Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Строение коры и мантии под сейсмической станцией "Боровое"

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Строение коры и мантии под сейсмической станцией "Боровое""

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт динамики геосфер

. V

. I 4 На правах рукописи

ОРЕШИН Сергей Иванович

УДК 539.5 + 550.34.013

СТРОЕНИЕ КОРЫ И МАНТИИ ПОД СЕЙСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ „БОРОВОЕ"

Специальность 04.00.22 — Геофизика

Автор еф е р а т диссертации на соискание ученой степени > кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта Российской академии наук.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Л. П. Винник.

Официальные оппоненты: доктор физико-мате'матических наук О. К. Кедров, кандидат физико-математических наук П. Б. Каазик.

'Ведущая организация: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.

Защита диссертации состоится « ^ . 993 г.

¡и

в . ! I час. на заседании специализированного совета

К.002.08.04 в Институте физики Земли РАН по адресу: 123810, Москва, Б. Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики Земли.

Автореферат разослан << » октября £ 11993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук А. Завьялов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акхуальность.прдйлемы..

Существующие в настоящее время геодинамические модели Земли во многом определяются современными представлениями о мантии. Это объясняется тем. что мантия является наиболее динамически активной частью Земли,и большинство явлений тектоники обязано своим происхождением процессам, протекавшим в мантии.

Важнейшим структурным элементом мантии является переходная зона с характерными для нее основными сейсмическими границами на глубине 400 км и в интервале глубин от 600 до 700 км.

Современные геодинамические модели мантии отражают два разных представления о природе переходной зоны. Первое основано на представлении о переходной зоне как о совокупности фазовых переходов, связанных с основными сейсмическими границами, и соответствует пиролитовой модели мантии. Другое представление,реализованное в пироксеновой модели, связывает границу в интервале глубин 600-700 км с изменением химического состава. Вопрос о природе этой границы важен с точки зрения выявления современной динамики Земли. Наличие фазового перехода в интервале глубин 600-700 км предполагает конвекцию в недрах Земли в объемах верхней и нижней мантии. Если граница вызвана изменением химического состава вещества, то скачок плотности может являться препятсвием для перемещения вещества из верхней мантии в нижнюю. В этом случае конвективный процесс ограничен глубинами верхней мантии.

В настоящее время техника измерений позволяет исследовать свойства вещества при давлениях и температурах, характерных для переходной зоны. Однако изучение строения переходной зоны требуют также детальных и надежных сейсмических данных о переходной зоне мантии. Данная работа посвящена

- г -

сейсмологическому исследованию структуры переходной зоны мантии в районе Северного Казахстана. Актуальность работы обусловлена необходимостью получения новых надежных и детальных данных о строении переходной зоны мантии в различных районах Земного шара, поскольку данные подобного рода открывает путь к решению вопроса о природе основных границ в мантии и тем самым дают возможность полнее и точнее описать состав мантии, ее динамику, определяющую эволюцию Земли.

Одним из основных путей изучения динамики мантии является исследование сейсмической анизотропии. которая может вызываться деформациями, обусловленными мантийными течениями. Основным минералом верхней мантии является оливин, кристаллы которого обладают сильной анизотропией и ориентируются осями а в направл- тического течения. упорядоченная ориентация

множества кристаллов приводит к „„имутальной анизотропии верхней мантии.

До 70-х годов модели Земли строились в предположении ее изотропии. Наряду с предположением об идеальной упругости допущение изотропии является главным ограничением при изучении распространения сейсмических волн в реальных средах и построении моделей Земли.

Цельс_настоящей_дайо1у является получение данных о строении коры и переходной зоны мантии и данных об азимутальной анизотропии верхней мантии под районом расположения сейсмической станции "Боровое" в Северном Казахстане.

По продолжительности использования систем цифровой регистрации сейсмостанция "Боровое" яляется старейшей на территории бывшего СССР. К настоящему времени цифровой архив станции содержит богатейший сейсмологический материал. Открывшийся в последние годы доступ к архиву, дал возможность впервые решать структурные задачи на материале станции.

В соотвествии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи:

1. Определение скоростной структуры коры и переходной зоны мантии под станцией "Боровое" по наблюдениям за обменными волнами Рб.

*2. Измерение азимутальной анизотропии верхней мантии под станцией "Боровое" по наблюдениям за обменными волнами БКБ' и сходных фаз.

Традиционным методом исследования переходной зоны мантии является метод рефрагированных волн. Однако. низкая разрешающая способность по латерали и неопределенность, присущая процедуре обращения годографа, сильно огрэ- ччивают использование метода рефрагированных волн при исследовании тонкой структуры переходной зоны мантии. В данной работе использован метод, основанный на наблюдении обменных волн Рб в низкочастотном диапазоне. Применение низкочастотного диапазона позволяет уменьшить эффекты, связанные с рассеянием и дифракцией.

Азимутальная анизотропия верхней мантии исследуется посредством наблюдения за сейсмическими волнами различных типов. В данной работе использован метод, основанный на наблюдении за волнами и сходных фаз. В работе показаны преимущества метода перед другими методами, традиционно используемыми при изучении анизотропии верхней мантии. Существенной особенностью этого метода является применение низкочастотного диапазона волн БКБ.

_На^чная_новиэна настоящей работы состоит в том, что впервые для Северного Казахстана получены достаточно надежные и детальные данные о скоростной структуре коры, переходной зоны мантии и азимутальной анизотропии верхней мантии.

Оеакханескаа.иенность работы заключается в выявлении для

исследуемого района Северного Казахстана структурных особенностей коры и переходной зоны мантии, которые можно использовать в дальнейших исследованиях недр Северного Казахстана. Полученные данные по азимутальной анизотропии под станцией "Боровое" при сопоставлении с аналогичными данными по другим районам Европы и Азии позволяют сделать новые выводы о деформированном состоянии верхних слоев мантии и. возможно, связать его с движением Евроазиатской плиты.

Апройаиия_р§боты. Результаты работы излагались на семинаре, посвященном 23-летию геофизической обсерватории "Боровое" в 1990 году, на семинаре лаборатории сейсмологии взрыва и на геофизическом семинаре в Институте динамики геосфер в 1993 году и в лаборатории общей сейсмологии Института физики Земли в 1993 году.

Публикации. Содержание работы изложено в трех научных статьях, выиедших в печать в Докладах Академии наук в 1990 году и в иностранных изданиях в 1991 и 1992 годах.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 127 страниц, из которых - 98 страниц текста, 27 страниц рисунков и 2 страницы таблиц. Список литературы содержит 86 наименоЬаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении сформулированы актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна и правктическая ценность работы.

Глава 1. Геофизическая обсерватория "Боровое".

В первом параграфе кратко описывается сейсмическая аппаратура станции "Боровое", приводятся основные технические дауные цифровых систем регистрации.

Особенность настоящей работы состоит в использовании записей сейсмических волн в низкочастотном диапазоне. Отбор цифровых сейсмических записей волн Р и БиКБ проводился по низкочастотным каналам станции СЦР-ТСГ. Частота опроса на этих каналах равна 0.312 с. Для измерительных каналов СЦР-ТСГ характерна достаточно высокая стабильность

амплитудно-частотных характеристик, что позволяет рассматривать все отобранные цифровые сейсмограммы практически с одной частотной характеристикой.

Во втором параграфе описываются тектонические особенности района расположения сейсмической станции "Боровое". Дается краткая характеристика геологического строения Северного Казахстана в пределах профиля ГСЗ Темиртау-Петропавловск.

Важным элементом глубинной структуры Северного Казахстана являются массивы докембрийских пород. Крупнейшие выходы докембрия известны к Кокчетавском массиве, на восточном крав которого находится сейсмостанция "Боровое". Массив находится в окружении палеозойских структур - складчатых комплексов каледонских синклинориев. сложенных преимущественно из ордовикских отложений. Массив и синклинории разграничивается крупными разломами. Складки поздне-докембрийских отложений Боровской серии в середине выступа ориентированы на северо-восток, как и разломы с интрузиями ультраосновного состава.

К основным особенностям земной коры в районе станции "Боровое" по данным ГСЗ следует отнести: отсутствие

сейсмических границ в пределах коры, нарушение преломляющих свойств на глубине.соответствующей границе Мохо С волны.рефрагированнье на границе Мохо не прослеживаются)и повыиенные скорости продольных волн.

Глава -2. Структура коры и .переходной зоны мантии под сейсмической станцией "Боровое".

В первом параграфе кратко описываются существующие сейсмические данные о переходной зоне верхней мантии и рассматриваются геофизические проблемы исследования переходной зоны.

Наиболее значительная часть сведений о структуре переходной зоны получена при использовании метода рефрагированных волн, основанного на определении скорости распростанения волны по ее годографу. При этом предполагается существование радиальной симметрии. Однако, низкая разрешающая способность по латерали и неопределенность, связанная с процедурой обращения годографа. сильно ограничивает использование метода рефрагированных волн при исследовании тонкой структуры переходной зоны мантии.

Важную информацию о глубине и структуре переходов несут волны типа Р'бР'. отраженных от внутренней стороны границ мантии и волнмРс(Р. Однако, не решенной проблемой остается выделение этих волн среди волн иной природы, образованных в результате рассеяния в приповерхностном слое.

В данной работе структура переходной зоны мантии исследовалась посредством изучения обменных волн далеких землетрясений, преобразованных на границах в переходной зоне из Р в Б.

Обнаруживаемые сейсмическими методами границы в мантии

подтверждает общие геофизические представления о переходной зоне, которые постепенно складывались при синтезировании кристаллической среды в лабораторных условиях. В настоящее время существует несколько кристаллических моделей мантии, наиболее популярными из которых является перидотитовая и пироксенбвая модели. В перидотитовой модели устанавливаются два фазовых перехода. Первый - в интервале глубин от 390 до 450 км, второй - примерно на глубине 700 км. В пироксеновой модели граница в интервале глубин 600-700 км связывается с изменением химического состава.

Вопрос о структуре конвективных течений в мантии, наиболее актуальный в современной геофизике, во многом зависит от знания природы второй сейсмической границы в мантии. Решение этого вопроса требует дальнейшего исследования и получения надежных данных об основных границах переходной зоны.

Во втором параграфе описывается метод выделения обменных волн Ps. В основе метода лежит использование их амплитудных и временных характеристик. Интересующие нас волны Ps распространяются от источника -в ' виде продольных волн и преобразуются на границах в мантии в области регистрации в поперечные волны типа SV. Ввиду различия скоростей волна Ps запаздьюает в пункте наблюдения относительно Р-волны на время, рассчитываемое для сферически-слоистой Земли по формуле:

г г

о о

t = / cv, "V г "z ) УЬ - s CW r-)"br. CI)

гс рс

где г - текущий радиус; г0 - радиус поверхности наблюдения; гс гс- радиус границы обмена ; р - лучевой параметр; Vp и Va -скорость Р и S-волн. В формуле не учитывается различие в значениях лучевого параметра р для волн Р и S, что приводит к погрешности, не превыиающей 1'Л-

Динамические особенности волн Ps определяются свойствами

коэффициента обмена А р/А р при прохождении волны Р через границу или переходньй слой. Расчеты теоретических сейсмограмм, указывают на то.что коэффициент обмена не зависит от частоты колебаний и. следовательно, форма колебаний в обменной волне сходна с формой колебаний в Р волне. При реальных значениях величины скачка скорости АУв поперечной волны в мантии величина амплитуды обменной волны А не

Р®

превыиает нескольких процентов от амплитуды Р-волны.

Метод выделения обменных волн Рэ состоит в суммировании записей волн от имеющегося набора землетрясений с временными сдвигами, вычисленными по формуле С 1 . ). Изменяя предполагаемые глубины обмена, можно последовательно выделять обменные волны, связанные с переходными слоями или границами в коре и мантии. При суммировании частично подавляются коррелированные шумы и обменные волны, связанные с другими границами.

Перед суммированием записи трансформируются поворотом осей и стандартизацией. Запись каждого землетрясения представляет собой запись Р-волны и ее коды. Поворотом осей каждая исходная сейсмограмма СИ.Ы.ЕЗ пересчитывается в компоненты Ь.Н.Т. где Ь

- ось.совпадающая с главным направлением смещения в Р-волне, Н

- ось, находящаяся в плоскости луча и перпендикулярная оси 1,. Ось Т расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна осям Ь и Н. Такая процедура обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум на оси Н, где сигнал - волна Ре. а шумом является волна Р.

Стандартизация устраняет различие между записями, вызываемыми разницей в магнитуде и функции в источнике. Различия проявляются в разных амплитудах и формах записей Р-волны на Ь-компоненте. Стандартизация выполняется методом деконволюции. состоящей в построении обратного фильтра (во

временной области), который преобразуя запись Р-волны на Ь-компоненте. дает процесс максимально близкий к единичному импульсу. Для Ь-компоненты каждой записи землетрясения вычисляется соответствующий обратный фильтр, через который пропускается Н-компонента.

Отфильтрованные Н-компоненты , представляющие собой стандартизованные записи глубинных обменных волн Рэ.суммируются с временными сдвигами, рассчитанными по формуле С 1 ) в виде:

Еа.М = £ т.- Н,- СI +вЬ СЮ-51 СМ). С 2 )

1-1 1 1 ■ 0

где N - число суммируемых записей; т^ - весовой коэффициент 1-ой записи; 51(СЬ) - значение для глубины обмена Ь и эпицентрального расстояния, соответствующего 1-ому землетрясению; 510 СМ - величина I для той же глубины Ь при значении лучевого параметра р. равном 6.4 с/град, который принимается в качестве опорного.

В третьем параграфе описываются результаты выделения глубинных мантийных волн Рэ. Существенной частью задачи является отбор землетрясений. Отбор ведется по эпицентральным расстояниям С 35° - 100е), глубинам С отбираются коровые и глубокие землетрясения ) и магнитудам С около 6 ), исходя из требований.предъявляемых к исходным записям рефрагированных в мантии Р-волн. Записи отбирались в низкочостотном диапазоне С 5-15с ).поскольку на этих периодах ослабляются эффекты рассеяния волн. В результате была отобрана 21 запись Р-волн с достаточно слабыми кодами продолжительностью не менее 70 с.

Глубинная обменная волна Рэ. связанная с определенной границей обмена. выделяется суммированием всех

стандартизованных Н - компонент с временными сдвигами, соответствующими данной глубине обмена и различным

эпицентральным расстояниям. Изменяя предполагаемые глубины, можно последовательно выделять обменные волны.связанные с различными границами С рис.1). Суммирование выполнялось для глубин от 0 до 800 км с шагом, равным 40 км. В результате выделены: Рэ-волна, связанная с границей Мохо с временем вступления относительно Р-волны 5.3 с. волны, образованные отражением-обменом и обменом-отражением в коре С 1= 20с),волна Рэ,образованная на границе в мантии на глубине 400 км С I = 43с) и волна Рб. связанная с границей на глубине 640 км С I = 67 с). Критерием идентификации фаз является соответствие максимальных амплитуд в импульсах текущей глубине обмена и времени прихода обменных волн. Времена 1С 400км)=43 с. и 1С 640км)=67 с. указывает на существенно повыиенные скорости поперечных волн в верхней мантии под ст. "Боровое" относительно средних мантийных скоростей.

В четвертом параграфе получен скоростной разрез по 3-волнам коры и литосферы до глубины 100 км. и определена структура переходной зоны мантии под станцией "Боровое".

Скоростной разрез строится до 100 км . поэтому за реальную сейсмограмму принята запись на суммарной стандартизованной Н-компоненте при нулевой глубине фазирования в интервале времени от 0 до 40 с. Эта запись включает все поперечные фазы, связанные с корой. Скоростной разрез коры построен на основе метода решения некорректных обратных задач Тихонова и метода Томсона-Хаскелла вычисления теоретических сейсмограмм для горизонтально-слоистой среды. За первичную Р-волну принимается суммарная стандартизованная Р-волна на Ь-компоненте. Отношение скоростей Р- и волн

принимается равным 1.8 до глубины 4 км .ниже - ,1.73. Распределение плотности с глубиной задается законом Берча. Модель задается горизонтально-слоистой средой с мощность!)

Рис.1 Выделение мантийных обменных волн Рэ под ст. "Боровое"в результате равновесного суммирования стандартизованных Н- компонент. По вертикали - глубина фазирования Скм); по горизонтали -время С с).

1 1 < > | | м I | | м I | I | I | | | м

И.» 50.0 75.0 ^С

Рис.2 а) Скоростной разрез коры и подкоровой литосферы. Модель 1 - начальное приближение .модель 2 - конечное приближение; б) реальная запись на стандартизованной суммарной Н-компоненте С сплошная линия), синтетические сейсмограммы для моделей 1 и 2.

слоя.равной 5 км.

В результате построения скоростного разреза С рис 2) установлено, что кора под ст. "Боровое" характеризуется постоянной скоростью поперечной волны С 3.6км/с. ). Скачок скорости на глубине 45км. связывается с границей Мохо. В верхних слоях литосферы скорость поперечной волны монотонно растет с 4.3 до 4.5км/с.

Следующий этап решения обратной задачи состоит в исследовании структуры мантийных границ на глубинах 400км и 640км-. Проведено сравнение импульсов Рэ-волн.связанных с этими границами, с суммарным стандартизованным импульсом в Р-волне. Совпадение по ширине импульса в Рз-волне от 400км-границы с импульсом в Р-волне указывает на резкость границы на глубине 400км. и на малое затухание в верхней мантии. Для любой известной модели распределения добротности затухание на глубине от 400 до 640 км. меньше, чем в слоях выие 400 км. В связи с этим, некоторое уширение импульса в волне Рз от границы на глубине 640 км. относительно импульса в Р-волне можно объяснить тем. что граница на глубине 640 км. не является резкой, а образует градиентную зону.

Расчет синтетических сейсмограмм 'подтвердил этот вывод. Теоретические импульсы Рз - волн вычислялись для модели.полученной путем добавления к вычисленному скоростному разрезу коры под ст. "Боровое" скоростной модели мантии 1АЗР91. Для этой модели характерны резкие границы на глубинах 410 и 660 км. Сравнение теоретического импульса в Ре-волне от 410км-границы с соответствующим реальным импульсом для ст."Боровое" подтвердл вывод о резкости границы на глубине 400км. под ст."Боровое". Далее резкие границы в модели 1АЗР91 заменялись на интервалы перехода в 20-30 км. Совпадение теоретического импульса в Рз-волне от переходной зоны на

глубине 660 км. с реальным импульсом в Ps-волне от 640км-границы указывает на то,что 640-км граница под станцией "Боровое" представляет собой градиентную зону мощностью в 20 км. ВЫВОДЫ:

1. Методом обменных Ps-волн под ст. "Боровое" выявлены основные сейсмические границы на глубинах 400 и 640км и граница Мохо на глубине 45км.

2. Времена вступлений Ps-волн относительно Р-волны свидетельствуют о повыиенных скоростях поперечных волн в верхней мантии под ст. "Боровое",что можно связать с высокой добротностью в верхней мантии: tC400)=43. 0c,u640)=67. Ос.

3. Кора под ст. "Боровое" прозрачна со скоростью поперечной волны,равной 3.8 км/с. Граница Мохо является резкой со скачком скорости поперечной волны 0.3 км/с. С учетом данных ГСЗ о скорости продольных волн в коре отношение Vp/Vg в пределах коры растет с 1. 72 до 1. 84

4. Динамический анализ обменных мантийных волн приводит к выводу о резкости границы на глубине 400км и о 20-км градиентной зоне на глубине 640 км.

Глава 3. Азимутальная анизотропия верхней мантии под сейсмической станцией "Боровое".

Азимутальная анизотропия верхней мантии ■ определяется ее динамикой и связывается с деформациями,вызываемыми мантийньми течениями. В главе излагается метод исследования азимутальной анизотропии,обсуждаются результаты измерения параметров анизотропии.

В первом параграфе рассматривается проблемы упругой анизотропии в сейсмологии. В анизотропных средах скорости сейсмических волн зависят от направления распространения.а их поляризация зависит не только от типа волны, но и от локальных свойств симметрии среды. Многие соединения минералов обладают анизотропией упругих свойств. Основным минералом верхней мантии является оливин, кристаллы которого обладают сильной анизотропией С для скорости продольной волны до 25'/.).Существующие физические поля, такие, как гравитационное, тектонических напряжений и сдвиговых деформаций, обусловленных мантийными течениями, могут вызывать преобладающую ориентацию кристаллов оливина.

В результате преобладающей ориентировки кристаллов оливина среда может приобретать определенный тип осевой симметрии, называемый лоперечноизотро'пным С гексагональным). Предполагается.что ось симметрии расположена горизонтально. Такая модель описывается всего пятью упругими параметрами и применима к реальным прцессам.происходящим в Земле.

Традиционным методом обнаружения и измерения азимутальной анизотропии верхней мантии являются прямые наблюдения азимутальных вариаций скорости волны Рй При исследованиях в океане критерием обнаружения азимутальной анизотропии является достаточно надежное выделение 180-градусной периодичности в наблюдаемых вариациях скорости. Применение этого метода на континенте в силу большой мощности континентальной коры связано с практическими трудностями . Для разделения эффектов анизотропии и латеральной неоднородности необходима система профилей большой протяженности.

Разделение эффектов анизотропии и латеральной неоднородности также остается нерешенной проблемой для метода наблюдения вариаций времен пробега Р-волн от далеких землетрясений и для метода наблюдения за поверхностными волнами.

В данной работе применяется метод,основанный на явлении расщепления поперечной волны на две ортогонально поляризованные кваэи-поперечные волны, распространяющиеся с различными скоростями. В методе используются обменные волны БКБ и сходные фазы (Бт!®.) Низкочастотный диапазон наблюдения С 5 - 15с) позволяет снизить эффекты рассеяния и дифракции волн на неоднородностях.

Во втором параграфе излагается метод расчета волнового поля для слоистой анизотропной среды. Анализируется поляризация волн, наблюдаемых на поверхности поперечно-изотропной среды с горизонтальной осью симметрии. Уравнению движения в идеально упругой однородной анизотропной • среде удовлетворяют три волны с взаимно-ортогональными векторами смещения: квазипродольная Р, ближайшая по направлению к волновой нормали. и две квазипоперечные волны о(и Э г. Чисто продольные и поперечные волны в анизотропной среде наблюдаются только для особых направлений, определяемых симметрией среды.

В изотропной среде волна поляризована' как БУ. Расчет теоретических сейсмограмм выявляет особенности волнового поля на поверхности анизотропного слоя.лежащего на изотропном полупространстве в случае падения снизу на анизотропный слой волны ЗУ. В этой модели на смещение свободной поверхности будут влиять как анизотропия слоя, так и интерференция волн.

многократна отраженных от свободной поверхности и нижней границы слоя.

Чтобы рассмотреть влияние анизотропии в наиболее чистом виде, скорости продольных и поперечных волн в изотропном полупространстве вьйирастся приблизительно равными средним значениям соответствующих скоростей в анизотропном слое. Плотности в слое и полупространстве одинаковы Ср=3.Зг/см3). Первичная БУ-волна расщепляется на волны Б и Б г Суммарная амплитуда в волнах 5г и 5г на радиальной ( Р ) компоненте остается постоянной, а на тангенциальной С Т ) - зависит от угла р между осью симметрии и направлением "источник-приемник" С 180-градусная периодичность).

В третьем параграфе излагается метод измерения азимутальной анизотропии.состоящий в анализе поляризации горизонтальной проекции колебаний в обменных фазах 8тК5. Волны отКБ распространяется субвертикально. В анизотропном слое волна расщепляется на две квазипоперечные волны Б г и Б 2 распространявшиеся с различны® скоростями. Поляризация волн Б1 и не зависит от направления распространения волны БКБ и определяется симметрическими свойствами среды: в горизонтальной плоскости С1?,Т) волна поляризована в направлении, близком к оси симметрии, волна - в направлении почти перпендикулярном направлению поляризации волны 51 В направлениях вдоль оси симметрии и перпендикулярном ему волны БтКБ распространяются' как чисто поперечные. В этих случаях смещения в волнах на тангенциальной компоненте равны нулю. В остальных случаях волны образуют эллиптическую поляризацию. Задача состоит в выявлении азимутальной анизотропии и в оценке параметров анизотропии: направления оси симметрии и

величины задержки "медленной волны" Соотносительно "быстрой" волны S .

Колебания на Т-компоненте могут возникнуть при образовании поперечной волны на границе мантии и ядра, однако метод предполагает, что среда на границе ядро-мантия изотропна.

Пользуясь результатами расчетов модельных сейсмограмм, можно предсказать основные особенности волнового поля в плоскости CR.T). Для первичной волны SV. имевшей вид cos (Л. колебания на R- и Т-компонентах представимы в виде:

RC t} =cos 2p*cos CwO+sinzf?*cos(wt-wit)

С 3 )

ТС t) =-0.5s i nC 2ft)-cosC wLD +0.5s i nC 20) *cosC wl-crfl).

где 8t - интервал запаздывания волны S2 относительно волны Sji /3 - угол между осью симметрии и направлением радиальной компоненты.

В низкочастотном диапазоне наблюдения можно принять, что o5t << 1. В этом случае соотношения ( 3 ) представимы в виде:

I

RCt)=cosCwt)

С 4 )

TCO=-0.58fsinC2i»R'Ct5

Соотношения С 4 ) выявляют следующие диагностические признаки азимутальной анизотропии: наличие фазового сдвига между колебаниями на компонентах и 180° периодичность Т-компоненты как функции угла /3 между осью симметрии и направлением распространения волны. Их выполнение делает азимутальную анизотропию почти достоверным явлением, поскольку маловероятно, что при латеральной неоднородности они могут быть выполнены одновременно.

В работе был применен метод . позволяющий получить

надежные оценки параметров анизотропии по сравнительно небольшому количеству записей. Метод основан на построении целевой функции.

Соотношения (3) в частотной области определяют связь между компонентами R и Т в виде:

ТС«} = few) RCw), С 5 J

где передаточная функция fCwD имеет вид:

0.5s i п2/3* [ ехрС - i иби -1 ]

fCu) = -=-g---—

cos +sin /3»expC-iu5U

Если RCtD реальная запись обменной волны, то с помощью соотношения С 5 ) можно получить синтезированную Т*Ш запись, которая затем сравнивается с реальной записью обменной волны на Т-компоненте с помощью целевой функции Е,зависящей от параметров а и it.

г Г f [Т (U-T*Ct,e,St)]a dt , i/г

ЕСа.вО- Г я J -—14-2- I

L S Rf CtDdt J •

* n

С 6 )

где а=Аг-|3 - пробный азимут оси симметрии; Аг - угол, соответствующий направленю "источник-приемник" ; п - номер землетрясения; N - число землетрясений.

Нормирование посредством деления на энергию волны на 1?-компоненте позволяет одновременно использовать в функции Е записи различных по силе землетрясений. В качестве искомых оценок параметров ей 61. согласно критерию, принимаются значения, минимизирующие функцию Е.

В четвертом параграфе описываются результаты измерения азимутальной анизотропии верхней мантии под станцией "Боровое".

УЛ-лгхЛ I у\/-л/Л/Ч,

15.0 .30.0 4 5 0 60.0 75.0 90 0 (.С

А'-- <4 , /\ 1 - 94

30 100 120 НО 160 180

Л'

5К5

0.0 15 0 50 0 45.0 60.0 75.0 90.0

1.С

А - 118, Аг°=73

Рис.3 Записи БКЗ-волн на тангенциальной СТЗ и радиальной (!?) компонентах и соответствующие им целевые фцнкции оценок параметров анизотропии. По горизонтали: пробный угол оси симметрии; по вертикали: значения задержки 31.

Цифровые записи волн ЭКЭ отбирались от землетрясений с эпицентральными расстояниями от 90° и более . При таких расстояниях<р)3ы БтКЭ не интерферируют с другими интенсивными сейсмическими фазами. На рисунках 3.4 изображены примеры записей радиальных и тангенциальных компонент землетрясений. На компонента?; отчетливо видны фазовые сдвиги между

- 2С -

Ж5

0.0 15.0 30.0 «5.0 60.0

75.0 90.0

Дс = /03, Лк=331г,,е

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Л'

5КК5

(\л

0.0 15.0 30.0 45.0 60.0

А =¿29 А г--{07

75.0 ЭО.О (.С

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Г

Рис.4. Записи ЗКБ-волн на тангенциальной СТЭ и радиальной С Г?) компонентах и соответствующие им целевые фцнкции оценок параметров анизотропии. По горизонтали: пробный угол оси симметрии; по вертикали: значения задержки 51.

колебаниями в волнах, указывающие на азимутальную анизотропию.

Функции Е С рис. 3,4)вычисляются для каждого землетрясения при различных значениях а и 51. Вычисления показали общий

характер поведения функций Е . Положение минимума функции в

окрестности значений а=30° 0 го 40 60 т )00 120. ио 1б0 181)

и 31=1с. варьирует от при- 200

мера к примеру незначитель- '-80

но. что указывает на 1.60

устойчивость вычислительной мо

процедуры и на объективность 1.20

измеряемых параметров. ,00

На рисунке 5 изображена 060

результирующая функция Е, 060

вычисленная по формуле (6).

0.40

За окончательные оценки

0.20

величин о и 31 приняты

о.оо ,

■величины, в которых эта

3 .

функция обращается в мини- о,град,

минимум: а=30°. 81=1.2с. Рис.5. Результирующая функция Е Грубую оценку мощности анизотропного слоя можно сделать исходя из следующего соотношения:

Ы/1 = -ЗУ/У.

где I - среднее время распространения Б-волны в анизотропном слое. ЗУ - различие между скоростями кваэипоперечных волн, распространяющихся почти вертикально. V - средняя скорость Б-волны в слое. Для материалов. содержащих ЗОУ. поперечно-изотропного оливина и 70% других мантийных минералов, отношение ЗУ/У близко к величине 0.02 . Тогда при 31=1.2 с время распространения 5-волны равно. 60 с, что соответствует мощности слоя, равной 300 км.

Описанный метод является наиболее простым и доступным методом исследования азимутальной анизотропии верхней мантии

на континентах.

В пятом параграфе обсуждается результаты измерения азимутальной анизотропии под станцией "Боровое"

Тектоническая интерпретация результатов измерения анизотропии по данным одной станции носит весьма ограниченный характер в силу того, что оцененные параметры анизотропии можно отнести лишь к небольшому объему среды.

О деформиррванном состоянии литосферы судят главным образом по данным структурной геологии. Однако,как и другие источники информации они не позволяет обоснованно говорить о деформациях на глубинах более 20-30 км. Полученные сейсмические данные по азимутальной анизотропии даст возможность судить о деформациях верхнего слоя континентальной мантии под районом станции "Боровое", мощность которого по проведенным оценкам составляет около 300 км.

Для станций, расположенных вне зон тектонической активности (OBN. GVE, BRV. SEM, NRS. STK. ILT). в которув входит Боровое, CBRV). характерна субмеридиональная поляризация "быстрой" волны Sv Можно полагать, что здесь направление поляризации быстрой волны определяется замороженной анизотропией в подкоровой литосфере. Для ст. "Боровое" направление поляризации "быстрой" волны С оси симметрии ) отклоняется от меридионального в сторону востока. В структуре Кокчетавского докембрийского массива существуют признаки замороженной анизотропии: крупный разлом в боровском выступе позднеархейского возраста и мощные поздне-докембрийские складки того же направления в северной части боровского выступа.

Вместе с тем поляризация быстрой волны на станциях этой

группы может бьггь связана с современным субмеридиональньм движением Евроазиатской литосферной плиты . В этом случае случае ориентированные кристаллы находятся в зоне перехода от подвижной литосферы к неподвижной части мантии. Данные о глубинах, полученные по продольным волнам, повыиают вероятность гипотезы о связи анизотропии с преобладающей ориентировкой кристаллов оливина, отвечающего современному деформированному состоянию мантии.

Выводы:

1. Выявлена азимутальная анизотропия верхней мантии под станцией "Боровое".

2. Оценены параметры азимутальной анизотропии. Направление поляризации "быстрой" волны состав' тет 30° Сот направления на север на часовой стрелке); интервал запаздьюания "медленной" волны относите но "быстрой" волны Б1 составляет 31=1.2, с. По величине 31 оценена мощность анизотропного слоя, которая составляет 300 км.

3. Субмеридиональная поляризация "бьстрой" волны, возможно определяется' унаследованной деформацией в подкоровой литосфере.

Учитывая данные о глубинах, на которые простирается анизотропный слой под различными районами Евразии (от 150 до 300 км), можно сделать вывод о связи субмеридиональной поляризации "быстрой" волны с движением Евроазиатской плиты.

Оценка мощности анизотропного слоя под станцией "Боровое" (около 300 км) может указывать на суммарный эффект анизотропии, вызванной ориентировкой кристаллов оливина и унаследованной деформацией в "холодной" литосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решены две задачи: определена скоростная структура коры и переходной зоны мантии и измерена азимутальная анизотропия верхней мантии под станцией "Боровое".

Выявлены основные сейсмические границы на глубинах 400 и 640 км. Повыиенные скорости поперечных волн в верхней мантии, установленные по временам вступлений волн относительно Р-волн, связываются с высокой добротностью мантии под ст. "Боровое".

Вывод о "прозрачности" коры под ст. "Боровое", по полученному скоростному разрезу вместе с выводом о вьсокой добротности верхней мантии в определенной степени объясняют высокую эффективность регистрации волн на станции из ряда сейсмоактивных районов.

Полученный в работе вывод о резкой границе Мохо не согласуется с данными ГСЗ.по которым нарушены преломляющие свойства границы.

Полученные результаты по измерению азимутальной анизотропии свидетельствуют о деформированном состоянии верхней мантии под станцией "Боровое". Оценка мощности анизотропного слоя может указывать на суммарный эффект анизотропии,вызванной ориентировкой кристаллов оливина и унаследованной деформацией в "холодной" литосфере.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Винник Л.П. .Усенко А. Ю..Макеева Л. И. .Орешин С. И. Деформированное состояние верхней мантии на территории СССР. Докл. АН СССР 1991, Т 318.н 5. с 1132-1137.

2. S. Oreshin, G. Kosarev, N. Petersen and L. Vinnik, Deep structure Underneathx Seismograph Station Borovoye. Abstracts for the AGU Spring Meeting May 12 — 16, 1992. — c. 209.

3. N. Petersen, L. Vinnik, G. Kosarev, R. Kind, S. Oreshin, K. Stammler. Sharpness of the mantle discontinuities. Geophys. Res. Letters, vol. 20, N 9, May 5, 1993, p 859 — 862.

Подп. в печ. 22.10.93 г. Тир. 50 экз. Заказ № 501.

Типография Московского государственного горного университета. Ленинский проспект, б