Сейсмотомографическая модель глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области по данным площадных сейсмологических наблюдений

Лисейкин, Алексей Владимирович

Автореферат диссертации по теме "Сейсмотомографическая модель глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области по данным площадных сейсмологических наблюдений"

На правах рукописи и-—

ЛИСЕЙКИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ ПО ДАННЫМ ПЛОЩАДНЫХ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск 2009

003475628

Работа выполнена в Геофизической службе Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Селезнев Виктор Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Кулаков Иван Юрьевич

доктор геолого-минералогических наук Кузнецов Василий Леонтьевич

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского (ФГУП «ВСЕГЕИ», г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 16 июля 2009 г. в 09:30 на заседании диссертационного совета Д 003.068.03 при Учреждении Российской академии наук Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: пр-т Ак. Коптюга, 3, г. Новосибирск, 630090 Факс: 8(383)333-32-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН.

Автореферат разослан 15 июня 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.г.-м.н.

H.H. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Красноярск

ТШ

Новосибирск

йовокувйецк . 1ЙСК г •^--""'Таштагол

ГСаиСК*

Казахстан

Монголия

Китай %

100 0 100 200 км

0 20 40 60 80 км

* - сейсмостанции

/ - геотраверсы, профили ГСЗ и вибро-ГСЗ

« ; - эпицентры землетрясений за 1984-2003гг ■ области региональных и : ; локальных исследований

Рис. I. 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 (Р§, Рп) и поперечных Бп) волн от землетрясений и установить особенности изменения скоростей в верхней коре, граничных скоростей и глубин до поверхности Мохоровичича.

Этапы исследования.

1. 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-вoлн от землетрясений.

2. Применяя разработанную методику к данным времен вступлений Pg- и Sg-вoлн от землетрясений на региональной сети станций,

определить особенности изменения скоростей продольных и поперечных волн в верхней коре Алтае-Саянской складчатой области.

3. 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.

4. 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 C.B. 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 A.C. 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.

1. Разработана и применена методика сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа для определения скоростного строения верхней коры по данным времен вступлений Pg- и Sg-вoлн от землетрясений, зарегистрированных на площадной сети станций.

2. 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 0.250.26) соответствуют южным частям Кузнецкого Алатау и ЮжноМинусинской впадины.

3.По сейсмологическим данным построены карты рельефа поверхности Мохоровичича и граничных скоростей Р- и Б-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 эпицентрапьной 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.

1. Разработана оригинальная методика сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа, предназначенная для определения скоростного строения верхней коры по данным наблюдений прямых Pg- и $£-волн площадной сейсмологической сетью станций.

2. 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.

3. Применена методика интерпретации площадных наблюдений преломленных Рп- и Бп-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.

4. 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 Бп-волн устанавливаются рельеф поверхности Мохоровичича и значения граничных скоростей продольных и поперечных волн. Результаты обработки Pg- и Sg-вoлн 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. A.A. Дергачева, к.г.-м.н. A.A. Еманова, Е.В. Лескову, В.Г. Подкорытову и др.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Показана актуальность работы, сформулированы цель и задача исследования, защищаемые результаты, научная новизна и практическая значимость.

Глава 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ

Приводятся данные предшествующих исследований о глубинном строении изучаемого региона. Наиболее надежные сведения получены по данным профильных работ ГСЗ, выполненных в северо-западных и северо-восточных участках Алтае-Саянской складчатой области. В центральных и южных участках района исследования по изучению глубинного строения проводились неоднократно. Это, прежде всего, работы по определению строения земной коры и верхней мантии по гравитационным данным, которые проводились под руководством Э.Э. Фотиади и B.C. Суркова. Согласно этим исследованиям, мощность земной коры в пределах изучаемого района меняется от 38-40 км на северо-западе до 60-63 км на юге. Имеется ряд работ таких известных авторов, как Н.Д. Жалковский, Г.М. Цибульчик, C.B. Крылов, A.A. Дергачев и др., которые с использованием данных преломленных волн от землетрясений и промышленных взрывов определяли строение поверхности Мохоровичича. По данным этих исследований, мощность земной коры в Алтае-Саянской складчатой области также увеличивается в юго-восточном направлении от 38 км до 53 км. При этом информация о неоднородностях скоростного строения земной коры и верхней мантии в этих работах отсутствует. В Алтае-Саянской области также проводились исследования методами телесейсмической томографии такими авторами, как И.Ю. Кулаков, H.A. Бушенкова, Т.Б. Яновская и др. Из-за сравнительно низкой разрешающей

способности метода, выделенные авторами скоростные неоднородности имеют значительные размеры, которые в несколько раз превышают мощность всей земной коры. Таким образом, центральные и южные участки территории до настоящего времени оставались сравнительно малоизученными сейсмическими методами.

Излагаются сведения о существующих методиках определения параметров сейсмической модели глубинного строения. „Показано, что широкое использование известных подходов обработки сейсмологических данных для получения достоверной информации о сейсмическом строении Алтае-Саянской складчатой области ограничено как из-за специфичности реальной системы наблюдений (редкая сеть сейсмических станций, невозможность выделения профильных рассечек), так и из-за погрешностей в данных, обусловленных в основном значительными ошибками определения времени в очаге и координат гипоцентров землетрясений. В работе предлагается использовать способы, базирующиеся на использовании не абсолютных времен пробега сейсмических волн, а векторов-градиентов поверхностных годографов, которые не зависят от названных параметров источников.

Глава 2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПЛОЩАДНЫХ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Первым направлением исследования является разработка подходов для изучения скоростного строения верхней коры Алтае-Саянской складчатой области с использованием данных о временах вступлений прямых Pg- и Sg-вoлн от землетрясений. Для избавления от основной части ошибок, связанных с неправильным определением времени в очаге, разработан специальный прием. Суть его заключается в построениях, при которых в качестве входных данных используются разности времен пробега сейсмических волн.

Пусть имеется «профильная» система наблюдений из заглубленного источника в точке О и двух приемных станций А и В (расположенных в плане на одной линии), на которых зарегистрирована прямая волна (рис. 2а). Используются источники с эпицентральными расстояниями большими глубины гипоцентра, поэтому расхождение траекторий лучей мало и, следовательно, разницей времен пробега по лучу ОА и отрезку луча ОС можно пренебречь. Тогда разницу времен вступлений между станциямиАнВ можно отнести к отрезку СВ. Таким образом, исключаются ошибки, связанные с неточностью определения времени в очаге. Составленные таким образом отрезки лучей

используются в качестве входных данных для обработки методом сейсмической томографии на временных задержках. Исследуемая область среды разбивается на ячейки с постоянной скоростью, которая задается согласно референтной модели; лучи аппроксимируются ломаными линиями, соответствующими выбранной сети ячеек; времена пробега представляются суммой времен по сегментам этих линий. По этим суммам составляется система линейных уравнений, в правой части которой стоит вектор временных задержек (невязок между наблюденными временами и теоретическими, рассчитанными в референтной модели). Решением системы является распределение поправок к скорости в исходной модели среды. Для решения системы линейных уравнений применяется процедура МНК с регуляризацией.

а)

ы

в.

С

* - источник а - сеисмостанции

■ область среды, е которой определяется скорость

* О

(2

- элемент поверхностного годографа

Рис. 2. Лучевые схемы к обоснованию методики сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа.

Для обработки времен вступлений прямых Pg- и Sg-вoлн от землетрясений, зарегистрированных площадной сетью сейсмических станций входные данные определяются следующим образом (рис. 26). По 3-м значениям времен путем интерполяции строится элемент поверхностного годографа, по которому определяются горизонтальные составляющие градиента времени, связанные со значением кажущейся скорости прямой волны. Произведение модуля вектора-градиента на длину отрезка АВ считается временем пробега волны на участке СВ, которое используется в качестве входного для обработки методом сейсмической томографии представленным выше способом. Описанной методике обработки дано название «сейсмическая томография на градиентах поверхностного годографа».

На основе решения обратной задачи по теоретически рассчитанным годографам прямых волн оценены разрешающая способность и точность разработанной методики. Для западной части

исследуемой области в рамках выбранной модели среды аномалии, имеющие линейные размеры от 200 км, восстанавливаются с погрешностями до 0.1 км/с. В восточной части исследуемой области аномалии восстанавливаются с погрешностями примерно в 1.5 раза выше из-за меньшей плотности сейсмологической сети станций.

Для изучения строения поверхности Мохоровичича в Алтае-Саянской складчатой области по данным времен вступлений Рп- и Бп-волн от землетрясений, зарегистрированных на региональной сейсмологической сети, использовалась методика интерпретации данных площадных наблюдений преломленных волн. Суть методики состоит в следующем. Пусть на некоторой площадной расстановке сейсмических станций от расположенных вне площади источников зарегистрирована одна и та же преломленная волна. С использованием времен вступлений путем интерполяции строятся поверхностные годографы преломленных волн. По этим годографам определяются горизонтальные составляющие градиента времени, связанные (в двухслойной модели среды) с наклоном границы, средней и граничной скоростью. При вычислении углов наклона границы в каждой точке площади и последующем интегрировании, определяется относительный рельеф преломляющей поверхности. Для получения абсолютных значений глубины до поверхности Мохоровичича, используются априорные данные с профилей ГСЗ и геотраверсов. С применением синтетических данных оценена детальность и точность определения параметров модели: аномалии, имеющие линейные размеры от 200 км восстанавливаются с точностью до 0.1 км/с; погрешность определения глубины до преломляющей поверхности для большей части исследуемой территории не превышает 2 км.

Третьим направлением работы являлось определение параметров сейсмической модели очаговой зоны Чуйского землетрясения, произошедшего на юге Горного Алтая в 2003г. Для обработки использовались данные от афтершоков, зарегистрированных локальной сетью сейсмостанций, развернутой после землетрясения (Рис. 16). В качестве входных данных использовались абсолютные времена пробега прямых Pg- и Sg-вoлн, с эпицентральными удалениями до 60 км. Методом обработки служила сейсмическая томография на временных задержках. При этом априорная скоростная модель для вычисления координат гипоцентров составлялась по осредненной зависимости скорости от глубины данных настоящих региональных исследований (в интервале глубин 0-9 км); для больших глубин использовались осредненные скоростные зависимости по данным ближайших профилей

ГСЗ и геотраверсов. Проведенные расчеты обратной задачи по синтетическим данным показали, что в условиях реализованной системы наблюдений линейные размеры надежно выделяемых аномалий скорости с точностью до 0.1 км/с должны составлять не менее 30 км.

Глава 3. СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ПОВЕРХНОСТИ МАНТИИ В АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ

Представлены результаты обработки экспериментальных данных: сейсмические модели строения поверхности Мохоровичича и верхней коры центральной части Алтае-Саянской складчатой области; сейсмическое строение очаговой зоны Чуйского землетрясения.

На рис. 3 показаны результаты обработки экспериментальных данных времен вступлений прямых Р§- и Sg-вoлн от землетрясений, зарегистрированных на региональной сети станций. Видно, что в целом простирание зоны пониженных значений скорости в верхней коре

Рис. 3. Строение верхней части земной коры Алтае-Саянской складчатой области по данным Pg- и Sg-вoлн от землетрясений.

Н = 3-6 км

0.26

0.25

0.24

0.23

0.22

Коэффициент Пуассона

Фрагмент схемы террейнов Алтае-Саянской складчатой области [Кунгурцев Л.В., Берзин Н.А. и др., 2001]

!Ш - микроконтиненты

с Я-Рг карбонатным чехлом ЯН - комплексы островных дуг и эадуговых бассейнов, нерасчлененные (Я-О.)

- отложения континентальных склонов и шельфов, нерасчлененные Р.'-Рг.)

- комплексы Рг,-Рг, наложенных прогибов

_I - меэозойско-кайноэойский

чехол

! - основные зоны разломоа

Скорость продольных волн, км/с

разделяется на северо-западное (под территорией восточной части Горного Алтая) и северо-восточное (под территорией Западного Саяна) что, за исключением локальных осложнений, соответствует простираниям поверхностных геологических структур Алтае-Саянской складчатой области. Значения скорости продольных волн на глубинах 3-6 км в пределах изучаемой площади изменяются от 6.0 км/с до 6.4 км/с. Минимальные значения скорости Р-волн (до 6.0-6.1 км/с) соответствуют территориям Западного Саяна и восточной части Горного Алтая, максимальные (6.3-6.4 км/с) - южным частям Кузнецкого Алатау и Южно-Минусинской впадины. Значения скорости S-волн по площади изменяются незначительно (от 3.55 км/с до 3.7 км/с). Изменения коэффициента Пуассона в большей мере обусловлены контрастностью аномалий продольных волн, минимальные его значения (до 0.22-0.24) соответствуют восточной части Горного Алтая и Западного Саяна, максимальные (до 0.25-0.26) - южным частям Кузнецкого Алатау и Южно-Минусинской впадины.

На рис. 4 представлены результаты обработки экспериментальных данных времен вступлений преломленных Pn-волн от землетрясений в центральной части Алтае-Саянской складчатой области. Видно, что глубина залегания поверхности Мохоровичича изменяется в интервале 45-55 км с региональным наклоном в юго-восточном направлении. Значения граничной скорости продольных волн в целом для всей площади составляют 7.8-8.2 км/с, что соответствует значениям скорости по данным ГСЗ для юга Западно-Сибирской плиты. Под южной частью Кузнецкого Алатау значения граничной скорости продольных волн понижены до 7.8 км/с, в то время как под центральной и восточной частью Горного Алтая они повышены до 8.2 км/с. Граничные скорости S-волн по площади практически не изменяются и составляют 4.4-4.5 км/с.

Произведено сопоставление полученных по сейсмическим данным результатов изменения мощности земной коры с предшествующими данными гравитационных исследований [Сурков B.C. и др., 1998]. Установлено, что на качественном уровне результаты исследований согласуются друг с другом: в особенностях рельефа поверхности Мохоровичича выделяется общий наклон границы в юго-восточном направлении. Вместе с тем, абсолютные значения мощности земной коры в центральной и южной части области исследования по гравитационным данным на 6-7 км выше, чем по сейсмическим. Как известно, мощность земной коры при гравитационных исследованиях определялась на основе гипотезы изостазии. Использовались опорные

данные с профилей ГСЗ, расположенных на северо-западе исследуемой области.

Рис. 4. Строение поверхности мантии в Алтае-Саянской складчатой области по данным Рп-волн от землетрясений.

Значения граничной скорости вдоль поверхности Мохоровичича, по которым оценивалась плотность пород в верхней мантии, составляли 7.9-8.1 км/с и практически не отличались от данных настоящего исследования. Значения плотности в верхней коре оценивались по результатам интерпретации гравитационного поля. Следовательно, можно предположить, что различие в глубинах до поверхности Мохоровичича, полученных по гравитационным и сейсмическим данным, связано в большей мере с влиянием неучтенных горизонтальных неоднородностей, расположенных в средней и нижней части земной коры. Другой причиной выявленного различия в данных может быть изостатически неуравновешенное состояние земной коры региона.

На рис. 5 представлены результаты обработки данных от афтершоков Чуйского землетрясения, зарегистрированных на локальной сейсмологической сети, в виде трехмерного распределения значений скорости продольных волн и сейсмического разреза по линии АЛ. Видно, что в интервале глубин 0-5 км значения скорости Р-волн изменяются от 5.9 до 6.2 км/с. В целом, зоны относительно повышенной и пониженной скорости имеют северо-западное простирание с небольшими локальными осложнениями, что соответствует приповерхностным геологическим структурам (Курайская и Чуйская впадины, разделенные Чаган-Узунским блоком, и ограничивающие их Курайский (с северо-востока) и Северо-Чуйский с Южно-Чуйским хребты (с юго-запада)). С увеличением глубины простирание аномалий становится не столь выразительным на фоне общего увеличения скорости с глубиной. В интервале глубин 5-10 км диапазон изменения скорости уменьшается до 6.15-6.35 км/с с

а)

Н=0-5 км

б) СевераЮжно-Чуйский хребты

Чаган-

Узунский ££ блок —

0 20 40 60 х, км - блокоразделяющие разломы [Новиков И.С., 2001] % - положение главного разрыва • - гипоцентр Чуйского землетрясения и контур области афтершоков

Н=10-15 км

1-1=5-10 км

Рис. 5. Сейсмическое строение верхней части земной коры в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения: (а) - изменения скорости Р-волн; (б) -сейсмические разрезы вдоль линии АА.

некоторым преобладанием вытянутости аномалии в северо-западном направлении. На глубине 10-15 км скорость возрастает до 6.25-6.4 км/с, а размеры «освещенной» области сокращаются, что не позволяет оценить преимущественное простирание аномалий скорости.

На разрезе по линии АА (рис. 56) в вертикальном сечении трехмерной модели земной коры, видно, что под Чаган-Узунским блоком скорость относительно повышена и изменяется от 6.2 км/с на поверхности до 6.4 км/с на глубине 10-15 км. С юго-запада от блока скорость понижена до 6.1 км/с на поверхности и 6.2 км/с на глубине около 10 км. Северо-восточное ограничение блока определено не столь однозначно из-за отсутствия данных. Диапазон изменения скорости Б-волн меньше, чем продольных и наблюдается только увеличение значений с глубиной от 3.5 до 3.7 км/с. В изменениях коэффициента Пуассона отчетливо выделяется юго-западная граница Чаган-Узунского блока (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-Чуйскими хребтами. В целом, эта зона сочленения прослеживается вдоль юго-западных бортов Курайской и Чуйской впадин. Существенно, что эпицентр Чуйского землетрясения и вытянутая в северо-западном направлении область афтершоков расположены в пределах этой зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенные в диссертации подходы к определению сейсмической модели глубинного строения отличаются от известных и имеют ряд преимуществ. Во-первых, в исследовании используется совокупность экспериментальных данных, полученных самыми современными методами и аппаратурой. Во-вторых, в результатах исследования содержится информация о сейсмическом строении малоизученной центральной части Алтае-Саянской складчатой области. В-третьих, разработанная методика основана на современных методах, таких как сейсмическая томография и методика интерпретации данных площадных наблюдений преломленных волн, которые позволяют получать достоверную и относительно малозатратную информацию о глубинном строении по сравнению с такими методами, как ГСЗ. В-четвертых, заложенные в примененной методике интерпретации принципы использования производных поверхностного годографа, не зависящих от абсолютного времени пробега сейсмических волн, позволяют избавиться от основной части ошибок, свойственных сейсмологическим системам наблюдений, а именно погрешностей

определения времени в очаге землетрясения. И, наконец, разработанная методика была протестирована на ряде примеров обработки результатов решения прямой задачи, при которых была определена точность и детальность определения параметров сейсмических моделей глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области. Достоверность полученных в настоящей работе результатов проверена при сравнительном анализе как с данными предшествующих исследований, так и с результатами использования других подходов и экспериментальных материалов.

Несомненно, исследования по определению глубинного сейсмического строения Алтае-Саянской складчатой области должны быть продолжены. Во-первых, это касается увеличения площади исследований: до настоящего времени остаются неосвещенными обширные территории, расположенные на юге области. Во-вторых, отсутствует информация о скоростном строении средней и нижней части земной коры практически всей территории Алтае-Саянской складчатой области.

Публикации по теме диссертации

1. Соловьев В.М., Селезнев B.C., Жемчугова И.В., Лисейкин A.B. Глубинное строение Алтае-Саянского региона по данным площадных сейсмологических систем наблюдений // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий: Материалы междунар. геофиз. конф. 27-29 сентября 2000г. Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2000. - С. 222-228.

2. Соловьев В.М., Лисейкин A.B., Жемчугова И.В. Изучение строения верхней части земной коры юго-восточного фланга Алтае-Саянской складчатой области по данным площадных сейсмологических систем наблюдений // Проблемы региональной геофизики: Материалы конференции 5-7 декабря 2001г. Новосибирск. - 2001. - С. 112-114.

3. Лисейкин A.B. Применение площадных сейсмологических систем наблюдений для изучения глубинного строения Алтае-Саянского региона // Доклады XXXVIII-XXXIX Международных студенческих конференций «Студент и научно-технический прогресс» 12-14 апреля 2000г. Секция Геологии. Подсекция Геофизики. Выпуск III. НГУ: Новосибирск. - 2003. - С. 32-43.

4. Соловьев В.М., Селезнев B.C., Дучков А.Д., Лисейкин A.B. Деформационно-прочностное районирование земной коры Алтае-Саянской складчатой области // Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия: Материалы междунар. геофиз. конференции 15-19 сентября 2003г. Новосибирск, Изд-во СО РАН. - 2003. - С. 332-337.

5. Лисейкин A.B., Соловьев В.М. Глубинное строение эпицентральной зоны Чуйского землетрясения по данным локальной сейсмической томографии от афтершоков. // Вестник Национального Ядерного Центра Республики Казахстан (НЯЦ PK). - выпуск 2 (18). - Июнь. - 2004г. - С. 160-164.

6. Лисейкин A.B., Селезнев B.C., Соловьев В.М. Сейсмотомо-графическая модель верхней части земной коры в районе Чуйского землетрясения по данным от афтершоков // Алтайское (Чуйское) землетрясение: прогнозы, характеристики, последствия. Материалы научно-практической конференции 23 апреля 2004г. Горно-Алтайск: РИО ГАГУ. -2004 г.-С. 29-36.

7. Соловьев В.М., Селезнев B.C., Лисейкин A.B., Жемчугова И.В. Глубинное строение земной коры и верхней мантии Алтае-Саянской складчатой области по данным землетрясений, промвзрывов и мощных вибрационных источников // Сейсмические исследования земной коры. Сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 90-летию академика H.H. Пузырева 22-25 ноября 2004 г. Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2004. - С. 401-404.

8. Лисейкин A.B., Соловьев В.М. Глубинное строение очаговой зоны Чуйского (Горный Алтай) землетрясения по данным от афтершоков // Активный геофизический мониторинг литосферы земли: Материалы 2-го международного симпозиума 12-16 сентября 2005 г. Новосибирск: Изд-во СО РАН.-2005.-С. 308-312.

9. Лисейкин A.B., Соловьев В.М. Сейсмотомографическая модель очаговой зоны Чуйского землетрясения (Горный Алтай) // Геология и геофизика. - 2005. - Т.46. - № 10. - С. 1073-1082.

10. Лисейкин A.B., Соловьев В.М. Некоторые аспекты сейсмологического мониторинга в эпицентралыюй зоне Чуйскош землетрясения (Горный Алтай) // Геоэкология Алтае-Саянской горной страны. Ежегодный Международный сборник статей. Вып.4. Горно-Алтайск: РИО ГАГУ. - 2006. - С. 80-89.

11. Лисейкин A.B. Использование площадных сейсмологических систем наблюдений и методов сейсмической томографии для изучения глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области // «Трофимуковскис чтения - 2007», Материалы научной конференции молодых ученых, аспирантов, студентов. Новосибирск, 8-14 октября 2007 г. - НГУ: Новосибирск. - 2007. - С. 246-249.

_Технический редактор О.М.Вараксииа_

Подписано в печать 01.06.2009 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ. л. 0,9. Тираж 130. Зак. № 22_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, 630090, Новосибирск, проспект Ак. Коптюга, 3

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Лисейкин, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ

АЛТАЕ-САЯЙСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Методы исследований и сведения о строении литосферы Аятае-Саянской области по сейсмическим данным.

1.2. Методические основы обработки сейсмических данных.

1.2.1. Интерпретации данных площадных наблюдений преломленных волн.

1.2.2. Сейсмическая томография на временных задержках.

Глава 2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

ПЛОЩАДНЫХ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ.

2.1. Методика интерпретации данных региональной сейсмологической сети Алтае-Саянской области.

2.1.1. Изучение поверхности Мохоровичича по данным преломленных Рп- и 8п-волн.

2.2.2. Построение скоростной модели верхней коры по градиентам поверхностных годографов прямых Pg- и Sg-вoлн.

2.3. Определение сейсмического строения очаговой зоны

Чуйского землетрясения по данным локальной сети.

Глава 3. СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ПОВЕРХНОСТИ МАНТИИ В

АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ.

3.1. Строение поверхности Мохоровичича и верхней коры по данным региональной сети наблюдений.

3.2. Деформационно-прочностное районирование верхней части земной коры.

3.3. Распределение скоростей Р- и 8-волн в верхней коре эпицентральной зоны Чуйского землетрясения.

3.4. Сравнительная оценка достоверности полученных результатов

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Сейсмотомографическая модель глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области по данным площадных сейсмологических наблюдений"

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. 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.

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, Бп) волн от землетрясений и установить особенности изменения скоростей в верхней коре, граничных скоростей и глубин до поверхности Мохоровичича.

Этапы исследования.

1. 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 Рд- и Sg-вoлн от землетрясений.

2. 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.

3. Определить рельеф поверхности Мохоровичича и изменения граничных скоростей по данным Рл- и Sn-волн, зарегистрированных региональной сетью сейсмологических станций, используя методику интерпретации площадных наблюдений преломленных волн.

4. 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 C.B. 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 A.C. Алексеева,

М.М. Лаврентьева, В.Г. Романова и др. Аналогичный подход независимо широко развивался за рубежом в известных работах К. Аки, А.М. 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 1984-2003гг. (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.

Защшцаемые научные результаты.

1. Разработана и применена методика сейсмической томографии на градиентах поверхностного годографа для определения скоростного строения верхней коры по данным времен вступлений Pg- и Sg-вoлн от землетрясений, зарегистрированных на площадной сети станций.

2. 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.

3. По сейсмологическим данным построены карты рельефа поверхности Мохоровичича и граничных скоростей Р- и 8-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 северозападном направлении область его афтершоков.

Новизна работы. Личный вклад.

1. 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.

2. С использованием разработанной методики построены карты изменения скоростей продольных и поперечных волн, упругих модулей и коэффициента Пуассона для верхней коры мало изученной центральной части Алтае-Саянской складчатой области на площади около 250 тыс. км2.

3. Применена методика интерпретации площадных наблюдений преломленных Рп- и Бп-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.

4. 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 Бп-волн устанавливаются рельеф поверхности Мохоровичича и значения граничных скоростей продольных и поперечных волн. Результаты обработки Pg- и Sg-вoлн 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 международном совещании «The 14th Geophysical Congress and Exhibition of Turkey» (Ankara, 2001г.); на международном совещании «The 27th Genera Assembly of the European Geophysical Society» (Nice, France, 2002г.); на международной геофизической конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003г.); на международном совещании «The Ist International Workshop on Earthquake Prediction» (Athens, Greece, 2003г.); на научно-практической конференции «Алтайское (Чуйское) землетрясение: прогнозы, характеристики, последствия» (Горно-Алтайск, 2004г.); на международном совещании «The Ist International Workshop on Active Monitoring in the Solid Earth Geophysics» (Mizimami, Japan, 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.).

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 PK»), 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.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Лисейкин, Алексей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенные в диссертации подходы к определению сейсмической модели глубинного строения выгодно отличаются от известных и имеют ряд преимуществ. Во-первых, в исследовании используется совокупность экспериментальных данных, полученных самыми современными методами и аппаратурой. Во-вторых, в результатах исследования содержится информация о сейсмическом строении малоизученной центральной части Алтае-Саянской складчатой области. В-третьих, разработанная методика основана на современных методах, таких как сейсмическая томография и методика интерпретации данных площадных наблюдений преломленных волн, которые позволяют получать достоверную и относительно малозатратную информацию о глубинном строении по сравнению с такими методами, как ГСЗ. В-четвертых, заложенные в примененной методике интерпретации принципы использования производных поверхностного годографа, не зависящих от абсолютного времени пробега сейсмических волн, позволяют избавиться от основной части ошибок, свойственных сейсмологическим системам наблюдений, а именно погрешностей определения времени возникновения очага землетрясения. И, наконец, разработанная методика была протестирована на ряде примеров обработки результатов решения прямой задачи, при которых была определена точность и детальность определения параметров сейсмических моделей глубинного строения Алтае-Саянской складчатой области. Достоверность полученных в настоящей работе результатов проверена при сравнительном анализе, как с данными предшествующих исследований, так и с результатами использования других подходов и экспериментальных материалов.

Известная трудность применении прямых томографических подходов для обработки данных редкой сейсмологической сети станций заключается в необходимости использования абсолютных времен пробега, которые определяются с большой погрешностью из-за ошибок определения координат гипоцентров и времени в очаге землетрясений. Поэтому в исследовании разработан новый способ определения входных данных для метода сейсмической томографии, основанный на использовании градиентов поверхностных годографов прямых Р- и Э-волн. При этом входными данными для томографических построений служат отрезки сейсмических лучей с относительным временем пробега, не зависящим от времени возникновения очагов землетрясений, что также позволяет существенно сократить влияние названных погрешностей.

Для выяснения особенностей строения земной коры неизученных ранее южного и юго-восточного флангов Алтае-Саянской складчатой области по временам вступлений прямых Pg- и Sg-вoлн от землетрясений разработан подход, основой которого является использование годографов разности времен пробега продольных и поперечных волн, приведенных к пункту приема: при таком способе удается извлечь информацию с участков, не занятых сейсмическими станциями, а также исключить погрешности, связанные с неточным определением времен в очагах землетрясений. Получаемый в результате обработки параметр зависит от скорости продольных и поперечных волн и содержит в себе информацию об особенностях сейсмического строения сейсмоактивного слоя земной коры Алтае-Саянской складчатой области.

При определении сейсмического строения верхней коры эпицентр альной зоны крупного Чуйского землетрясения 2003г. применялась методика сейсмической томографии на временных задержках. Построенная трехмерная сейсмическая модель по данным от афтершоков, зарегистрированных на локальной сети, позволила охарактеризовать особенности строения земной коры в области очага сильного землетрясения.

В рамках исследования разработан подход к пассивному сейсмологическому мониторингу сейсмоактивных областей на примере эпицентральной зоны Чуйского землетрясения, который заключается в построении рядов относительных изменений значений кажущейся скорости и отношения времен Тй/Тр, не зависящих от времени возникновения очага, при котором снимается значительная часть погрешностей в сейсмологических данных.

Несомненно, исследования по определению глубинного сейсмического строения Алтае-Саянской складчатой области должны быть продолжены. Во-первых, это касается увеличения площади исследований: до настоящего времени остаются неосвещенными обширные территории, расположенные на юге области. Во-вторых, отсутствует информация о скоростном строении средней и нижней части земной коры практически всей территории Алтае-Саянской складчатой области.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Лисейкин, Алексей Владимирович, Новосибирск

1. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология: Теория и методы. Т.2. - М: Мир. - 1983. - 360с.

2. Алексеев A.C., Лаврентьев М.М., Мухометов Р.Г. и др. Численный метод определения структуры верхней мантии Земли// Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. - 1971. - Вып.2. -С.143-165.

3. Алексеев A.C., Лаврентьев М.М., Мухометов Р.Г., Романов В.Г. Численный метод решения трехмерной обратной задачи сейсмики // Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР. -1969. -Вып.1,- С. 179-202.

4. Белоусов В.В., Павленкова Н.И., Егоркин A.B. Глубинное строение территории СССР. М.: Наука. - 1991, 224с.

5. Бушенкова H.A., Тычков С.А., Кулаков И.Ю. Исследование структуры верхней мантии Центральной Сибири и прилегающих районов на РР-Р волнах // Геология и геофизика. 2003. - Т.44. - №5. с.474-490.

6. Гайский В.H., Жалковский Н.Д. Распределение очагов землетрясений разной величины в пространстве и во времени. // Физика земли. №2. - 1972. -С. 13-23.

7. Глубинные сейсмические исследования в Западной Сибири // Труды ИГиГ СО АН СССР. М.: Наука. - 1970. - № 93. - 124с.

8. Гольдин C.B. Принципы мониторинга сейсмоактивных областей. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли: материалы 2-го международного симпозиума 12-16 сент. 2005г. Академгородок, Новосибирск. Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2005. - С.9-11.

9. Гольдин C.B., Кучай O.A. Сейсмотектонические деформации Алтае-Саянской сейсмоактивной области и элементы коллизионно-блочной геодинамики // Геология и геофизика. 2007. - Т.48. - №7. - С.692-723.

10. Гольдин C.B., Селезнев B.C., Еманов А.Ф. и др. Чуйское землетрясение и его афтершоки // Докл. РАН. 2004. - Т.395. - №4. - С. 1-4.

11. Данциг Л.Г., Дергачев A.A., Иващенко А.И. Опыт применения методики точечных зондирований при обработке сейсмических материалов по Алтае-Саянской области // В кн.: Методика сейсморазведки. М.: Наука. — 1965.

12. Дергачев A.A., Крылов C.B. К использованию упругих волн промышленных взрывов при глубинных сейсмических исследованиях. // Геология и геофизика. 1968. - №11. - С.87-94.

13. Дергачев A.A., Филина А.Г. Каталог сейсмических событий в районе Саяно-Шушенской ГЭС за 1990-1995 гг. // Новосибирск: Изд-во СО РАН.1997, 49с.

14. Детальные сейсмические исследования литосферы на Р- и S-волнах / C.B. Крылов, Б.П. Мишенькин, З.Р. Мишенькина и др. Новосибирск: Наука. -1993, 199с.

15. Дучков А.Д. Каталог данных по тепловому потоку Сибири (19661984гг.) //Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР. 1985, 82с.

16. Дучков А.Д., Лысак C.B., Балобаев В.Т. и др. Тепловое поле недр Сибири. // Новосибирск: Наука. 1987, 196с.

17. Дучков А.Д., Соколова Л.С., Лебедев В.И., Новиков Г.Н., Растворов В.И., Фризен Л.Ф. Новые данные о тепловом потоке Западной Сибири // Геология и геофизика. 1989. - №1. - С. 140-144.

18. Егоркин A.B., Данилова Т.И., Рыбалов М.Б. Методика выделения обменных волн // Геология и геофизика. 1979. - № 10. - С. 107-119.

19. Еманов A.A., Вальдхаузер Ф., Лескова Е.В. Применение метода двойных разностей для уточнения координат сейсмических событий // Проблемы сейсмологии HI-го тысячелетия: Материалы междунар. геофиз. конф., г.Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2003. - С.161-168.

20. Еманов A.A., Лескова E.B. Структурные особенности афтершокового процесса Чуйского (Горный Алтай) землетрясения // Геология и геофизика. — 2005. Т.46. - №10. - С. 1065-1072.

21. Жалковский Н.Д., Кучай O.A., Мучная В.И. Сейсмичность и некоторые характеристики напряженного состояния земной коры Алтае-Саянской области // Геология и геофизика. 1995. - т.36. - №10. - С.20-30.

22. Зятъкова JI.K. Структурная геоморфология Алтае-Саянской горной области. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1977. -215с.

23. Кабанник A.B. Сейсмическая томография афтершоковой зоны Чуйского землетрясения // Междунар. науч. конф. посвящ. 90-летию акад. Н. Н. Пузырева: Сб. докл. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. - С. 450-456.

24. Крылов C.B. Пространственные системы точечных сейсмических наблюдений. // Геология и геофизика. 1968. -№2. - С.78-85.

25. Крылов C.B., Дучков А.Д. Глубинное деформационно-прочностное районирование земной коры (на примере Алтае-Саянской и Байкальской сейсмических областей) // Геология и геофизика. 1996. - Т.37. — №9. - С.56-65.

26. Крылов C.B., Крылова A.JI. Телесейсмическое просвечивание мантии Земли в Байкальском регионе. // Геофизические методы в региональной геологии. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е.- 1982.-С.35-49.

27. Крылов C.B., Мандельбаум М.М., Мишенькин Б.П. и др. Недра Байкала (по сейсмическим данным). Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1981, 108с.

28. Крылов C.B., Мишенькина З.Р., Тен E.H. и др. Сейсмическая томография очаговой зоны Муйского землетрясения 1957г. (Байкальский прогностический полигон) // Геология и геофизика. — 1992. № 4. - С. 114-122.

29. Крылов C.B., Суворов В.Д., Селезнев B.C. О картировании граничной скорости при совместном использовании преломленных и отраженных волн. // Геология и геофизика. 1983. -№1. - С.90-95.

30. Крылов C.B., Сурков B.C., Мишенышна З.Р. Строение земной коры в южной части Западно-Сибирской низменности // Геол. и геофиз. — 1965. — № 1. С. 62-72.

31. Кулаков И.Ю. Структура верхней мантии под южной Сибирью и Монголией по данным региональной сейсмотомографии // Геология и геофизика. 2008. - т.49. - № 3. - С.244-257.

32. Кулаков И.Ю. Трехмерные сейсмические неоднородности под Байкальским регионом по данным локальной и телесейсмической томографии. // Геология и геофизика. 1999. - Т.40. - С.317-331.

33. Кулаков И.Ю., Тычков С.А., Бушенкова H.A., Василевский А.Н. Структура и динамика верхней матггии Алышйско-Гималайского складчатого пояса по данным сейсмической томографии // Геол. и геофиз. 2003. - Т. 44. -№ 6. - С. 566-586.

34. Геологии. Подсекция Геофизики. Выпуск III. НГУ: Новосибирск. 2003. -С.32-43.

35. Кунгурцев Л.В., Берзин H.A., Казанский А.Ю., Метелкин Д.В. Тектоническая эволюция структуры юго-западного обрамления сибирской платформы в венде-кембрии по палеомагнитным данным // Геология и геофизика. 2001. - Т. 42. - № 7. - С. 1042-1051.

36. Лисейкин A.B., Соловьев В.М. Сейсмотомографическая модель очаговой зоны Чуйского землетрясения (Горный Алтай) // Геология и геофизика. 2005. - т.46. - № 10. - С. 1073-1082.

37. Методика и аппаратура для региональных сейсмических исследований в труднодоступной местности и их применение в Сибири // Труды ИГиГ СО АН СССР. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. - 1978. - № 389. - 205с.

38. Нерсесов И.Л., Семенов А.Н., Симбирива И.Г. Пространственно-временное распределение отношений времен пробега поперечных и продольных волн в Гармском районе. // Экспериментальная сейсмология. М.: Наука. - 1979. - С. 334-345.

39. Новиков И.С. Кайнозойская сдвиговая структура Алтая // Геология и геофизика. 2001. - Т.42. - № 9. - С. 1377-1388.

40. Померанцева И.В., Мозженко А.Н. Сейсмические исследования с аппаратурой "Земля" // М.: Недра. 1977, 243с.

41. Сейсмическая сотрясаемость территории СССР (под ред. Ю.В. Ризниченко) // М.: Наука. 1979, 182с.

42. Сейсмическая томография с приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике / Под редакцией Г. Нолета. М.: Мир. - 1990, 416с.

43. Селезнев B.C. К интерпретации временных полей преломленных волн в случае многослойных сред // Геология и геофизика. 1977. - №4. - С. 93105.

44. Селезнев B.C., Соловьев В.М., Жемчугова И.В. Использование площадных систем наблюдений преломленных волн при глубинном сейсмическом зондировании // Геология и геофизика. 1991. - №11. - С.128-142.

45. Соловьев В.М., Селезнев B.C., Еманов А.Ф. Результаты глубинных вибросейсмических исследований в Сибири. // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий: Матер, межд. геоф. конф. 27-29 сентября 2000г. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2000. - С.228-232.

46. Сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 90-летию академика Н.Н. Пузырева 22-25 ноября 2004г. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2004. -С.401-404.

47. Солодилов JI.H. Центр «Геон» 25 лет глубинных сейсмических исследований. // Разведка и охрана недр. - 1994. - №10. - С.2-8.

48. Суворов В.Д. Глубинные сейсмические исследования в Якутской кимберлитовой провинции// Новосибирск: Наука. — 1993, 136с.

49. Тектоника и глубинное строение Алтае-Саянской складчатой области: Труды Сиб. науч.-исслед. ин-та геол., геофиз. и мин. сырья, вып. 152. // Под ред. Э.Э. Фотиади и B.C. Суркова. М.: Недра. - 1973. - 144с.

50. Тектоническая карта СССР. Масштаб 1:1000000. // Ред. Спижарский Т.Н. М.: Аэрогеология. - 1981.

51. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Дучков А.Д., Запреева Е.А., Кале Э. Сеть измерений в западной части Алтае-Саянской области // Геология и геофизика. 2003. - Т.44. -№11.- С. 1208-1215.

52. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Кале Э., Дучков А.Д., Запреева Е.А., Казанцев С.А., Русбек Ф., Брюникс К. Поля и модели смещений земной поверхности горного Алтая // Геология и геофизика. — 2006. — т. 47. — № 8. — С. 923-937.

53. Цибульчик Г.М. О годографах сейсмических волн и строении земной коры Алтае-Саянской области. // Региональные геофизические исследования в Сибири. Новосибирск: Наука. - 1967. - С. 159-169.

54. Цибульчик И.Д. О глубинах очагов землетрясений Алтае-Саянской области. // Геология и геофизика. 1966. - №5. - С. 170-173.

55. Яковлев А.В., Кулаков И.Ю., Тычков С. А. Глубина Мохо и трехмерная структура сейсмических аномалий земной коры и верхов мантии в Байкальском регионе по данным локальной томографии. // Геология и геофизика. 2007. - т.48. - №2. - С.261-282.

56. Яновская Т.Б., Гобаренко B.C. Исследования горизонтальных неоднородностей строения верхней мантии в Алтае-Саянской зоне. // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1983. - №4. - С.21-35.

57. Aki К., Christoffersson A., Husebye E.S. Determination of three-dimensional seismic structure of the lithosphere // J. Geophys. Res. 1977. - V.82, N 2. - P. 277-296.

58. Al-Lazki, A. I., Sandvol, E., Seber, D., Barazangi, M., Turkelli, N., and Mohamad, R., 2004. Pn tomographic imaging of mantle lid velocity and anisotropy at the junction of the Arabian, Eurasian, and African plates, Geophys. J. Int., 158, 1024-1040.

59. Bushenkova N., Tychkov S., and Koulakov I. Tomography on PP-P waves and its application for investigation of the upper mantle in central Siberia // Tectonophysics, 358, 57-76, 2002.

60. Dziewonski A.M., Hager B.H., O'Colonel R.J. Largescale heterogeneities in the lower mantle // J. Geophys. Res. 1977. - V.82. - P. 239-255.

61. Geiger L. Probability method for the determination of earthquake epicenters from the arrival time only // Bulletin St. Louis University. 1912. - V.8. - P.60-71.

62. Hearn, T. M„ S. Wang, J. F. Ni, Z. Xu, Y. Yu, and X. Zhang, Uppermost mantle velocities beneath China and surrounding regions // J. Geophys. Res., 2004, v. 109, B11301, doi:10.1029/2003JB002874.

63. Hearn, T. M., Uppermost mantle velocities and anisotropy beneath Europe // J. Geophys. Res., 1999, v,104(B7), p. 15,123-15,140.

64. Kind R., Kosarev G.L., Petersen N.V. Receiver functions at the stations of the German Regional Seismic Network (GRSN) // Geophis. J. International. 1995. - V.121. - P.191-202.

65. Kissling E. Geotomography with local earthquake data // Rev. Geophysics. -1988.-Vol.26.-P. 659-698.

66. Kissling, E., W. L. Ellsworth, D. Eberhart-Phillips, and U. Kradolfer (1994), Initial reference models in local earthquake tomography // J. Geophys. Res. -99(B10).-P. 19635-19646.

67. Klein, F.W. Hypocenter location program HYPOINVERSE // U.S. Geological Survey Open-File Report 78-694. 1978, 113pp.

68. Koulakov I., Tychkov S., Bushenkova N. and Vasilevskiy A. Structure and dynamics of the upper mantle beneath the Alpine-Himalayan orogenic belt from teleseismic tomography // Tectonophysics, 358, 77-96, 2002.

69. Koulakov I.U. LOTOS code for local earthquake tomographic inversion: benchmarks for testing tomographic algoritms // Bulletin of seismological society of America. Vol. 99. - No. 1. - Feb. 2009.

70. Koulakov I.U., Bohm M., Asch G. and others. P and S velocity structure of the crust and the upper mantle beneath central Java from local tomography inversion, J. Geophys. Res., 112, B08310, doi:10.1029/2006JB004712.

71. Lahr, J.C. HYPOELLIPSE/MULTICS: A computer program for determing local earthquake hypocentral parameters, magnitude, and first motion pattern // U.S. Geological Survey Open-File Report 80-59. 1980, 59pp.

72. Thurber, C. H., Hypocenter-velocity structure coupling in local earthquake tomography//Phys. Earth Planet. Int. 1992.-75, p.55-62.

73. Vinnik L. P. Detection of waves converted from P to SV in the mantle // Phys. Earth Planet. Inter. 1977. - V.15. - p.39-45.

74. Waldhauser, F., and W. L. Ellsworth, Fault structure and mechanics of the Hayward Fault, California, from double-difference earthquake locations // J. Geophys. Res. 107. - ESE 3-1-3-15. - 2002.

75. Waldhauser, F., and W. L. Ellsworth. A double-difference earthquake location algorithm: Method and application to the Northern Hayward Fault, California // Bull. Seism. Soc. Am. 2000. - 90. - P.1353-1368.