Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Строение коры Черноморского бассейна по данным поверхностных волн

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кизима, Елена Сергеевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Геолого-геофизические сведения о строении

Черного моря.

1.2. Методы решения двумерной томографической задачи.

1.3. Оценка разрешения.

1.4. Общая постановка одномерной обратной задачи сейсмологии о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Результаты решения двумерной томографической задачи для волн Релея и Лява.

2.1. Исходные данные.

2.2. Оценка разрешения.«

2.3. Распределения групповых скоростей волн

Релея и Лява.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Результаты решения одномерной обратной задачи о восстановлении скоростного разреза по дисперсионным кривым волн Релея и Лява.

3.1. Алгоритм решения обратной задачи.

3.2. Структура коры.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Латеральные вариации фазовой скорости поверхностных волн в Черноморском бассейне по данным азимутальных аномалий.

4.1. Использование азимутальных аномалий в поверхностно-волновой томографии«.

4.2. Методика оценки фазовых скоростей по данным азимутальных аномалий.

4.3. Методика определения азимутальных аномалий из наблюдений.

4.4. Латеральные вариации фазовой скорости в бассейне Черного моря по данным азимутальных аномалий.

Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Строение коры Черноморского бассейна по данным поверхностных волн"

Актуальность проблемы

Знание строения земной коры в различных регионах земного шара дает возможность воссоздать картину формирования и эволюции коры, являющуюся основой геодинамических гипотез. Это важно как для развития общей концепции глобальной тектоники и понимания причин и характера современных тектонических движений, так и для прогноза распределения полезных ископаемых. И хотя региональные исследования строения коры проводятся уже более полувека, отдельные регионы остаются еще весьма слабо изученными. К таким регионам относятся, в частности, области внутренних морей, где затруднены исследования по методу ГСЗ. В то же время строение коры в таких областях существенно отличается от строения окружающих континентов, а определение этих различий позволяет судить о формировании водных бассейнов и дает возможность объяснить современные тектонические движения. Наиболее яркими примерами являются Средиземноморский бассейн, обрамляющий с юга европейскую часть Альпийско-Гималайского тектонического пояса, и примыкающий к нему с севера бассейн Черного моря. До сих пор не существует единой концепции относительно механизма и времени образования Черноморской впадины. В значительной степени это объясняется недостатком данных о строении коры и верхней мантии в этом регионе, несмотря на исследования ГСЗ, проводившиеся в СССР в 60-80х годах по отдельным профилям в Черном море.

В настоящее время наиболее перспективным и экономичным сейсмическим методом исследования земной коры представляется томографическая реконструкция по данным поверхностных волн. Этот метод дает возможность воссоздать целостную картину строения региона, необходимую для геодинамических построений. Поэтому является актуальным определение структуры коры в зоне

Черноморской впадины и прилегающих к ней областей по данным поверхностных волн.

Цель и задачи работы

Цель работы заключалась в восстановлении трехмерной структуры коры в бассейне Черного моря по данным поверхностных волн на основе единой методики и включала в себя решение следующих задач:

1) Построение карт латерального распределения групповых скоростей волн Релея и Лява по полученным из наблюдений данным о средних скоростях на трассах, пересекающих исследуемый регион;

2) Построение вертикальных скоростных разрезов поперечных волн по локально-сглаженным дисперсионным кривым поверхностных волн, полученных в результате решения двумерной томографической задачи, и оценку различия скоростей ЭУ и ЭН;

3) Определение горизонтальных вариаций фазовой скорости волн Лява по данным азимутальных аномалий.

Исходный материал

В качестве исходных данных были использованы дисперсионные кривые групповых скоростей волн Релея и Лява в диапазоне периодов 10-20 с, полученные с помощью спектрально-временного анализа по записям сейсмических станций Сочи, Анапа, Симферополь, Севастополь, Одесса от землетрясений в Малой Азии, Восточном Средиземноморье, на Балканах и Кавказе, а также азимутальные аномалии волн Лява, измеренные на этих станциях.

Научная новизна

Получены достаточно детальные латеральные распределения групповых скоростей поверхностных волн для периодов 10-20 с в районе, охватывающем полностью бассейн Черного моря и окружающие области. На основании этих распределений сделаны выводы о латеральных неоднородностях строения земной коры в этом районе. Построены вертикальные скоростные разрезы поперечных волн до глубины порядка 30 км, и выявлено различие скоростей SV и SH. Обнаружено, что в области западной впадины в осадочном и гранитном слоях скорости поперечных волн примерно одинаковы, причем значения скоростей оказываются промежуточными между скоростями в осадках и в граните. По данным азимутальных аномалий поверхностных волн получено распределение фазовой скорости волн Лява для данного региона.

Практическая значимость

1) Разработаны алгоритм и программы для IBM PC для решения одномерной обратной задачи о восстановлении вертикального скоростного разреза поперечных волн по дисперсионным кривым групповых скоростей волн Лява и Ре лея.

2) На базе прикладного пакета для обработки сейсмических данных SAC создана программа для определения азимутальных аномалий поверхностных волн из наблюдений.

3) Выявленные аномалии скоростей поверхностных волн и полученные сведения о строении коры в Черноморском бассейне могут быть использованы при построении геодинамических концепций и гипотез об эволюции земной коры в данном регионе.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 1-й и 2-й Международных конференциях "Проблемы геокосмоса" (Санкт-Петербург, 1996, 1998), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Геофизика-9 7" (Петродворец, 199Т), 29-й Генеральной Ассамблее IASPEI (Салоники, 1997), Международной геофизической конференции и выставке SEG-97 (Москва, 1997), 26-й Генеральной Ассамблее Европейской сейсмологической комиссии (Тель-Авив, 1998). По теме работы опубликованы 2 статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации — 95 страниц машинописного текста, в том числе 21 рисунок и пять приложений на 13 страницах. Список литературы включает 54 наименования на русском и английском языках.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика", Кизима, Елена Сергеевна

Основные результаты работы состоят в следующем:

1) В результате решения двумерной томографической задачи для поверхностных волн по данным о средних групповых скоростях на трассах, пересекающих исследуемую область, получены распределения сглаженных значений скоростей волн Релея и Лява в интервале периодов 10-20 с. Эти распределения характеризуются следующими особенностями:

• выделяются две зоны пониженной скорости (в особенности для волн Релея), приуроченные к областям западной и восточной впадин Черного моря, где по данным ГСЗ сосредоточена большая мощность осадков;

• зона пониженной скорости простирается до Эгейского моря, четко выраженная также для волн Релея;

• максимальными скоростями характеризуется область поднятия Андрусова, в особенности на периоде 20 с;

2) В каждой точке исследуемой области, где рассчитывались сглаженные значения скорости, вычислялись параметры эквивалентных областей сглаживания эллипсоидальной формы (Апах'Ашп и азимут большой оси эллипса), а также средний размер области сглаживания Ь = (£тах +ЬтЬ)/2. В центральной части Черного моря средний радиус Л = Ы 2 области сглаживания составил 100-200 км, увеличиваясь на краях области. В целом, разрешение оказывается выше в восточной части бассейна по сравнению с западной.

3) По локально-сглаженным дисперсионным кривым групповых скоростей волн Релея и Лява построены вертикальные скоростные разрезы волн БУ и ЭН вдоль широтного профиля ф°=43Ы, пересекающего Черное море, меридионального профиля А,=31°Е с шагом 1° по широте или долготе и для отдельных точек вдоль профиля А,=38°Е с шагом 1°. На основании полученных разрезов можно сделать следующие выводы о строении коры в данном регионе:

• Кора в районе моря содержит низкоскоростной осадочный слой толщиной 2-3 км, расположенный в западной и восточной впадинах. Под слоем водонасыщенных осадков находятся два слоя со скоростями промежуточными между скоростями в граните и консолидированных осадках. Значения скоростей в этих слоях оказываются значительно ниже во впадинах;

• По данным для меридионального профиля Х=31°Е обнаружено, что в области западной впадины в осадочном и гранитном слоях скорости поперечных волн примерно одинаковы, что, вероятно, является следствием факта отсутствия гранитного слоя в Черном море, как было обнаружено ранее по результатам ГСЗ;

• Кора в районе моря обладает анизотропными свойствами. Среднее значение коэффициента анизотропии % в верхних слоях (консолидированные осадки, гранит) находится в пределах 0.54.5%, доходя до 12% в базальтовом слое. В верхнем осадочном слое Ут<Узу, что может быть связано с типом строения среды, отличным от квази-анизотропного. Проявление анизотропии в базальтовом слое согласуется с даннымц других наблюдений для океанической коры.

4) С помощью поляризационного анализа были получены азимутальные аномалии волн Лява на станциях северного побережья Черного моря, которые оказываются достаточно большими (до 35°). По этим данным оценены горизонтальные вариации фазовой скорости волн Лява для периодов 12.5 и 17.5 с. Полученное распределение скорости находится в хорошем соответствии с тектоническими особенностями строения Черноморского бассейна: подтверждается наличие двух низкоскоростных зон в областях западной и восточной впадин.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На защиту выносятся следующие положения:

1) Кора в районе Черного моря характеризуется наличием низкоскоростного слоя водонасыщенных осадков толщиной 2-3 км, расположенного в западной и восточной впадинах.

2) В области западной впадины скорости поперечных волн в осадочном и гранитном слоях оказываются примерно одинаковыми, причем абсолютные значения скоростей являются промежуточными между скоростями в граните и консолидированных осадках. Этот результат может служить частичным подтверждением вывода об отсутствии гранитного слоя в Черноморском бассейне, полученного на основании результатов ГСЗ.

3) Кора в Черном море обладает эффективными параметрами анизотропии. Среднее значение коэффициента анизотропии % в верхних слоях (консолидированные осадки, гранит) находится в пределах 0.5-4.5%, доходя до 12% в базальтовом слое. В слое консолидированных осадков УЗН<У8У, что не может являться следствием квази-анизотропии, а объясняется какими-то другими причинами. Проявление анизотропии в базальтовом слое согласуется с данными других наблюдений для океанической коры.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Кизима, Елена Сергеевна, Санкт-Петербург

1. Буланже Ю.Д., Муратов М.В., Субботин С.И., Баловадзе В.К. Земная кора и история эволюции Черноморской впадины. — М.: Наука, 1975. — 385 с.

2. Геология и гидрология западной части Черного моря. — София: Изд-во Болгарской Академии наук, 1979. — 292 стр.

3. Гобаренко B.C., Николова С.Б., Яновская Т.Б. Строение верхней мантии Юго-Восточной Европы, Малой Азии и Восточного Средиземноморья по данным о невязкам времен пробега Р-волн// АН СССР. Физика Земли. 1986. № 8. С. 15-23.

4. Дитмар П.Г., Яновская Т.Б. Обобщение метода Бэйкуса-Гильберта для оценки горизонтальных вариаций скорости поверхностных волн// Изв. АН СССР. Физика Земли. 1987. № 6. С.30-40.

5. Коган Л.И., Маловицкий Я.П., Москаленко В.Н., Шимкус K.M. Новые данные о структуре осадочной толщи дна Черного моря южнее Крыма// ДАН СССР. 1977. Т. 233. № 3. С.450-452.

6. Кушнир А.Ф., Левшин А.Л., Локштанов Д>Е. Определение скоростного разреза по спектрам поверхностных волн методами нелинейной оптимизации// Проблемы сейсмологической информатики. М.: Наука, 1988. С. 137-152. (Вычисл. сейсмология; Вып. 21).

7. Ландер A.B., Левшин А.Л., Писаренко В.Ф. и др. О спектрально-временном анализе колебаний// Вычислительные и статистическиеметоды интерпретации сейсмических данных. М.: Наука, 1973. С. 236-249. (Вычислительная сейсмология. Вып. 6).

8. Левшин A.JI. Поверхностные и каналовые сейсмические волны. — М.: Наука, 1973. — 176 с.

9. Маловицкий Я.П., Непрочное Ю.П. Сопоставление сейсмических и гравиметрических данных о строении земной коры Черноморской впадины. С.5-16. В кн.: Строение Черноморской впадины. — М.: Наука, 1966.

10. Милановский Е.Е. Проблема происхождения Черноморской впадины и ее место в структуре Альпийского пояса// Вестник МГУ, геол. сер. 1967. № 1. С.27-43.

11. Миндели П.Ш., Непрочное Ю.П., Патарая Е.И. Определение отсутствия "гранитного слоя" в Черноморской впадине по данным ГСЗ и сейсмологии// Изв. АН СССР, геол. сер. 1965. № 2. С.7-15.

12. Муратов М.В. История Черноморской впадины// Геотектоника. 1972. Т. 5. С.22-41.

13. Поверхностные сейсмические волны в горизонтально-неоднородной Земле/ А.Л. Левшин, Т.Б. Яновская, A.B. Ландер и др. — М.: Наука, 1987 —278 с.

14. Пузырев H.H., Оболенцева И.Р., Тригубов A.B., Горшкалев С.Б. Экспериментальные исследования анизотропии скоростей в осадочных отложениях по наблюдениям на поперечных волнах// Геология и геофизика. 1983. № 11. С.8-19.

15. Сейсморазведка. Справочник геофизика /Под ред. И.И.Гурвича, В.П.Номоконова. — М.: "Недра", 1981. — 464 с.

16. Смольянинова Е.И., Михайлов В. О., Ляховский В.А. Численное моделирование региональных и локальных полей напряжений в северной части Черного моря// Изв. РАН. Физика Земли. 1997. № 4. С.74-82.

17. Туголесов Д.А. Тектоника мезокайнозойских отложений Черноморской впадины. — М.: Наука, 1985. — 156 с.

18. Яновская Т.Б., Порохова Л.Н. Обратные задачи геофизики. — Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. — 212 с.

19. Яновская Т.Б, Николова С. Б. Распределение групповых скоростей поверхностных волн Релея и Лява в Юго-Восточной Европе и Малой Азии// Болгарская Академия наук. Болгарский геофизический журнал. 1984. Том X. № 4. С.83-92.

20. Яновская Т.Б. Метод определения латеральных вариаций скорости поверхностных волн по данным азимутальных аномалий // Изв. РАН. Физика Земли. 1995. № 3. С.68-73.

21. Яновская Т.Б. Методика лучевой томографии, основанной на использовании данных об азимутальных аномалиях поверхностных волн // Изв. РАН. Физика Земли. 1995. № 11. С. 74-81.

22. Яновская Т.Б. Проблемы сейсмической томографии// Проблемы геотомографии: Сб. научн. тр./ Объединенный институт физики земли им. О.Ю. Шмидта РАН — М.: Наука, 1997. С.86-98.

23. Яновская Т.Б. Оценка разрешения в задачах сейсмической лучевой томографии// Изв. РАН. Физика Земли. 1997. № 9. С. 7680.

24. Яновская Т.Б. Возможности использования азимутальных аномалий в поверхностно-волновой томографии// Вопросы геофизики. Вып. 35. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1998. — (Ученые записки СПбГУ; № 433). С. 15-24.

25. Яншин A.JI., Маловицкнй Я.П., Москаленко В.Н., Шимкус K.M., Шлезингер А.Е. Основные аспекты образования Черноморской впадины// ДАН СССР. 1977. Т. 229. 1. С. 178-181.

26. Adamia S.A., Lordkipanidze М.В., Zakariadze G.S. Evolution of an active continental margin as exemplified by the Alpine history of the Caucasus// Tectonophysics. 1977. Vol.40. P. 187-189.

27. Andrieux J., Semir over, Poisson A., Bellier O. The North Anatolian fault zone: distributed Neogen deformation in its northward convex part// Tectonophysics. 1995. Vol.243. P. 135-154.

28. Backus G., Gilbert F. The resolving power of gross Earth data// Geophys. J. Roy. Astron. Soc. Amer. 1968. Vol.16. P.169-205.

29. Backus G., Gilbert F. Constructing P-velocity models to fit restricted sets of travel-time data// Bull. Seismol. Soc. Amer. 1969. Vol.59. P. 1407-1420.

30. Beloussov V.V., Volovski B.S., Archirov I.V. Structure and evolution of the Earth's crust and upper mantle of the Black Sea// Boll. Geof. Teor. Appl. 1988. Vol.XXX. P.117-118.

31. Boccaletti M., Gocev P., Manetti P. Mesozoic zones in the Black Sea region// Boll. Soc. Geol. Ital. 1974. Vol.96. P.547-565.

32. Brinkmann R. Geologic relations between Black Sea and Anatolia/ Eds. C. Degens, D.A. Ross. The Black Sea Geology, Chemistry and Biology. Am. Ass. Petrol. Geol. Mem. 1974. Vol.20. P.63-76.

33. Bulletin of the international seismological centre. Newbury. England. 1973-1994.

34. Dercourt J., Zonenshain L.P., Ricou L. et. al. Geological evolution of the Tethys belt from the Atlantic to the Pamirs since the Lias/ Eds. J. Auboin X., X. Le Pichon. Evolution of the Tethys. Tectonophysics. 1986. Vol.123. P.241-315.

35. Dewey J.F., Pitman III W.C., Ryan W.B.F., Bonnin J. Plate tectonics and evolution of the Alpine System// Geol. Soc. Am. Bull. 1973. Vol.84. P.3137-3180.

36. Finetti I., Bricchi G., Del Ben A., Pipan M., Xuan Z. Geophysical study of the Black Sea// Boll. Geof. Teor. Appl. 1988. Vol.XXX. P.197-324.

37. Golmstok A. Ya., Zonnenshain L.P., Terekhov A.A. and Shainurov R. V. Age, thermal evolution and history of the Black Sea basin basedon heat flow and multichanneled reflection data// Tectonophysics. 1992. Vol.210. № 3-4. P.273-293.

38. Haskell N.A. The dispersion of surface waves on multilayered media// Bull. Seism. Soc. Amer. 1953. № 43. P. 17-34.

39. Humphreys E., Clayton R.W. Adaptation of back-projection tomography to seismic travel time problems // Ibid. 1988. Vol.93. P. 1073-1085.

40. Letousey J., Biji-Duval B., Dorkel A. et. al. The Black Sea: a marginal basin. Geophysical an geological data/ Eds. B. Biju-Duval, C. Montadert. Structural history of the Mediterranean basins. Ed. Technip. Paris. 1977. P.369-379.

41. Lyakhovitskiy F.M. Transverse isotropy of thinly layered media// Geophys. J. R. Astron. Soc. 1984. Vol.76. P.71-76.

42. Muyzert E., Paulssen H., Snieder R. A seismic cross section through the east European continent// Geoph. J. Int. 1999. Vol.136. P.695-704.

43. Nishimura C.L., Forsyth D.W. The anisotropic structure of the upper mantle in the Pacific// Geoph. J. Int. 1989. Vol.96. P.203-229.

44. Puzyrev N.N., Obolentseva I.R., Trigubov A.V., Gorshkalev S.B. On the anisoropy of sedimentary rocks from shear-wave analysis// Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1984. V.76. P.243-252.

45. Ritzwoller M.H., Levshin A.L. Eurasian surface wave tomography: group velocities// J. Geoph. Res. 1998. Vol.103. P.4839-4868.

46. Robertson A.H.F., Dixon I.E. Introduction. Aspect of the geological evolution of the Eastern Mediterranean/ Eds. I.E. Dixon, A.H.F. Robertson. The geological evolution of the Eastern Mediterranean. Geol. Soc. Spec. Publ. 1984. Vol.17. P.l-74.

47. Spakman W., Van der Lee S., Van der Hilst R. Travel time tomography of the European-Mediterranean mantle down to 1400 km // Phys. Earth and Planet. Inter. 1993. Vol.79. P.3-74.

48. Tarantola A., Valette B. Generalized nonlinear inverse problems solved using the least squares criterion// Reviews of Geophys. and Space Phys. 1982. Vol.20. № 2. P.219-232.

49. Tarantola A., Nersessian A. Three-dimensional inversion without blocks// Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1984. Vol.76. P.299-306.

50. United States Geological Survey bulletin. Denver, Coloroado. USA. 1967-1972.

51. Yanovskaya T.B., Ditmar P.G. Smoothness criteria in surface wave tomography // Geophys. J. Intern. 1990. Vol.102. P.63-72.

52. Zonenshain L.P., Le Pichon X. Deep basins of the Black Sea an Caspian Sea as remnants of Mesozoic back-arc basins/ Eds. J. Auboin, X. Le Pichon, A.S. Monin. Evolution of the Tethys. Tectonophysics. 1986. Vol. 123. P.181-211.

53. Значения групповых скоростей волн Лява для трасс, приведенных на рис. За.1. Координаты станций:

54. АЛА Ф= =44.900 с.ш. =37.300 в.д.

55. ЭОС Ф= =43.580 с.ш. х= =39.720 в.д.

56. ЭЕУ Ф= =44.542 с.ш. =33.685 в.д.вш Ф= =44.949 с.ш. х= =34.116 в.д.

57. ОБв Ф= =46.780 с.ш. =30.880 в.д.

58. Значения групповых скоростей волн Релея для трасс, приведенных на рис. 36.1. Координаты станций:

59. АЫА Ф= =44.900 с.ш. =37.300 в.д.вое Ф= =43.580 с.ш. я= =39.720 в.д.вЕУ Ф= =44.542 с.ш. Аг =33.685 в.д.в1М Ф= =44.949 с.ш. =34.116 в.д.

60. ОББ Ф= =46.780 с.ш. х= =30.880 в.д.