Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Строение верхней мантии Восточно-Европейской платформы по данным сейсмического шума

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Строение верхней мантии Восточно-Европейской платформы по данным сейсмического шума"

□0348149Б

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Королева Татьяна Юрьевна

СТРОЕНИЕ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ ПО ДАННЫМ СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА

Специальность 25.00.10 — «Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых»

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2009

003481496

Работа выполнена на кафедре физики Земли Научно-исследовательского института физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Яновская Татьяна Борисовна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук.

профессор Шаров Николай Владимирович кандидат физико-математических паук, Рослов Юрий Викторович

Ведущая организация: Международный институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской Академии наук

Защита состоится «,

^ . 2009 г. в

час. на заседании совета

Д.212.232.19 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, СПб, Университетская набережная, д.7/9, Геологический факультет (здание бывшего НИФИ), ауд.347.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького СПбГУ.

Автореферат разослан « ОА 2009 г.

диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

И.о. ученого секретаря

Б.М. Каштан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Несмотря на значительные успехи геофизики в 20-21 веке, многие вопросы все еще остаются открытыми. .Одним из таких вопросов остается проблема динамики верхней мантии. Между тем именно движения в верхней мантии приводят к формированию и эволюции континентов, накоплению тектонических напряжений в земной коре, и, как следствие, - к возникновению землетрясений. Движения же мантии в значительной степени обуславливаются ее структурой - распределением латеральных неоднородностей упругих и реологических характеристик мантийного вещества, приводящих к тепловой и гравитационной конвекции. Исследования мантии проводятся в основном при использовании методов сейсмической томографии, однако такие методы неприменимы в асейсмичных зонах, таких, например, как ВосточноЕвропейская платформа, что связано как с недостаточным количеством или даже отсутствием сильных землетрясений, так и с тем, что в таких зонах количество сейсмостанций обычно мало. В то же время сведения о строении древних щитов и платформ необходимы для построения геодинамических теорий.

Для определения строения верхней мантии таких регионов представляется весьма перспективным появившийся и бурно развивающийся в последние годы за рубежом метод использования сейсмического шума в томографических исследованиях земной коры, поскольку он не привязан к землетрясениям. Получаемые с его помощью дисперсионные кривые скоростей поверхностных волн используются как исходные данные для поверхностно-волновой томографии. Возможность получения новых сведений о глубинном строении Восточно-Европейской платформы по имеющимся Данным о сейсмическом шуме представляется весьма актуальной, поскольку слабая сейсмичность в этом регионе имеет место, и при этом до сих пор остается открытым вопрос о вызывающих ее процессах.

Цель и задачи работы

Целью данной работы являлось создание пакета программ для построения дисперсионных кривых поверхностных волн по данным о сейсмическом шуме и получение с его помощью новых сведений о строении Восточно-Европейской платформы при использовании записей шума на станциях, расположенных на платформе и ее окраинах. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Обосновать возможность получения дисперсионной кривой поверхностной волны по корреляционной функции сейсмического шума на парах станций и оценить пределы применимости путем численного моделирования.

2. Создать пакет программ для определения корреляционной функции шума и построения по ней дисперсионных кривых; апробировать методику путем сравнения с результатами, полученными по данным землетрясений.

3. Создать базу данных, включающую в себя записи длиннопериодных каналов станций, расположенных на или в окрестности ВЕП, за одни и те же годы.

4. Построить дисперсионные кривые скоростей релеевских волн для трасс, пересекающих ВЕП.

5. По полученным дисперсионным кривым построить трехмерное распределение скоростей поперечных волн в верхней мантии региона методами поверхностно-волновой томографии.

Исходный материал

В качестве исходных данных использовались цифровые записи 22 сейсмических станций. Записи трех из них, расположенных в Азии, - BRVK ' (Казахстан), TL Y (Россия) и BJT (Китай) - использовались для тестирования программы. Для изучения строения Восточно-Европейской платформы использовались записи станций как расположенных на ее территории - ARU, LVZ, OBN, KIV, PUL, MHV (Россия), KIEV (Украина), TRTE (Эстония), так и в

ее окрестностях - GNI (Армения), KEV (Финляндия), K.WP, SUW (Польша), MLR, TIRR (Румыния), PSZ (Венгрия), ААК (Киргизия), АВКТ (Туркмения), BRVK (Казахстан), KONO (Норвегия), SANT (Греция). Научная новизна

Показано, что по записям сейсмического шума можно строить дисперсионные кривые поверхностных волн до периодов порядка 160 с, что дает возможность определять строение мантии до глубин 250-300 км. В зарубежных исследованиях этот метод использовался в основном для определения строения коры.

Построены дисперсионные кривые для 126 трасс, пересекающих ВЕП; по ним восстановлено трехмерное распределение скоростей поперечных волн в литосфере Восточно-Европейской платформы до глубин 300 км. На основании этих распределений сделаны выводы о латеральных неоднородностях строения верхней мантии в этих районах.

Показано, что под всей исследованной территорией происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформа).

Выявлена низкоскоростная аномалия под центром Днепровско-Донецкого авлакогена, могущая являться реликтом плюмообразной структуры и, следовательно, отражать существование рифта в древние эпохи.

Выявлена зависимость интенсивности и частотного состава источников шума от их географического местоположения. Практическая значимость

1. Разработанная методика позволяет по записям шума получать информацию о строении глубинных структур Земли, причем детальность и глубина восстановления структуры зависят от расстояния между станциями. При близких расстояниях между станциями появляется возможность использования методики для детального восстановления структуры коры, что может быть использовано, например, при поиске полезных ископаемых.

2. Показано, что выявленные глубинные аномалии связаны с геологическими структурами на поверхности Земли, что может быть использовано при построении геодинамических концепций. Апробация работы и публикации

Промежуточные результаты работы докладывались на 5 Международной научно-практической геолого-геофизической конференции-конкурсе молодых ученых и специалистов «Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, Россия), основные результаты - на 7 Международной научной конференции «Проблемы Геокосмоса-2008», (Санкт-Петербург, Россия), 4 Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, Россия), 7 Международной научно-практической конференции молодых специалистов «Геофизика-2009» (Санкт-Петербург, Россия). По теме работы опубликовано 2 статьи и 3 тезиса докладов. Защищаемые положения

1. Записи сейсмического шума на длиннопериодном канале (ЬН) позволяют определять групповые и фазовые скорости поверхностных волн в диапазоне периодов от 5 до 160 секунд.

2. Под всей исследованной территорией (ВЕП и ее обрамление) происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформы); подтверждается наличие палеорифта в Днепровско-Донецком авлакогене.

3. Интенсивность и частотный состав источников сейсмического шума зависят от их географического местоположения; шум со стороны Западной и Северной Европы более высокочастотен, в то время как шум со стороны Сибири характеризуется более низкими частотами.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации - 96 страниц машинописного текста, в том числе 43 рисунка, и 7 приложений на 36 страницах. Список литературы включает 55 наименований на русском и английском языках.

Благодарности

Выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю д. ф.-м. наук, профессору Татьяне Борисовне Яновской за всестороннюю помощь в постановке задачи и организации данной работы, а также за проявленное личное внимание и поддержку. Благодарю сотрудников лаборатории сейсмологии кафедры физики Земли за оказание технической помощи в ходе данной работы, а также за личное внимание и под держку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, и определены цели и задачи работы.

В главе 1 дается обзор исследований, имеющих отношение к данной работе. В первой части данной главы описываются методы поверхностно-волновой томографии, позволяющие определять трехмерную структуры среды по данным о групповых и/или фазовых скоростях поверхностных волн. Такая задача сводится к решению двумерной задачи (2D) сейсмической томографии и одномерной обратной задачи (1D) о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны. При этом возможен любой порядок решения: 2D+1D используется в случае данных по большому числу трасс, а при малом числе трасс предпочтителен обратный порядок - 1D+2D.

Двумерная задача сейсмотомографии решается путем представления искомой функции в виде разложения по базисным функциям, так что задача сводится к решению линейной системы уравнений для нахождения коэффициентов разложения. Выбор базисных функций определяется априорными'представлениями об исхЬдном решении. В работе для решения этой задачи использовался метод, основанный на априорном предположении о гладкости искомой поправки к скорости [Дитмар, Яновская, 1987].

Одномерная обратная задача о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой фазовой и групповой скорости поверхностной волны решается в рамках слоисто-однородной модели среды. При этом для учета плавности изменения скорости с глубиной разрез разбивается на большое число слоев, а искомыми параметрами принимаются значения скоростей поперечных волн на некоторых глубинах и значения этих глубин. Между этими глубинами скорости в слоях определяются линейной интерполяцией. Вектор неизвестных параметров среды оценивается путем минимизации целевой функции -расхождения между наблюденной и рассчитанной дисперсионной кривой.

Во второй части главы 1 производится обзор исследований, посвященных использованию сейсмического шума для получения дисперсионных кривых поверхностных волн [Lobkis and Weaver, 2001; Sabra et al, 2005; Shapiro et al, 2004, 2005]. Метод основан на том, что кросс-корреляционная функция шума, полученная осреднением по длительному интервалу времени, определяет функцию Грина поверхностной волны (Лява или Рэлея в зависимости от рассматриваемых компонент). Доказательство этого утверждения дано в работе [Snieder, 2004] на основе асимптотического подхода (высокая частота колебаний) и предположения о равномерности распределения источников шума по поверхности. Отклонения, связанные с невыполнением этих условий, рассмотрены в главе 2 настоящей работы.

В третьей части первой главы приводятся геолого-геофизические сведения о строении Восточно-Европейской платформы (ВЕП). Сведений о глубинном строении ВЕП не так много. Наиболее изученным является Балтийский щит (методом трансмиссионной томографии установлено пространственное распределение аномалий скоростей Р-волн (до глубин порядка 400 км) [Санина, Ризниченко, 2006], методом поверхностно-волновой томографии - S-волн (до ' 200 км) [Bruneton et al, 2004]). В этих работах не был выявлен астеносферйый слой, хотя, например, электромагнитно-геотермические данные [Строение и динамика литосферы Восточной Европы, 2006] говорят в пользу наличия астеносферных линз в этом регионе. Данные о глубинном строении

Украинского щита, Русской плиты и Днепровско-Донецкого авлакогена были получены с помощью глубинного сейсмического зондирования для глубин до 50-70 км. Исследования по данным о землетрясениях (немногочисленные и характеризующиеся плохим разрешением из-за асейсмичности этого региона) [Marquering and Snieder, 1996; Muyzert et al, 1999; Paulssen et al, 1999; Фарафонова, Яновская, 2003] показали наличие существенной латеральной неоднородности строения верхней мантии.

Глава 2 посвящена методике построения дисперсионных кривых по кросс-корреляционной функции (ККФ) шума.

В первой части этой главы производится исследование границ применимости метода путем численного моделирования. Спектр ККФ рассчитывался путем численного интегрирования спектров от множества распределенных по поверхности источников, что исключало необходимость использования высокочастотного приближения. При этом распределение источников принималось как равномерным, так и неравномерным. Было показано, что метод применим для периодов, которые соответствуют длинам волн не более 1/5-1/6 длины трассы между станциями. Показано, что неравномерное распределение источников приводит к асимметричному виду ККФ, что позволяет по виду ККФ оценивать распределение источников шума. Кроме того, при неравномерном распределении источников возникают ложные колебания ККФ в окрестности нулевого времени.

Вторая и третья части данной главы посвящены процедуре обработки данных и реализации этой процедуры соответственно. Поскольку реальные сейсмические записи содержат, помимо шума, записи землетрясений, а источники шума распределены отнюдь не равномерно и могут излучать не только поверхностные, но и объемные волны, процедура обработки сейсмограмм принимает первостепенное значение. В основу процедуры, реализованной в данной работе, положена процедура, предложенная в работе [Bensen et al, 2007], которая состоит из двух основных этапов - первичной

обработки сейсмограмм и построения собственно корреляционной функции. При этом на этапе первичной обработки, помимо стандартных процедур (коррекции за прибор, удаления среднего и тренда, широкополосной фильтрации) выполняется нормализация, предназначенная для снижения влияния землетрясений. Выбор способа нормализации являлся необходимой частью этого этапа работы. Из сравнения результатов, полученных разными способами нормализации, была выбрана нормализация на бегущее среднее и определена оптимальная ширина окна.

Подготовительным этапом процедуры построения дисперсионных кривых по данным о поверхностных волнах следует считать создание базы таких данных. База данных представляет собой набор записей длиннопериодных каналов длиной около суток каждой из рассматриваемых станций за несколько лет (от одного до четырех). В результате осуществления первого этапа обработки необработанные данные за сутки для пары станций в системе координат (Z,E,N) преобразовывались в прошедшие первичную обработку данные за сутки для пары станций в системе координат (Z,R,T). На втором этапе данные подвергались узкополосной фильтрации, далее вычислялись ККФ (для фильтрованных и нефильтрованных записей) для каждого дня и суммировались за год. На третьем этапе по суммированным ККФ, построенным по фильтрованным записям, строилась дисперсионная кривая групповой скорости по максимумам огибающих (аналог спектрально-временного анализа). Дисперсионная кривая фазовой скорости строилась по фазовому спектру, вычисленному для ККФ, построенной по нефильтрованным записям.

Необходимые для реализации каждого из этапов программы были написаны в операционной системе Linux, для непосредственной обработки сейсмических данных использовался пакет обработки сейсмических данных SAC (Seismic Analyze Code), записи извлекались по Интернету с сайта IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology).

В четвертой части второй главы приводятся результаты тестирования методики на примере станций, расположенных в Азии, где латеральное

распределение скоростей Рэлея и Лява было получено в работах [Яновская, Кожевников, 2006, 2008] по данным землетрясений. По этим данным путем интегрирования были рассчитаны дисперсионные кривые на трассах между станциями ВЯУК, ВГГ, ТЬУ, которые оказались в хорошем согласии с дисперсионными кривыми, полученными по данным сейсмического шума. На примере этих станций было также показано, что для построения дисперсионных кривых волн Рэлея достаточно рассматривать корреляцию записей вертикальных компонент, а для волны Лява - трансверсальных компонент. При этом как для волн Рэлея, так и для волн Лява хорошее согласие дисперсионных кривых наблюдается на всем интервале периодов, для которых удалось извлечь информацию из ККФ (от 5-10 до 100-140 с в зависимости от длины трассы).

Для построения скоростных разрезов желательно проводить совместную инверсию групповой и фазовой скорости, что позволяет уменьшить неединственность решения. На примере трасс РЦЬ-А1Ш и ОВИ-А1Ш было показано, что хотя дисперсионные кривые фазовых скоростей- удается построить для значительно более узких интервалов периодов и со значительно большей погрешностью, их использование уменьшает неоднозначность построения скоростного разреза.

В главе 3 представлены результаты анализа кросс-корреляционных функций, полученных для пар станций, расположенных на или в окрестностях Восточно-Европейской платформы. Всего таких станций было 20, дисперсионные кривые удалось построить для 126 трасс (рис.1).

Дисперсионные кривые строились как для волн Рэлея, так и для волн Лява. Из-за сложности определения фазовых скоростей, строились только кривые групповых скоростей. Дисперсионные кривые скоростей волн Лява были определены для более узких интервалов периодов и с большей погрешностью, чем для волн Релея, поэтому для томографических построений использовались только определения групповых скоростей волн Релея. Для разных трасс

дисперсионные кривые удавалось получить в несколько разных интервалах периодов. В дальнейшем рассматривался диапазон периодов 10-100 с; для такого интервала удалось получить 119 дисперсионных кривых.

Рис.1. Расположение станций и трассы между ними. Жирной линией здесь и далее ограничена область, скоростное строение которой исследовалось.

Полученные дисперсионные кривые использовались в качестве исходных данных для задачи поверхностно-волновой томографии. Поскольку количества трасс, для которых были получены дисперсионные кривые, достаточно для решения трехмерной задачи вне зависимости от порядка решения одномерной и двумерной задач, было решено проверить на практике эквивалентность этих способов решения. Оказалось, что оба способа приводят к одинаковому результату в пределах погрешности.

На рис.2 представлены результаты восстановления скорости поперечной волны на глубинах 50-300 км в виде вариаций скорости относительно среднего для всей территории скоростного разреза верхней мантии. Картирование

Долгота, градусы

производилось только в тех областях, где радиус эффективной области сглаживания не превышал 1000 км.

О строении коры можно было судить лишь в среднем, так как строение коры было отражено в значениях групповой скорости лишь для периодов 10-25 с. Полученное распределение средней скорости в коре приведено на рис.3; для сравнения на этом же рисунке приведено распределение средней скорости в коре согласно модели СИШТ2.0 [Ьаяке й а1,2000].

Хорошее согласие результатов для коры позволяет считать, что и результаты, полученные для верхней мантии, являются достоверными. И о степени сглаженности результатов для мантии можно судить по степени сглаженности результатов для коры.

ю с

\/5, км/с

4 4 4 5 4 6 4 7 4 8

Рис. 2. Вариации скорости поперечной волны на разных глубинах в процентах (слева) относительно средней скорости, изображенной в виде вертикального скоростного разреза (справа).

Рис.3. Распределение средней скорости в коре. Слева - полученное в настоящей работе, справа - модель С1Ш8Т2.0.

Для удобства интерпретации полученных результатов они были представлены в виде скоростных разрезов, средних для некоторых областей, принадлежащих основным геологическим структурам данного региона: Балтийскому и Украинскому щитам, Русской плите, Прикаспийской депрессии и Днепровско-Донецкой впадине (рис.4).

скорость, км/с

3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2

Рис. 4. Слева скоростные разрезы, соответствующие точкам, обозначенным справа. Номера у кривых соответствуют номерам точек на схеме.

Из анализа скоростных разрезов можно сделать следующие выводы:

1. Средняя скорость в коре минимальна в области Прикаспийской депрессии и Черноморской впадины (<3.3 км/с) и максимальна в области Балтийского щита (> 3.7 км/с).

2. В мантии под всей территорией происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформа). Такое понижение скорости хорошо согласуется с приведенной в работе [Егорова, Старостенко, 2006] картой мощности сейсмогравитационной литосферы (зоной повышенных сейсмических скоростей и повышенной плотности, полученной на основе обращения мантийных гравитационных аномалий).

3. На рис.5 приведено распределение вариаций скорости поперечной волны в вертикальном разрезе, проведенном вдоль меридиана 32° в.д. Видно, что в районе 52° с.ш. на глубинах 200-300 км выделяется вертикальный столб низкоскоростного вещества. Эта область находится как раз под центром Днепровско-Донецкого авлакогена. Такая низкоскоростная аномалия может являться реликтом плюмообразной структуры и, следовательно, отражать существование рифта в древние эпохи.

Широта, град.

82 56 60 64 6В

-6 5-4-3-2 1 О 1 2 3 4 5

Рис.5. Вариации скорости поперечной волны в вертикальном разрезе вдоль меридиана 32° в.д.

Кросс-корреляционные функции могут также применяться для оценки распределения источников шума, поскольку неравномерность распределения источников приводит к асимметричному виду ККФ. На основе анализа ККФ были построены карты распределения источников шума, так называемые шумограммы. На рис.7 изображены шумограммы для частотных полос с центральными периодами 8, 15 и 25 с, из которых видно, что распределение источников шума действительно неравномерное. При малых периодах (до 10с секунд) (или в интервале частот 0.1-0.2 Гц) оказывается, что шум распространяется преимущественно с запада на восток, т.е. источники шума находятся в Западной и Северной Европе, на периодах свыше 25 с (0.01-0.05 Гц) ситуация меняется с точностью до наоборот, и источники такого шума находятся в Сибири. На периодах 10-25 с (0.05-0.1 Гц) наблюдается переходная ситуация, причем переход этот как бы осуществляется через север. Что касается периодов, превышающих 100с (частоты ниже 0.1 Гц), то для них распределение шума становится скорее равномерным, однако в связи с малым количеством трасс, по которым удалось выделить такие периоды, это трудно утверждать определенно.

0 0 0.6 1.0 1.4 2.0

Рис.7. Шумограммы (периоды указаны под каждой из них).

В заключении сформулированы основные выводы настоящей работы.

1. Основные методические выводы работы состоят в следующем:

^ Дисперсионные кривые поверхностных волн можноцолучать из данных о сейсмическом шуме вплоть до периодов порядка 100-160 с в зависимости от расстояния между станциями.

^ Показано, что подходы к решению трехмерной задачи томографии, разнящиеся порядком решения задачи двумерной томографий и одномерной обратной задачи о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны, эквивалентны. Кросс-корреляционные функции шума позволяют оценивать зависимость частотного состава источников сейсмического шума от их пространственного распределения.

2. По результатам данной работы были сделаны следующие выводы относительно строения коры и верхней мантии ВЕП:

^ Средняя скорость в коре минимальна в области Прикаспийской депрессии и Черноморской впадины (<3.3 км/с) и максимальна в области Балтийского щита (> 3.7 км/с).

^ Под всей территорией ВЕП происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформа).

^ Под центром Днепровско-Донецкого авлакогена выявлена низкоскоростная аномалия, могущая являться реликтом плюмообразной структуры.

3. Построены так называемые шумограммы (карты распределения источников сейсмического шума) для различных периодов, наглядно показывающие зависимость распределения источников сейсмического шума от частоты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Королева Т.Ю., Яновская Т.Б., Патрушева С.С. Использование сейсмического шума для определения структуры верхней толщи Земли // Физика Земли, 2009, №5, С.3-14

2. Королёва Т. Ю„ Яновская Т. Б., Патрушева С. С. Строение верхней мантии Восточно-Европейской платформы по данным сейсмического шума // Вестник СПбГУ, Сер.4, 2009, №2, с.62-71

3. Королева Т.Ю. К возможности использования сейсмического шума для определения структуры земной коры и верхней мантии. // VI Международная геофизическая конференция (школа молодых специалистов) ТЕОФИЗИКА-2007", 1-5 октября 2007, г. Санкт-Петербург.

4. Koroïeva T. Yu„ Patrusheva S.S., FrasinjukS.N. The use of ambient seismic noise for determining the structure of the crust and the upper mantle // 7-th International Conférence "Problems of Geocosmos", 26-30 May, 2008, St. Petersburg, Book о Abstracts, p.236-237

5. Королева Т.Ю., Патрушева С.С. Использование сейсмического шума для определения структуры Восточно-Европейской платформы // Тезисы докладов Четвертой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле, 1-3 декабря, 2008, Новосибирск, с. 151-152

Подписано к печати 12.10.09. Формат 60x84 '/и . Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 4518

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812)428-4043,428-6919

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Королева, Татьяна Юрьевна

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ методов, применявшихся в данной работе, и результатов исследования Восточно-Европейской платформы.

1.1. Методы поверхностно-волновой томографии.

1.1.1. Понятие сейсмической томографии.

1.1.2. Поверхностно-волновая томография.

1.1.3. Двумерная задача томографии.

1.1.4. Одномерная обратная задачи о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны.

1.2. Получение дисперсионных кривых поверхностных волн по записям сейсмического шума.

1.2.1. Предпосылки для использования нестандартных частей сейсмических записей в сейсмологии.

1.2.2. Использование сейсмической коды для определения тензора Грина

1.2.3. Использование сейсмического шума.

1.2.4. Теоретические основы метода.

1.2.5. Использование сейсмического шума для определения фазовых скоростей.

1.2.6. Перспективность метода.

1.3. Геолого-геофизические сведения о строении Восточно-Европейской платформы.

Глава 2. Методика.

2.1. Исследование границ применимости метода определения дисперсионных кривых по корреляционной функции шума путем численного моделирования.

2.2. Процедура обработки данных.

2.3. Реализация процедуры обработки данных.

2.4. Тестирование методики.

2.4.1. Станции в Азии.

2.4.2. Станции на Восточно-Европейской Платформе.

Глава 3. Результаты анализа корреляционных функций на станциях ВЕП.

3.1. Исходные данные.

3.2. Дисперсионные кривые.

3.3. Томографическое восстановление структуры коры и верхней мантии

Восточно-Европейской платформы.

3.4. Анализ скоростной структуры региона в сопоставлении с тектоникой.

3.5. Распределение источников сейсмического шума.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Строение верхней мантии Восточно-Европейской платформы по данным сейсмического шума"

Актуальность проблемы

Несмотря на значительные успехи геофизики в 20-21 веке, многие вопросы все еще остаются открытыми. Одним из таких вопросов остается проблема динамики верхней мантии. Между тем именно движения в верхней мантии приводят к формированию и эволюции континентов, накоплению тектонических напряжений в земной коре, и, как следствие, - к возникновению землетрясений. Движения же мантии в значительной степени обуславливаются ее структурой - распределением латеральных неоднородностей упругих и реологических характеристик мантийного вещества, приводящих к тепловой и гравитационной конвекции. Исследования мантии проводятся в основном при использовании методов сейсмической томографии, однако такие методы неприменимы в асейсмичных зонах, таких, например, как ВосточноЕвропейская платформа, что связано как с недостаточным количеством или даже отсутствием сильных землетрясений, так и с тем, что в таких зонах количество сейсмостанций обычно мало. В то же время сведения о строении древних щитов и платформ необходимы для построения геодинамических теорий.

Для определения строения верхней мантии таких регионов представляется весьма перспективным появившийся и бурно развивающийся в последние годы за рубежом метод использования сейсмического шума в томографических исследованиях земной коры, поскольку он не привязан к землетрясениям. Получаемые с его помощью дисперсионные кривые скоростей поверхностных волн используются как исходные данные для поверхностно-волновой томографии. Возможность получения новых сведений о глубинном строении Восточно-Европейской платформы по имеющимся данным о сейсмическом шуме представляется весьма актуальной, поскольку слабая сейсмичность в этом регионе имеет место, и при этом до сих пор остается открытым вопрос о вызывающих ее процессах.

Цель и задачи работы

Целью данной работы являлось создание пакета программ для построения дисперсионных кривых поверхностных волн по данным о сейсмическом шуме и получение с его помощью новых сведений о строении Восточно-Европейской платформы при использовании записей шума на станциях, расположенных на платформе и ее окраинах. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Обосновать возможность получения дисперсионной кривой поверхностной волны по корреляционной функции сейсмического шума на парах станций и оценить пределы применимости путем численного моделирования.

2. Создать пакет программ для определения корреляционной функции шума и построения по ней дисперсионных кривых; апробировать методику путем сравнения с результатами, полученными по данным землетрясений.

3. Создать базу данных, включающую в себя записи длиннопериодных каналов станций, расположенных на или в окрестности ВЕП, за одни и те же годы.

4. Построить дисперсионные кривые скоростей релеевских волн для трасс, пересекающих ВЕП.

5. По полученным дисперсионным кривым построить трехмерное распределение скоростей поперечных волн в верхней мантии региона методами поверхностно-волновой томографии.

Исходный материал

В качестве исходных данных использовались цифровые записи 22 сейсмических станций. Записи трех из них, расположенных в Азии, - BRVK (Казахстан), TLY (Россия) и BJT (Китай) — использовались для тестирования программы. Для изучения строения Восточно-Европейской платформы использовались записи станций как расположенных на ее территории - ARU, LVZ, OBN, KIV, PUL, МНУ (Россия), KIEV (Украина), TRTE (Эстония), так и в ее окрестностях ~ GNI (Армения), KEV (Финляндия), KWP, SUW (Польша), MLR, TIRR (Румыния), PSZ (Венгрия), ААК (Киргизия), АВКТ (Туркмения), BRVK (Казахстан), KONO (Норвегия), SANT (Греция).

Научная новизна

Показано, что по записям сейсмического шума можно строить дисперсионные кривые поверхностных волн до периодов порядка 160 с, что дает возможность определять строение мантии до глубин 250-300 км. В зарубежных исследованиях этот метод использовался в основном для определения строения коры.

Построены дисперсионные кривые для 126 трасс, пересекающих ВЕП; по ним восстановлено трехмерное распределение скоростей поперечных волн в литосфере Восточно-Европейской платформы до глубин 300 км. На основании этих распределений сделаны выводы о латеральных неоднородностях строения верхней мантии в этих районах.

Показано, что под всей исследованной территорией происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформа).

Выявлена низкоскоростная аномалия под центром Днепровско-Донецкого авлакогена, могущая являться реликтом плюмообразной структуры и, следовательно, отражать существование рифта в древние эпохи.

Выявлена зависимость интенсивности и частотного состава источников шума от их географического местоположения.

Практическая значимость

1. Разработанная методика позволяет по записям шума получать информацию о строении глубинных структур Земли, причем детальность и глубина восстановления структуры зависят от расстояния между станциями. При близких расстояниях между станциями появляется возможность использования методики для детального восстановления структуры коры, что может быть использовано, например, при поиске полезных ископаемых.

2. Показано, что выявленные глубинные аномалии связаны с геологическими структурами на поверхности Земли, что может быть использовано при построении геодинамических концепций.

Апробация работы и публикации

Промежуточные результаты работы докладывались на 5 Международной научно-практической геолого-геофизической конференции-конкурсе молодых ученых и специалистов «Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, Россия), основные результаты — на 7 Международной научной конференции «Проблемы Геокосмоса-2008», (Санкт-Петербург, Россия), 4 Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, Россия), 7 Международной научно-практической конференции молодых специалистов «Геофизика-2009» (Санкт-Петербург, Россия). По теме работы опубликовано 2 статьи и 3 тезиса докладов.

Защищаемые положения

1. Записи сейсмического шума на длиннопериодном канале (LH) позволяют определять групповые и фазовые скорости поверхностных волн в диапазоне периодов от 5 до 160 секунд.

2. Под всей исследованной территорией (ВЕП и ее обрамление) происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформы); подтверждается наличие палеорифта в Днепровско-Донецком авлакогене.

3. Интенсивность и частотный состав источников сейсмического шума зависят от их географического местоположения; шум со стороны Западной и Северной Европы более высокочастотен, в то время как шум со стороны Сибири характеризуется более низкими частотами.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации — 96 страниц машинописного текста, в том числе 43 рисунка, и 7

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Королева, Татьяна Юрьевна

Заключение

В ходе работы был создан программный пакет, позволяющий реализовать все этапы построения дисперсионных кривых поверхностных волн по данным о сейсмическом шуме. Его работоспособность подтверждена совпадением дисперсионных кривых, полученных по данным о шуме и по данным о землетрясениях. Создана база таких данных для 20 станций, расположенных на территории Восточно-Европейской платформы и в ее окрестностях.

Получены дисперсионные кривые групповой скорости волны Релея для 119 трасс, пересекающих ВЕП, которые использовались в качестве входных данных для поверхностно-волновой томографии. Это позволило восстановить трехмерную структуру распределения скоростей поперечной волны в рассматриваемом регионе.

1. Основные методические выводы работы состоят в следующем:

S Дисперсионные кривые поверхностных волн можно получать из данных о сейсмическом шуме вплоть до периодов порядка 100-160 с в зависимости от расстояния между станциями.

S Показано, что подходы к решению трехмерной задачи томографии, разнящиеся порядком решения задачи двумерной томографий и одномерной обратной задачи о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны, эквивалентны.

S Кросс-корреляционные функции шума позволяют оценивать зависимость частотного состава источников сейсмического шума от их пространственного распределения.

2. По результатам данной работы были сделаны следующие выводы относительно строения коры и верхней мантии ВЕП:

S Средняя скорость в коре минимальна в области Прикаспийской депрессии и Черноморской впадины (<3.3 км/с) и максимальна в области Балтийского щита (> 3.7 км/с).

S Под всей территорией ВЕП происходит понижение скоростей поперечных волн на глубинах от 150-200 км (щиты) до 250-300 км (платформа).

•S Под центром Днепровско-Донецкого авлакогена выявлена низкоскоростная аномалия, могущая являться реликтом плюмообразной структуры.

3. Построены так называемые шумограммы (карты распределения источников сейсмического шума) для различных периодов, наглядно показывающие зависимость распределения источников сейсмического шума от частоты.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Королева, Татьяна Юрьевна, Санкт-Петербург

1. Гизе П., Павленкова Н.И. Структурные карты земной коры Европы // Изв. АН СССР, Физика Земли, 1988, №10, с.3-14

2. Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В., Усеико О.В. Тепловое поле территории Украины. Киев, Знание Украины, 2002, 170 с.

3. Дитмар П.Г., Яновская Т.Е. Обобщение метода Бэйкуса-Гильберта для оценки горизонтальных вариаций строения Земли // Изв.АН СССР, сер.Физика Земли, 1987, №6. С.30-40.

4. Егорова Т.П., Старостенко В.И. Неоднородность верхней мантии Европы по комплексу геофизических данных// В кн.: Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Вып.2, М.,ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006. С.600-658.

5. Ильченко Т.В., Степаненко В.М. Скоростная модель земной коры и верхов мантии Донбасса и ее геологическая интерпретация // Геофизический журнал, №2, Т.20, 1998. С. 95-105.

6. Кившик Н.К., Стовба С.Н., Турчаненко Н.Т. Некоторые особенности строения Днепровско-Донецкой впадины по данным региональных сейсмостратиграфических исследований // Геол. журн., 1993, №2, С. 87-98.

7. Ковтун А. А., Вагин С.А., Варданян И.Л. и др. Анализ МТ и MB результатов а интервале периодов суточных вариаций по данным BEAR и определение «нормального» разреза Балтийского щита // Физика Земли, 2002, №11, с.34-53.

8. Кожевников В.М., Бармин М.П. Дисперсионные кривые групповых скоростей волн Релея для ряда регионов Азиатского континента. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1989, №9, с.16-25.

9. Кутас Р.И., Гордиенко В.В. Тепловой поток Украины. // Киев, Наук, думка, 1971, 147 с.

10. Ю.Левшин A.JI., Яновская Т.Е., Ландер A.JI. и др. Поверхностные сейсмические волны в горизонтально-неоднородной Земле (ред.В.И.Кейлис-Борок). // М., Наука, 1987. 277 с.

11. П.Нолет Г. Распространение сейсмических волн и сейсмическая томография // В кн. Сейсмическая томография, ред. Г.Нолета, Мир, 1990. С.9-33.12,Орлюк М.И., Пашкевич И.К. Магнитная модель юго-западного края

12. Восточно-Европейской платформы // Геофиз. журн., 1995, т.17, №6, с.31-36

13. Павленкова Н.И. Волновые поля и модель земной коры (континентального типа) // Киев, Наук, думка, 1973. 217 с.

14. Санина И. А., Ризниченко О.Ю. Томографический эксперимент SVEKALAPKO. В кн.: Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Вып.2, М.,ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006. С.70-78.

15. Соллогуб В.Б., Бородулин М.И., Чекунов А.В. Глубинное строение Донбасса и сопредельных территорий // Геол. журн. 1977, т.37, с.23-31

16. В.И.Старостенко, Р.А.Стифенсон (ред.) Проект GEORIFT: глубинное строение и эволюция Днепровско-Донецкой впадины и вала Карпинского. В кн.: Строение и динамика литосферы Восточной Европы. Вып.2,

17. М.,ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006. С.291-342.

18. Строение и динамика Восточно-Европейской платформы (Результаты исследований по программе EUROPROBE), выпуск 2. // Москва, ГЕОКАРТ, ГЕОС, 2006. 735 с.

19. Фарафонова Ю.Г., Яновская Т.Б. Строение верхней мантии западной части Восточно-Европейской платформы по скоростям поверхностных волн // Физика Земли, 2003, №8, с.3-10.

20. Фарафонова Ю.Г., Панца Дж.Ф., Яновская Т.Б., Дольони К. Структура верхней мантии в Альпийской зоне по данным поверхностно-волновой томографии // ДАН, 2007, т.416, №3, с. 388-391

21. Хаин В.Е. Региональная геотектоника: Внеальпийская Европа и Западная Азия. // М., Недра, 1977. 382 с.

22. Чирвинская М.В., Соллогуб В.Б. Глубинная структура Днепровско-Донецкого авлакогена по геофизическим данным // Киев, Наук.думка, 1980. 180 с.

23. Шатский Н. С. Основные черты строения и развития ВосточноЕвропейской платформы: сравнительная тектоника древних платформ // «Изв. АН СССР. Серия геологическая», 1946, № 1, с.5-62.

24. Яновская Т.Б. Оценка разрешения в задачах лучевой сейсмотомографии // Физика Земли, 1997, №9, с.76-80.

25. Яновская Т.Б., Кожевников В.М. Анизотропия верхней мантии Азиатского континента по групповым скоростям волн Релея и Лява. // Геология и геофизика, №5, 2006, С.622-629.

26. Яновская Т.Б., Порохова JJ.H. Обратные задачи геофизики. // Издательство С.-Петербургского университета, 2004, 214 с.

27. Яновская Т.Б., Кожевников В.М., Соловей О.А., Акчурин К.Р. Строение верхней мантии в Азии по фазовым и групповым скоростям релеевских волн // Физика Земли, №8, 2008, с.22-31

28. Backus G., Gilbert F. Numerical application of formalism for geophysical inverse problems. Geophys. J. Roy. astr. Soc. 1967 ,13, 247-276.

29. Bruneton M., H. A. Pedersen, Farra V. and the SSTW Group. Complex lithospheric structure under the central Baltic Shield from surface wave tomography//J. Geophys. Res., 109, В10303, doi: 10.1029/2003JB00294, P. 1-15.

30. Campillo M. and Paul A. Long range correlations in the diffuse seismic coda // Science, 2003, 299(5606), P.547-549.

31. Gee D.G., ZeyenH.J. EUROBRIDGE 1996 Lithosphere Dynamics: Origin and Evolution of Continents. // EUROPROBE Secretariat, Uppsala University, 1996. 138 p.

32. Henino R., Tregoures N.P., Shapiro N. M., Margerin L., Campillo M., van Tiggelen B. A. and Weaver R. L. Observation of Equipartition of Seismic Waves // Phys. Rev. Lett, 2001, v.86, №15, P.3447-3450.

33. Hestenes M.R., Stiefel E. Methods of conjugate gradients for solving linear systems. // Res.N.B.S., 1952, v.49, P.400-436.

34. KraevaN., Pinsky V., Hofstetter A. Seasonal variations of cross correlations of seismic noise in Israel // J. Seismol, 2009, v. 13, p.73-87.

35. Lin F.C., Ritzwoller M.H., Townend J., Savage M., Bannister S. Ambient noise Rayleigh wave tomography of New Zealand // Geophys. J. Int., 2007, v. 172,1. P.649-666.

36. Lin F.C., Moschetti M.P., Ritzwoller M.H. Surface wave tomography of the western United States from ambient seismic noise: Rayleigh and Love wave phase velocity maps // Geophys. J. Int., 2008, v. 173, P.281-298.

37. Lobkis O.I. and Weaver R.L. On the emergence of the Green's function in the correlations of a diffuse field // J.Acoust. Soc.Am. 2001, v.l 10., P.3011-3017.

38. Mantovani E., Nolet G., Panza G.F. Lateral heterogeneity in the crust of the Italian region from regionalized Rayleigh-wave group velocities. Ann.Geophys., 1985, v.3,No.4, 519-530.

39. Marquering H. and Snieder R. Shear-wave velocity structure beneath Europe, the northeastern Atlantic and western Asia from waveform inversions including surface-wave mode coupling // Geophys. J. Int., 1996, v. 127, P.283-304

40. Morse P. and Feshbach H. Methods of Theoretical Physics // McGraw-Hill, New York, 1953, Part I, Chap.7, c.791-895

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

42. Nakanishi I and Anderson D.L. Worldwide distribution of group velocity of mantle Rayleigh waves as determined by spherical inversion.

43. Bull.Seism.Soc.Am., 1982, v.72, 2063-2080.

44. Nolet G. Partitioned waveform inversion and the two-dimensional structure under the network of autonomously recording seismograph // J. Geophys. Res., 1990, V.95, P.8499-8512.

45. Paul, A., Campillo, M., Margerin, L., Larose, E., Derode, A. Empirical synthesis of time-asymmetrical Green functions from the correlation of coda waves // J. Geophys. Res, 2005, 110, B08302, doi: 10.1029/2004JB003521

46. Paulssen H., Bukchin B.G., Emelianov A.P., Lazarenko M., Muyzert E.J., Snieder R., Yanovskaya T.B. The NARS-DEEP project // Tectonophysics, 1999, V.313, P.1-8.

47. Roux P., Sabra K.G., Kuperman W.A. Ambient noise cross correlation in free space: Theoretical approach // J. Acoust. Soc. Am. 2005, v.l 17, P.79-84.

48. Sabra, K.G., Gerstoft, P., Roux, P., Kuperman, W.A., Fehler, M.C. Extracting time-domain Green's function estimates from ambient seismic noise // Geophys. Res. Lett., 2005(a), 32, L03310, doi: 10.1029/2004GL021862

49. Sabra K.G., Roux P., Kuperman W.A. Emergence rate of the time-domain Green's function from the ambient noise correlation function // J. Acoust. Soc. Am. 2005b, v.l 18, P.3524-3531.

50. Sato Y. and Santo T.A. World-wide distribution of the group velocity of Rayleigh waves as determined by dispersion data. Bull.Earthq.Res.Inst.Tokyo Univ. 1969, v.47, 31-41.

51. Shapiro N.M. and Campillo M. Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise Ii Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, L07614.

52. Shomali Z.H., Roberts R.O. Non-linear body wave teleseismic tomography along the TOR array // Geophys. J. Int., 2002, V.148, P.562-574.

53. Snieder R. Extracting the Green's function from the correlation of coda waves: a derivation based on stationary phase // Phys. Rev. E, 2004, v.69, 046610.

54. Tregoures N.P., Henino R., Lacombe C., Shapiro N. M., Margerin L., Campillo M. and van Tiggelen B. A. Multiple Scattering of Seismic Waves // Ultrasonics 40, 2002, P.269-274, (Proceedings of Ultrasonics International 2001, Delft).

55. Yang Y., Ritzwoller M.H., Levshin A.L., Shapiro N.M. Ambient noise Rayleigh wave tomography across Europe // Geophys. J. Int., 2007., v. 168., P.259-274.

56. Yao, H., van der Hilst, R.D., de Hoop, M. V. Surface-wave array tomography in SE Tibet from ambient seismic noise and two-station analysis. I. Phase velocity maps // Geophys.J.Int., 2006, 166, P. 732-744.