научная статья по теме СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В МАНТИИ ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В МАНТИИ ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 8, с. 34-40

УДК 550.311

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В МАНТИИ ЗЕМЛИ

© 2004 г. В. Ю. Бурмин

Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, г. Москва Е-таИ:Ьигтт@1/1.ги Поступила в редакцию 02.04.2003 г.

На основе монтажей записей сейсмических колебаний коровых (с глубинами не более 33 км) землетрясений, зарегистрированных мировой сетью, построены годографы рефрагированных и отраженных короткопериодных продольных сейсмических волн, распространяющихся в мантии Земли. По этим годографам получен скоростной разрез мантии, хорошо согласующийся с наблюденными данными. Особенностью скоростного разреза мантии является наличие в верхней ее части двух слоев с пониженной скоростью. Первый слой мощностью около 162 км начинается на глубине 132 км и соответствует разрыву годографа в диапазоне 10-12 градусов. Второй слой мощностью 180 км начинается на глубине около 1300 км и соответствует разрыву годографа на 50 градусах.

ВВЕДЕНИЕ

В 1939 г. Джеффрисом [Jeffreys, 1939] было проведено определение скоростного разреза для всей Земли по временам пробега сейсмических волн от землетрясений. Времена пробега сейсмических волн были взяты из таблиц построенных ранее Г. Джеффрисом и К.Е. Булленым [Jeffreys, Bullen, 1935]. Позднее эти таблицы уточнялись, и последний их вариант был опубликован, по-видимому, в 1967 году. По сути, им была предложена первая стандартная скоростная модель Земли.

Аналогичные таблицы времен пробега сейсмических волн и соответствующие им скоростные модели Земли строились и другими исследователями. Наиболее полные из них были построены Б. Гуттенбергом и Ч. Рихтером [Gutenberg, Richter, 1936]. Б. Гуттенбергом так же была предложена скоростная модель Земли [Гутенберг, 1963], которая несколько отличалась от модели Г. Джеффриса, особенно в верхней мантии Земли и в зоне F земного ядра.

Дж. Таггарт и Э. Энгдал [Taggart, Engdahl, 1968], основываясь на новых таблицах времен пробега Р-волн от землетрясений и ядерных взрывов [Herrin, Tucker, Taggart et al., 1968], дали скоростной разрез мантии и соответствующее значение радиуса ядра Земли, равное 3477 ± 2 км.

Э. Энгдал и Л. Джонсон [Engdahl, Johnson, 1974], обращая времена пробега короткопериодных РсР- и Р-волн методом Бейкуса-Гильберта, получили скоростной разрез мантии и значение радиуса земного ядра, равное 3484.2 ± 2.9 км.

В.Ю. Бурмин, с целью определения скорости продольных волн в мантии и уточнения величины

радиуса земного ядра провел анализ наиболее полных данных о временах пробега объемных сейсмических волн и получил скоростной разрез мантии [Бурмин, 1994] по методике изложенной в работе [Бурмин, 1993]. Им были рассмотрены сглаженные годографы Р- и РсР-волн, построен-

Распределение скорости продольных сейсмических волн в мантии Земли

H, км vp, км/с H, км vp, км/с H, км vp, км/с

0.00 6.01 640.00 10.07 1500.00 12.20

5.22 6.01 663.17 10.34 1600.00 12.30

5.22 6.03 717.65 10.70 1700.00 12.45

41.13 6.10 742.41 10.82 1800.00 12.65

41.13 7.96 765.61 10.92 2000.00 12.80

116.82 7.93 794.12 11.01 2100.00 12.95

116.82 8.45 797.48 11.01 2200.00 13.05

132.42 8.46 805.03 11.02 2300.00 13.15

132.45 8.20 810.37 11.03 2400.00 13.25

294.54 8.50 877.64 11.18 2500.00 13.35

294.60 8.87 954.83 11.40 2600.00 13.50

301.77 8.89 970.03 11.43 2700.00 13.60

344.90 9.03 973.81 11.43 2750.00 13.62

412.59 9.10 983.91 11.42 2780.00 13.65

412.59 9.30 1035.36 11.45 2800.00 13.64

476.11 9.64 1148.94 11.64 2830.00 13.60

508.01 9.79 1287.92 11.86 2860.00 13.56

519.66 9.83 1288.00 11.50 2893.000 13.50

555.04 9.95 1397.00 11.95 2893.000 8.1

640.00 9.95 1400.00 12.05

240 220 200 180 160

о in

140 2

120 I Н II

100 £ 80

60

40

20

20

40 60

Расстояние, град

80

100

Рис. 1. Монтаж сейсмограмм и теоретический годограф рефрагироваииых воли для скоростной модели мантии 1Л8РБ191.

0

0

ные С.Д. Коган [Коган, 1980 а; б], и наблюденные годографы мантийных Р-волн, полученные в [Herrin, Tucker, Taggart et al., 1968], и PcP-волн, полученные в [Taggart, Engdahl, 1968].

При создании модели PREM А. Дзивонский и Д. Андерсон [Dziewonsky, Anderson, 1981] помимо времен пробега объемных волн использовали данные о собственных колебаниях Земли.

Одной из современных сейсмологических моделей, получивших широкое признание, является модель IASPEI91 (International Association of Seismology and Physics of the Earth's Interior) [Kennett, 1992].

Особенностью всех существующих скоростных моделей мантии является то, что, начиная с расстояний 20 градусов времена пробега сейсмических волн, рассчитанные по ним, плохо ложатся на первые вступления высокочастотных записей продольных сейсмических волн (см. рис. 1). Причины этого будут указаны ниже. Кроме этого, все перечисленные выше авторы для построения скоростных разрезов используют таблицы времен пробега сейсмических волн (как правило, сглаженные не корректным способом, например,

[Arnold, 1968]), что не позволяет проконтролировать правильность интерпретации волнового поля, то есть построения годографов сейсмических волн. Все это дало повод к тому, чтобы, используя современную методику обращения сейсмических годографов [Бурмин, 1994], заново определить скоростной разрез мантии и сопоставить теоретические годографы с монтажом записей высокочастотных (0.5-5.0 Гц) сейсмических волн.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В работе используются экспериментальные данные, содержащие записи сейсмических волн, прошедших через мантию Земли и позволяющие построить соответствующие им годографы для интерпретации. Были использованы цифровые сейсмические данные Национального информационного центра (МБ1С) мировых сейсмологических данных департамента геологической службы США, полученные мировой сетью за период с 1980 по 1987 гг. Эти данные содержат записи длиннопериодных, промежуточных и короткопе-

240 220 200 180 160

о 1Л

140 2

120 I Н II

100 Ё 80 60 40 20

20

40 60

Расстояние, град

80

100

Рис. 2. Монтаж сейсмограмм и теоретический годограф рефрагированных волн для новой скоростной модели мантии.

0

0

риодных сейсмографов. Для интерпретации были использованы записи короткопериодных приборов (с полосой пропускания от 0.1 до 6 Гц) поскольку они имеют более высокую разрешающую способность.

Были просмотрены записи сейсмических волн от всех землетрясений за указанный период с маг-нитудой больше 5.5, расположенных на глубинах, не превышающих 33 км. Для интерпретации были отобраны те сейсмограммы, которые имели наиболее четкие записи сигнала.

Все записи были отфильтрованы в полосе частот 0.5-5.0 Гц и приведены к дневной поверхности, с учетом разности времен пробега волн и сейсмического сноса. Данные представлены в виде монтажа сейсмограмм вертикальной компоненты сейсмографов в диапазоне эпицентральных расстояний от 0° до 105° и времен от 0 до 250 с, в редукции 0.15 град/с (рис. 1, рис. 2). Каждая запись нормирована на максимальную амплитуду колебаний в трассе. Всего в монтаже содержится 272 записи.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

При рассмотрении теоретического годографа продольных рефрагированных волн, рассчитанного для модели 1А8РБ191, наложенного на монтаж сейсмограмм (рис. 1), хорошо видно, что после 20 градусов годограф проходит ниже первых вступлений. Чтобы согласовать теоретический годограф с наблюденными данными, в интервале глубин 150-300 км необходимо ввести слой пониженной скорости. В этом случае совпадение теоретических и экспериментальных данных оказывается гораздо лучше (рис. 2), чем в модели 1А8РБ191.

На рис. 3 приведены монтаж сейсмограмм и теоретический годограф рефрагированных волн в диапазоне расстояний 0-30 градусов и времен 0-40 с в редукции 0.08 град/с. На представленном монтаже выделяются несколько ветвей годографа. Ветвь а соответствует волне с кажущейся скоростью от 6.0 до 6.1 км/с. Следует отметить, что начальная часть годографа представляет собой осреднение нескольких ветвей, отвечающих волнам, распространяющимся в земной коре. Мощность коры в данном случае соответствует 41.1 км (рис. 6). Ветвь б отвечает волнам, распространяющимся в

10 20 Расстояние, град

35

30

25

?5

30

00 о о

X 20 I

15

10

Рис. 3. Монтаж сейсмограмм и теоретические годографы для новой скоростной модели мантии в диапазоне эпицент-ральных расстояний 0-30 градусов времен 0-40 с в редукции 0.08 град/с.

220

40

70

180

50 60

Расстояние, град

Рис. 4. Монтаж сейсмограмм и теоретические годографы для новой скоростной модели мантии в диапазоне эпицент-ральных расстояний 35-75 градусов времен 180-220 с в редукции 0.15 град/с.

0

Скорость, км/с

5 10 15

Рис. 5. Распределение скорости продольных волн в мантии Земли: 1 - скоростная модель мантии 1Л8РЕ191; 2 - скоростная модель мантии, полученная в настоящей работе.

слое от 41.1 до 116.8 км со скоростью =7.95 км/с. Ветвь в соответствует волне с быстро затухающей амплитудой колебаний, распространяющейся в тонком слое (116.8-132.4 км) со скоростью 8.45 км/с (см. рис. 5). Далее хорошо виден разрыв годографа, который соответствует слою с пониженной скоростью мощностью 162.1 км со скоростью 8.25-8.3 км/с. Ветви „ и д соответствуют волнам с кажущими скоростями от 8.87 до 9.95 км/с, распространяющимся ниже слоя с пониженной скоростью (X > 294.5 км). Существенным в данном случае является то, что сейсмические записи, первые вступления которых огибает ветвь в, получены на различных станциях и от разных, достаточно удаленных друг от друга землетрясений. Последнее обстоятельство указывает на то, что

разрыв годографа на 10 градусах имеет глобальный характер. Следует отметить, что примерно на этих же глубинах расположен волновод и в модели Б. Гутенберга [Гутенберг, 1963]. Более того, волноводы в верхней части мантии присутствуют во многих моделях, полученных на длинных профилях от ядерных взрывов [МесЫе е! а1., 1993; Яу-Ъег§ е! а1., 1998], но на несколько других глубинах. Следует отметить, что и в этих работах нет непосредственного сравнения (наложения) теоретических годографов с монтажами сейсмических записей. И хотя по полученным моделям рассчитаны синтетические сейсмограммы, все же трудно с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком