Содержание к диссертации
Введение
Глава I, Развитие представлений о волновых полях и сей смических моделях земной коры 9
Глава 2. Методические аспекты уточнения кинематических и динамических параметров очагов землетря сений 26
2.1. Программа по определению частотных характеристик и расчету параметров сейсмического канала - ПРУОП 27
2.2. Программа мозаика для определения некоторых параметр ов очагов землетрясений ;
2.3. Опыт машинного определения параметров очагов землетрясений в пределах Узбекистана и Киргизии 50
Глава 3. Методика интерпретации сейсмических данных в случае блоковой слоисто-неоднородной модели земной коры 62
3.1. Методика интерпретации материалов площадных сейсмологических наблюдений 63
3.1.1. Метод последовательных приближений при построении скоростного разреза в случае слоисто-неоднородной модели земной коры 64
3.1.2. Решение обратной кинематической задачи методом подбора в случае слоисто-неоднородной модели земной коры 73
3.1.3. Метод поля скоростей 87
3.2. Методика интерпретации материалов ГСЗ 92
3.3. Методические принципы совместной обработки данных сейсмологии и ГСЗ 104
Глава 4. Отроение земной коры отдельных геоструктур Средней Азии на основании совместного анализа данных сейсмологии и ГСЗ 114
4.1. Двумерные сейсмические разрезы земной коры вдоль профилей ГСЗ 114
4.1.1. Профиль Ленинабац-Караунгур 115
4.1.2. Профиль Фараб-Тамдыбулак 127
4.1.3. Профиль Токтогул-Нанга Парбат 134
4.2. Некоторые результаты исследования динами ческих параметров сейсмических волн от землетрясений Памиро-Алая 153
Заключение 160
Список использованной литературы
- Программа мозаика для определения некоторых параметр ов очагов землетрясений
- Опыт машинного определения параметров очагов землетрясений в пределах Узбекистана и Киргизии
- Метод последовательных приближений при построении скоростного разреза в случае слоисто-неоднородной модели земной коры
- Профиль Фараб-Тамдыбулак
Программа мозаика для определения некоторых параметр ов очагов землетрясений
Представления о земной коре как о многослойно-однородной среде легли в основу методов КМПВ и затем ГСЗ. Метод ГСЗ получил свое развитие в СССР под руководством Г.А.Гамбурцева. Теоретические основы его были взяты в известной мере из КМШ (53), в процессе развития которого были выполнены наиболее полные исследования волновых полей от взрывов. Наблюдения по системам встречных и нагоняющих годографов при небольших интервалах между сейсмографами (до 100 м) позволяли проводить достаточно уверенную фазовую корреляцию сейсмических волн, что способствовало детальному расчленению волнового поля, и, как следствие, необходимости привлечения для его объяснения все более сложных моделей земной коры (27, 28, 54). Но и в этом случае всегда делались попытки выделить два основных слоя - "гранитный" и "базальтовый", разграниченных региональной, четкой границей - поверхностью Конрада. Типичным для многослойных моделей была субгоризонтальная расслоенноеть земной коры, что не всегда соответствовало геологическим представлениям о сложном, "измятом" строении верхней части разреза.
Концепция преобладания в волновом поле головных волн, господствовавшая до начала 50-х годов, все более подвергалась сомнениям в связи с накоплением многочисленного фактического; материала, который невозможно было объяснить с точки зрения головных волн.
Еще в 1947 г. Г.Тейтлом и М.Тьювом, а также и самим Р.Минтро-пом, на записях промышленных взрывов были выделены отраженные волны. Г.А.Гамбурцев первые работы по изучению земной коры начал с регистрации докритических отражений на Восточно-Европейской платформе. В 1957 г. сотрудниками ШЗ АН СССР Л.И.Нерсесовым и Ю.В.Ризниченко приведен пример выделения на записях землетрясений закритических отражений от границы М, которые интерпретировались ранее как головные от границы Конрада.
Следствием этого пересмотра природы волн было появление гипотезы однослойно-однородной коры, выдвинутой И.Л.Нерсесовым и А.С.Алексеевым (5). Гипотеза опиралась на материалы наблюдений комплексной сейсмологической экспедиции (КСЭ ШЪ АН СССР), проведенных в Гарм-Душанбинском районе. На годографе, построенном на основании этих материалов, ветви, трактовавшиеся ранее всеми сейсмологами как головные от кровли "базальта", интерпретировались как отраженные от границы М. Земная кора принималась за слой определенной мощности, в котором скорости ( Ifp и Vg ) сохранялись постоянными (около б и 3,5 км/с); у подошвы коры скорости волн претерпевают резкий скачок, в частности Ур достигает величины около 8 ( 0,4) км/с. Для такой модели земной коры годограф состоит из трех основных ветвей: прямые волны г0 , волна головная по грани Р
Развитие динамической теории распространения сейсмических волн (3, 4, 81, 82) способствовало утверждению новых взглядов на природу волн. Из расчетов, проведенных на основе представлений о лучевых трубках, следовало, что основную роль в формировании волнового поля должны играть не головные, а рефрагированные и отраженные, особенно закритические волны.
Большое значение для выявления природы волн имели работы по вертикальному сейсмическому профилированию в скважинах (26). Они дали возможность определить типы регистрируемых волн, установить соотношение интенсивностей волн разных классов.
Все яснее становится несостоятельность однослойно- и многослойно-однородных моделей земной коры. Появилась тенденция рассмат ривать кору как среду, в которой скорость сейсмических волн не только меняется скачками на отдельных дискретных границах, но и испытывает в интервалах глубин между границами плавное нарастание, т.е. кора стала представляться многослойно-неоднородной средой; основной вклад в волновое поле вносят рефрагированные и отраженные волны и только небольшую часть энергии несут головные, вернее квази-головные волны.
В.С.Чибисов еще в 1934 г. при интерпретации материалов сей-сморазведочных работ обратился к моделям градиентных сред (117). Он преобразовал систему уравнений и построения метода Вихерта-Герг-лотца в форму, удобную при сейсмических наблюдениях, проводимых с большой детальностью на малых эпицентральных расстояниях. Однако, вновь к этим разработкам вернулись только в 1957-1959 г.г., когда стала очевидной несостоятельность представлений о многослойно-однородных моделях земной коры.
Опыт машинного определения параметров очагов землетрясений в пределах Узбекистана и Киргизии
В таблице 2 приведены результаты счета, а на рис.5 приведены гистограммы расхождений по То $ У » Л , fioz , построенные по результатам параллельной обработки вручную и на ЭВМ 58 землетрясений, происшедших в первой половине 1975 г. на территории Восточного Узбекистана и его горного обрамления. Обработка в обоих случаях велась с использованием локальных годографов. В 48 случаях для широты и в 45 случаях для долготы разности не превышают 0,1 географического градуса, а в остальных случаях не более 0,23 (класс точности А). Значения глубин в 52 случаях разнятся не более, чем на 5 км. В четырех случаях, относящихся к повтор ») Эта и остальные таблицы помещены в Приложенииным толчкам землетрясения, происшедшего на Памире II.08.1974 г., различие достигает 10 км, что обусловлено односторонним положением станций относительно этих очагов. Времена в очаге для 49 случаев различались не более, чем на 1,5 сек. Достаточно хорошая сходимость результатов даже при применении первого) варианта (НО) программы позволила использовать ЭВМ в полную силу, начиная со второй половины 1975 года.
В процессе отработки программы проводились опыты по выяснению устойчивости определения параметров гипоцентров в зависимости от характеристик системы наблюдений. Установлено, что для систем, удовлетворяющих требованиям достаточности (см.выше), при обоснованно задаваемых весах станций решение устойчиво и нечувствительно практически к потере (порче) информации у 25-30 % станций. При невыполнении требования достаточности, что чаще всего реализуется в случае слабых землетрясений, на результат могут влиять даже данные единичных станций, и решение теряет устойчивость. Большое влияние на результаты счета оказывает надежность определения времени в очаге и опыт показывает, что при достаточных системах наблюдения неоднозначность в определении глубин разными авторами связаны именно с расхождением времени в очаге. Координаты эпицентров варьируют при этом незначительно.
В Институте сейсмологии АН УзССР наряду с другими решались задачи, связанные, во-первых, с оперативной обработкой землетрясений территории Средней Азии и Южного Казахстана и, во-вторых, с изучением параметров сейсмического режима и его изменения во времени с целью выделения сейсмоген-ных зон для детального сейсмического районирования и поисков предвестников сильных землетрясений территории Западного и Южного Узбекистана, а также Андижанского полигона в Восточном Узбекистане.
Оперативная обработка землетрясений с энергетическими классами К 10 проводилась по данным сейсмических станций ЕССН, расположенных на территории Средней Азии и Южного Казахстана. В среднем за месяц поступали и оперативно обрабатывались на ЭВМ данные о 50 землетрясениях. Имеющиеся для Юго-Западного Узбекистана и Андижанского полигона каталоги землетрясений с К 9 не удовлетворяли требованиям поставленной задачи. Необходимо было уменьшить нижний предел энергетического класса землетрясений, для чего были привлечены данные о землетрясениях за 1976 г., происшедших в Юго-Западном Узбекистане, а для Андижанского полигона за полтора года с июня 1977 г. по декабрь 1978 г. Всего было обработано на ЭВМ четыреста землетрясений с К 8. Из них для Андижанского полигона 57 %, а для Южного М Западного Узбекистана 28 % соответствовали классу точности "ап и "б". Меньший процент очагов повышенной точности в Западном и Южном Узбекистане получен из-за неэффективного расположения и малого количества сейсмических станций в этих районах. Применение ЭВМ для параметризации очагов землетрясений позволило уделить основное внимание тщательной подготовке материала и анализу результатов, причем работа была проведена в сжатые сроки. Качество определений параметров гипоцентров на ЭВМ не уступало определению вручную.
Опробование программы было проведено также вОпытно-методической партии ИС АН УзССР на 35 землетрясениях Западного и 56 землетрясениях Восточного Узбекистана, зарегистрированных за январь-март 1980 г. Обработка велась по локальным годографам. В табл.3 приведены результаты определений параметров гипоцентров на ЭВМ и вручную, а в табл.4 и на гистограммах (рис.6) представлены результаты статистического анали за содержимого табл.3. Основная масса землетрясений в Западном Узбекистане была приурочена к Газлийской эпицентральной зоне. Из-за ненадежной работы и невысокой чувствительности сейсмических станций, находящихся южнее очаговой зоны, система наблюдений зачастую оказывалась недостаточной, особенно для толчков с К 8,5. По этой причине точность определения параметров очагов на ЭВМ и вручную была невысокой, что нашло свое отражение в гораздо меньшей сходимости результатов (57,1 %) по сравнению с Восточным Узбекистаном, где система наблюдений была значительно эффективнее, - 84 % сходимости по координатам. Сходимость по времени в очаге ( ST0 і сек) составила для обеих зон 71,5 % В 63 % случаев для Западного Узбекистана и в 70 % случаев для Восточного Узбекистана разности глубин не превышали 5 км. Большие разности получались чаще всего в тех случаях, когда надежность определения глубины была невысокой из-за неэффективности системы наблюдений. К сожалению, довольно часто определения параметров гипоцентров на ЭВМ и вручную проводилось по разному количеству станций, что, естественно, ухудшало сходимость результатов.
Метод последовательных приближений при построении скоростного разреза в случае слоисто-неоднородной модели земной коры
Описываемый метод предусматривает цикличность в получении все более точных сведений о скоростном разрезе некоторого блока земной коры, сохраняющего в первом приближении однородное строение. Выделение таких блоков осуществляется по совокупности данных геологии, гравиметри, магнитометрии и на основании анализа осо бенностей времени пробега сейсмических волн.
Каждый цикл включает в себя следующие этапы: а) регистрация специально проводимых и промышленных взрывов (с фиксированными с точностью до сотых долей секунды моментами и до метров или десятков метров координатами) на территории иссле дуемого блока земной коры и в его окрестностях сетью сейсмических станций, расположенных там же; б) построение площадных экспериментальных кинематических го дографов (строятся в эпицентральных расстояниях) преломленных (рефрагированных) продольных и поперечных волн (исходя из того, что в случае слоисто-неоднородной среды значение кажущейся скоро сти, вычисленной в некоторой точке годографа рефрагированных волн, характеризует скорость их распространения в точке макси мального проникновения соответствующего луча, к лучам преломлен ных волн (для конкретной пары "очаг-станция"), времена пробега ко торых используются при построении площадного годографа, предъявля ется требование, чтобы точка их максимального заглубления попада ла в пределы исследуемого блока земной коры); в) уточнение конфигурации границ блока земной коры на осно вании анализа особенностей времени пробега сейсмических волн; г) подготовка экспериментальных годографов к решению обрат ной кинематической задачи; д) решение обратной кинематической задачи и построение ос реднеиного скоростного разреза; е) расчет на основе осредненного скоростного разреза теоре тических годографов продольных (и поперечных) волн для набора возможных для данного блока земной коры значений глубины очагов землетрясений; ж) проведение по этим годографам массового определения пара метров гипоцентров землетрясений, происшедших в пределах данного блока земной коры и зарегистрированных сетью станций, расположенных в пределах блока и на прилегающих к нему территориях.
Далее процесс повторяется, начиная с пункта "б", однако, теперь экспериментальные годографы строятся не только для поверхностных источников, но и для землетрясений с дифференциацией по глубине очага.
Необходимо отметить, что, если есть априорная информация о глубинном строении исследуемого блока земной коры, то процесс уточнения его скоростного разреза может начаться с пункта
Экспериментальный годограф преломленных волн (первые вступление, получаемый при площадных сейсмологических наблюдениях, характеризуется зачастую значительным разбросом точек. Этот разброс, обусловленный отчасти техническими ошибками при интерпретации, определяет ся,: в основном, неоднородностью глубинного строения изучаемого района и связанной с ней неустойчивостью волновой картины. Чтобы сделать годограф пригодным для дальнейшего использования, необходимо его осреднить и представить в схематизированном виде. Анализ характера изменения V и ta вдоль годографа при различных значениях интервала осреднения и минимально допустимого количества точек ( ffi ) на интервале позволяет выявить отрезки годографа (ветви), связанные с рефракцией волн в определенных слоях на глубине, наметить зоны тени и разрывы годографа, соответствующие возможным областям инверсии скорости в разрезе. В результате получается так называемая схема годографа, которая и используется для решения обратной задачи.
Описание принципа действия разработанной автором программы ИНТЕРВАЛ, позволившей гораздо надежнее и быстрее проводить работы по созданию схемы экспериментальных годографов, используемых в дальнейшем при решении обратных кинематических задач, дано в приложении 3.
Несколько слов необходимо сказать об особенностях, которые вносит в методику построения разрезов использование годографов ПРИ ot= Q Ели при ft О точка максимального проникновения луча соответствует середине расстояния между очагом и точкой ре гистрации волны, то при 1гог О она тем ближе к очагу, чем меньше эпицентральное расстояние или больше глубина очага. Чтобы найти координаты точки максимального проникновения луча при kot o , необходимо исключить из эпицентральных расстояний вклад в них слоев среды, лежащих выше очага. Это сделать не очень трудно, используя предыдущее приближение скоростного разреза.
На небольших эпицентральных расстояниях, где в первые вступ At, ления выходят волны, рефрагированные выше очага, при расчете V получаются тем большие ее значения, чем ближе берется к очагу отрезок годографа. Эти значения кажущейся скорости, конечно, не характеризуют скорости волн в среде, но от них можно перейти к величине скорости на уровне очага, пользуясь известным приближением разреза для вычисления поправочного коэффициента (16).
Профиль Фараб-Тамдыбулак
Построив карты поля скоростей для различных интервалов глубин и проведя осреднение полученных данных, можно уточнить расчленение территории по типу разреза, объединив на каждой карте те участки (если они граничат друг с другом), для которых значения скорости оказались одинаковыми (в пределах точности) и, наоборот, разделив на несколько участков ту территорию, которая первоначально считалась однородной, если расхождение скоростей на этих участках выходит за пределы ошибок наблюдений. Очень часто блок, который до определенной глубины Н представляется однородным, начиная с этой глубины, разделяется на несколько подблоков. Так или иначе, построение поля скоростей дает возможность найти очередное уточненное разделение изучаемой территории по типу скоростного разреза. Затем, если картина расчленения территории оказывается отличной от картины предыдущего расчленения, производится перегруппировка значений Д и t , и процесс повторяется, начиная с пересчета V и t0 вдоль годографа методом скользящего интервала и решения обратных задач методом последовательного приближения для отдельных блоков земной коры. Практически, всегда бывает достаточно двух-трех циклов, в результате чего картина разбиения территории по типу скоростного разреза стабилизируется (17).
Построение планшетов поля скоростей позволяет, во-первых, практически реализовать принцип получения информации о скорост-ти сейсмических волн в определенном интервале глубин по нескольким независимым группам данных от землетрясений с разной глубиной очага (рис.9, рис.10), что существенно повышает достоверность определения скоростного разреза среды; во-вторых, за счет осреднения данных о скорости, получаемых от статистически рас пределенных по азимутам лучей сейсмических волн, уменьшить ошибки, связанные с негоризонтальностью отдельных границ (вернее скоростных уровней) в земной коре данного блока; и, в-третьих, уменьшить ошибки, вызванные тем, что при получении информации о скорости в конкретном блоке используются лучи, частично проходящие за пределами изучаемого блока, где скоростной разрез отличен, и, хотя в соответствующие данные и вносятся поправки, точно их вычислить не представляется возможным, так как ничего не известно об особенностях глубинного строения переходных зон между отдельными блоками, существенно влияющего на траектории лучей при переходе из блока в блок.
После получения окончательных приближений разрезов земной коры по каждому блоку, производится их "сшивание" и построение сглаженных обобщенных разрезов по системе профилей (с обязательным включением профилей ГСЗ), выбранной так, чтобы можно было построить вдоль этих профилей наблюденные годографы по данным землетрясений и взрывов.
Для уточнения построений по методу поля скоростей использовалась также методика сейсмических аномалий (ИЗ), являющаяся модификацией методики КМГВ (53) в приложении к сейсмологическим материалам ичсостоящая в том, что анализируя величины отклонений конкретных экспериментальных точек от осредненных годографов преломленных воли и внося поправки в разрез удается уточнить конфигурацию границ раздела и параметры слоев, с которыми связаны данные волны.
Принятая в настоящее время и использованная в данной работе методика интерпретации материалов ГСЗ (69, 76, 88) была выработана, исходя из положения о том, что в волновом поле нараду с преломленными Срефрагированными) волнами значительную роль играют отраженные волны (2).
В наблюденном волновом поле в первых вступлениях прослеживаются преломленные волны, соответствующие верхней части земной коры Р0 , обычно до глубины не более 15-20 км, которые во многих случаях на расстояниях в 1О0 150 км от пункта взрыва затухают, а в первые вступления выходят волны либо отраженные от промежуточных границ земнож коры, либо преломленные, связанные с выпадающими слоями. Иногда волна Р0 ( 2%6,3 км/с) сразу сменяется волной Рпр ( ТР 8 км/с). В последующих вступлениях, в основном, следятся отраженные волны разной кратности; волны, связанные с выпадающими слоями в земной коре; а также рад вторичных волн (дифрагированные, обменные, каналовые и др.), которые в совокупности создают сложную интерференционную картину, значительно затрудняющую корреляцию и определение природы отдельных волн и общую реконструкцию волнового ноля.
Как будет видно из дальнейшего изложения, решение прямых двумерных задач позволило не только уточнить скоростные разрезы среды, но и по-иному взглянуть в раде случаев на природу некоторых волн и на основании новых представлений провести повторную обработку материалов.
Интерпретация наблюденного волнового поля состоит последовательно из построения временных разрезов, определения скоростных моделей, составления сейсмических разрезов и соответствует общепринятой в настоящее время в ГСЗ методике (69).
Временные разрезы строятся путем трансформации годографов опорных отраженных волн, расположенных на любых расстояниях от пункта взрыва в линию t0(oc)/2 способом, позволяющим оценить и контролировать рефракцию (43, 46) и являющимися "машинным" ком бинированным вариантом определения эффективной скорости ( %ф ) способом подбора и построения разреза способом засечек (85). В основе этого подхода лежат следующие предположения: а) скорость в покрывающей толще есть величина постоянная, а лучи - отрезки прямых; б) участки отражающей границы, соответствующие отрезкам го дографов отраженных волн, плоские и имеют один и тот же угол на клона.
Вначале по отрезкам взаимоувязанных годографов опорных волн осуществляется определение эффективных скоростей сейсмических волн, затем с использованием этих данных проводится трансформация годографов отраженных волн в линию и далее временные разрезы пересчитываются в глубинные. Остановимся кратко на отдельных моментах каждого из этапов.
