определяются условием, что достигнутое отклонение расчетной Q-компоненты от наблюденной приближаются к уровню шума или в дальнейшем итерации не уменьшают отклонение.
Используемая в работе программа bipsta поиска оптимальной модели, разработанная в ИФЗ РАН кф-мн Косаревым Григорием Леонидовичем (Kosarev G.L., 1987), требует введения начальных параметров, описывающих слоистую пачку - количество слоев, их мощности, начальные скорости поперечных волн. В данном случае использовалась горизонтально-слоистая модель, состоящая из семнадцати слоев с постоянными скоростями в слоях, лежащих на полупространстве, в пределах глубин от 0 до 52 км. Мощность двух самых верхних слоев принималась равной 0.5 км, далее слои толщиной 1 км и 2 км, остальные слои в коре фиксировались мощностью 4 км. Отношение скоростей Vp/Vs в коре до глубины 40 км принято равным 1.732, и с глубин больше 40 км -1.8. Распределение значений плотности среды с глубиной задается законом Берча (Birch F, 1961).
На рис. 3.1 изображены элементы инверсии функции приемника в скоростную модель Vs среды. Справа – сопоставление экспериментальной и синтетической приемных функций, слева – начальная и итоговая модели среды. – начальная модель среды; 2 - экспериментальная P-функция приемника (Q-компонента); 3 - синтетическая Q-компонента, рассчитанная по начальной модели; 4 - синтетическая Q-компонента, рассчитанная по выходной модели; 5 – итоговая скоростная модель Инверсия P-функции приемника в скоростной разрез Vs среды (Французова В.И., и др., 2011) Начальная модель (тонкая серая пунктирная линия) подразумевает постепенное ступенеобразное увеличение скорости с глубиной от Vp=3.0 км/с и Vs=1.75 км/с в осадочном слое до Vp=7.0 км/с и Vs=4.0 км/с в нижнем слое коры. На границе Мохо в начальной модели скорость скачком возрастает до Vp=8.2 км/с и Vs=4.73 км/с, граница Мохо условно принята на глубине 40 км.
Использовалась следующая схема обращения данных PRF: по исходной модели рассчитывалась синтетическая Q-компонента (приемная функция), которая сопоставлялась с аналогичной, полученной по экспериментальным данным с/с Климовская. Затем исходная модель варьировалась вышеуказанным способом и уже по варьированной модели проводился расчет синтетической Q-компоненты с последующим сопоставлением ее с экспериментальной, как показано на рис. 3.1. Итерационный процесс продолжался до сходимости с заданной точностью 0.02 синтетической и экспериментальной Q-компонент, по завершению которого последний вариант модели Vs принимался за конечный результат. Следует отметить, что сходимость синтетической кривой начальной модели с экспериментальной кривой составляла /=0.040. После 9-ти итераций сходимость синтетической кривой итоговой модели с экспериментальной кривой составляет с=0.012, что не превышает заданной оЧ).02.
Полученный вертикальный скоростной разрез под с/с KLM приведен на рис. 3.1 слева, значения - в таблице 4
Экспериментальный скоростной разрез земной коры по данным станции Лешуконское Скоростная структура под станцией Лешуконское имеет свои особенности, обусловленные региональными геологическими, геодинамическими и тектоническими условиями в подстанционной области. Для инверсии в скоростной разрез были взяты суммарные приемные функции продольных волн. В качестве начальной модели использовалась горизонтально-слоистая модель, состоящая из восемнадцати слоев с постоянными скоростями в слоях, лежащих на полупространстве, в пределах глубин от 0 до 53 км. Мощности слоев варьировались от 1 до 5 км. Отношение скоростей Vp/Vs принимается в коре до глубины 33 км равным 1.732, далее - 1.8. Распределение значений плотности среды с глубиной задается законом Берча (Birch F, 1961). Полученный скоростной разрез под с/с LSH представлен на рис. 3.2.
Метод измерения азимутальной анизотропии
Собственные значения и собственные векторы тензора Кристоффеля определяют скорости и поляризацию волн, которые могут существовать в анизотропной среде. В результате решения системы выявляются три волны с взаимно-ортогональными векторами смещения: квазипродольная Р, ближайшая по направлению к волновой нормали, и две квазипоперечные волны S1 и S2. Чисто продольные и поперечные волны в анизотропной среде наблюдаются только для особых направлений, определяемых симметрией среды.
Расчет синтетических сейсмограмм объемных волн в слоистой среде осуществляется посредством матричного метода Томсона-Хаскелла (Crampin S., 1970), позволяющего связать смещение свободной поверхности с амплитудой падающей волны в подстилающем полупространстве и рассчитывать волновые поля в многослойной среде с любым типом анизотропии.
В работе (Косарев Г.Л., Макеева Л.И., 1979) описаны результаты численного моделирования поля объемных волн для поперечно-изотропной модели среды с горизонтальной осью симметрии. Упругие свойства поперечно-изотропных сред состоят в следующем. В среде с данным типом симметрии имеется ось симметрии шестого порядка. Все плоскости, проходящие через ось симметрии, эквивалентны в упругих свойствах. Плоскость, перпендикулярная оси симметрии, изотропна. Для поперечно-изотропной среды матрица упругих модулей представляет собой матрицу шестого порядка, описываемую пятью упругими модулями. Обозначения этих модулей A, C, F, L, N используется в литературе по теории упругости (Ляв А., 1935). Упругие модули определяют скорости волн P, S1 и S2 в зависимости от направления распространения в анизотропной среде.
Численное моделирование волнового поля выявляет особенности в ориентации векторов смещения в волнах Р, Si и S2. Для удобства обозначения переименуем систему координат (хьх2,х3) в (R,T,Z). В новых обозначениях хi совпадает с радиальной осью R, ось х2 - с тангенциальной осью Т, ось х3 - с вертикальной осью Z. Ось симметрии составляет с осью R угол р, отсчитываемый от оси R против часовой стрелки, если смотреть со стороны положительных значений оси Z. Для конкретных вычислений упругие модули обеспечивают скорости объемных волн, характерные для верхней мантии: Vp=8.5км/с; Vs=4.7км/с. Плотность р принималась равной 3.32 г/см3. Анализ векторов смещения в поперечно-изотропной модели с коэффициентом анизотропии, близким к 10%, показывает, что направление вектора смещения в квазипродольной волне близко к направлению волнового вектора. Вектор смещения в квазипоперечной волне S2 всегда лежит в плоскости изотропии и перпендикулярен волновому вектору. Вектор смещения в квазипоперечной волне Si приблизительно перпендикулярен и волновому вектору и вектору смещения в волне S2.
Ориентация векторов смещения в волнах Р, Si и S2 для рассматриваемой модели с горизонтальной осью симметрии показана на рис. 5.1. На рисунке приведены результаты расчетов направления и поляризации волн для трех значений угла Р между осью симметрии и радиальной осью ((3=0, 45 и 90) при кажущейся скорости с=16 км/с. В верхней части рисунка изображены плоскость (R, Т) и горизонтальные проекции векторов смещений в падающих волнах. Пунктиром обозначена ось симметрии. В нижней части рисунка показаны проекции направлений смещений в волнах в вертикальной плоскости (R, Z).
В зависимости от величины угла Р анизотропия проявляется по-разному. При Р=0 основным признаком анизотропии является то, что углы между направлением распространения и векторами смещения в Р и Si волнах отличаются соответственно от 0 и 90. При (3 = 90 плоскость падения волн совпадают с плоскостью изотропии, поэтому волна S2, являясь чисто поперечной, поляризована как SV, волна Si - как SH, а волна Р является чисто продольной. В остальных случаях (0 (3 90) вектор смещения в волне Р отклоняется от плоскости падения, а векторы смещения в волнах Si и S2 имеют радиальную и тангенциальную компоненты.
Для выявления особенностей в смещениях свободной поверхности анизотропного слоя в работе (Косарев Г.Л., Макеева Л.И., 1979) были рассчитаны теоретические сейсмограммы объемных волн для анизотропного слоя с горизонтальной осью симметрии на изотропном полупространстве. В этой модели на смещение свободной поверхности (R, Т) будут влиять как анизотропия слоя, так и интерференция волн, многократно отраженных от свободной поверхности и нижней границы слоя.
Чтобы рассмотреть влияние анизотропии в наиболее чистом виде, параметры изотропного подстилающего полупространства были выбраны близкими к параметрам анизотропного слоя. Скорости продольных волн Vp=8.12 км/с и поперечных Vs=4.7 км/с в изотропном полупространстве приблизительно равны средним значениям соответствующих скоростей в анизотропном слое. Плотности в слое и полупространстве одинаковы (р = 3.3 г/см3). Мощность слоя равна 30 км. Падающая волна задавалась импульсом Гаусса единичной амплитуды и длительностью, равной 1 с.
Кажущаяся скорость вдоль оси R задавалась равной 16 км/с для всех типов падающих волн. Отсчет времени ведется от момента, когда вершина импульса в падающей волне достигла точки на подошве слоя, лежащей под пунктом наблюдения. На рис. 5.2 приведены трехкомпонентные синтетические сейсмограммы в случае падения волны SV при значениях угла Р от 0 до 90.
