Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из наиболее актуальных проблем наук о Земле является изучение законов формирования ее внешних оболочек и крупных геологических структур. Для решения этой проблемы необходимо знать глубинное строение различных по истории развития геоструктур, их связь со строением и процессами, происходящими в верхней мантии. Уникальную возможность для таких исследовании представляет глубинное сейсмическое зондирование (ГСЗ), выполненное Центром ГЕОН в пределах России на так называемых сверхдлииных профилях. На этих профилях в качестве источников использовались ядерные взрывы, что позволило зарегистрировать волны до удалении в 3000 км и проникнуть внутрь Земли до 700 км. Выполненная автором обработка этих материалов и полученные результаты могут быть использованы для изучения процессов геодинамики верхней мантии.
Актуальными являются также вопросы шггерпретации сейсмических данных для больших глубин, оценка достоверности и неоднозначности построения моделей земной коры и верхней мантии и определение их геолого-геофизической значимости. Цель и задачи исследований.
Основной целью данной работы являлось изучение и сравнительный анализ структуры земной коры и верхней мантии крупных геоструктур России: Восточно-Европейской и Сибирской древних платформ, Тимано-Печорской, Западно-Сибирской молодых плит и Урала на основе обработки сейсмического материала по сверхдлинным профилям ГЕОНа. Для этого необходимо было создать единую методику обработки и интерпретации этих данных, отвечающую Современному уровни) развития глубинных геофизических исследований и позволяющую провести совместную обработку записей от обычных и ядерных взрывов.
Задачами исследований было: 1. Изучение особенностей распространения сейсмических волн в слабоградиентных неоднородных средах путем математического моделирования и оценка разрешающей способности метода ГСЗ, степени возможной устойчивости и неоднозначности интерпретации волновых полей на больших удалениях от источника.
2. На основе результатов математического моделирования разработка
системы интерпретации волновых полей, формируемых в земной
коре и в верхней мантии, позволяющей увеличить достоверность и
информативность результативных материалов.
-
Совместная обработка записей обычных и ядерных взрывов на сверхдлинных профилях "Кварц", " Рифт" и "Метеорит" общей протяженностью 7000 км по единой системе и построение двумерных скоростных моделей до глубин в 300 км.
-
Сравнительный анализ полученных материалов с данными по другим профилям с целью определения геолого-геофизической природы сейсмических неоднородностеи и связи приповерхностных структур с глубинными.
Фактическая основа работы и личный вклад автора Основой работы явился экспериментальный материал по трем перечисленным выше сверхдлинньш профилям ГЕОНа, пересекающим различные по возрасту и истории развития геологические структуры: Балтийский щит, Русскую плиту, Тиманский кряж, Печорскую плиту, Северный Урал, Пур-Гыданскую, Тунгусскую и Нижне-Ангарскую впадины и Байкальский рифт. Автором была проведена совместная обработка записей от обоих типов источников и построены двумерные скоростные модели земной коры и верхней мантии до глубин 200-300 км. До этого материалы по обычным и ядерным взрывам обрабатывались раздельно, а для профилей "Рифт" и "Метеорит" были построены лишь одномерные модели верхней мантии.
С целью изучения законов распространения сейсмических волн в слабо градиентных средах и выбора соответствующих методов анализа волновых полей и их интерпретации при обработке экспериментального материала автором был выполнен большой объем математического моделирования и разработана часть необходимого программного обеспечения.
Научная новизна. I. Предложена новая система обработки данных глубинных сейсмических зондирований на сверхдлинньгх профилях, основанная на анализе волновой картины и выборе интерпретационной модели при помощи временных разрезов и использовании математического моделирования для построения скоростных двумерных моделей и оценки их достоверности.
2. Впервые получены детальные двумерные модели верхней мантии
до глубины в 300 км на профилях общей протяженностью в 7000 км,
построенные на основе совместной обработки записей обычных и
ядерных взрывов по единой методике.
3. Показана принципиальная разница в структуре земной коры
Тимано-Печорской плиты по сравнению с Восточно-Европейской и
Западно-Сибирской платформами и деление Сибирского кратона по
типу коры на северную и южную части.
4. В верхней мантии на глубине 70-100 км практически повсеместно
прослежен четкий отражающий горизонт N и выделен ряд
тектонических нарушений, разделяющих крупные мегаблоки и
уходящие в верхнюю мантию.
5. В верхах мантии Сибирской платформы оконтурены блоки с
аномально высокими скоростями, которые можно объяснить
существенной анизотропией скоростей.
Практическая ценность работы. Полученные разрезы земной коры могут быть использованы для планирования геолого-разведочных работ на нефть и газ в районе Печорской и Западно-Сибирской плит и на кимберлитовые поля на Русской и Сибирской платформах. Результаты математического моделирования волновых полей в сложно-построенных средах могут быть использованы при сейсмических исследованиях всех уровней, от детальных работ инженерного плана до глубинной сейсморазведки.
Основные защищаемые положения.
1. Метод математического моделирования вместе с методом
редуцированных годографов позволяет исследовать природу
сейсмических волн, регистрируемых на больших расстояниях от
источника, уточнить скоростные модели верхней мантии и повысить
информативность этих моделей.
-
Неоднозначность построений сейсмических моделей земой коры и верхней мантии по данным ГСЗ определяется главным образом типом модели и наблюдаемого волнового поля, наличием зои инверсии скоростей или "выпадающих" слоев и протяженностью годографов отраженных волн.
-
По типу земной коры Сибирская платформа делится на южную и северную части, граница между ними проходит в районе Нижне-Ангарской впадины. В верхней мантии эта граница выражена областью пониженных скоростей и погружением на север границы N.
4. Аномально низкими скоростями в земной коре отличается Тимано-
Печорская плита, в которой практически отсутствует
высокоскоростной нижний слой. Между Тимано-Печорской плитой и
Восточно-Европейской платформой существует глубинный разлом,
полого падающий под плиту. Он выделяется по высокоскоростной
отражающей границе в мантии.
5. Четко выраженная в волновом поле мантийная граница N в
пределах Тимано-Печорской плиты и Урала характеризуется
обратной корреляцией относительно границы М. Она соответствует,
по всей видимости, серии пологих нарушений, ограничивающих
крупные мегаблоки.
Апробация работы и публикации.
Материалы и выводы диссертационной работы отражены в і О публикациях, подготовленных лично автором и в соавторстве с другими исследователями.
Основные положения и результаты исследований автора по даной теме докладьшались на научных семинарах Института физики Земли РАН и на следующих научных конференциях: Международная программа EUROPROBE "Структура верхней мантии Земли по данным комплексных геолого-геофизических исследований" (16-20 апреля 1997, Москва), 22-я Генеральная Ассамблея Геофизического Европейского Общества (апрель, 1997, Вена), Международное совещание "50 лет ГСЗ: прошлое, настоящее и будущее" (19-22 мая 1999 г., Москва), Геофизические чтения имени В.В.Федынского (февраль 1999 и 2000 гг., Москва). Объем и структура работы.
Диссертация состоит из 6 глав общим объемом в 120 страниц.