ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2010, № 4, с. 30-39
УДК 550.344.094.5
ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ МАНТИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ ПО ДАННЫМ ДИСПЕРСИИ ФАЗОВЫХ СКОРОСТЕЙ ВОЛН РЭЛЕЯ
© 2010 г. В. М. Кожевников, О. А. Соловей
Институт земной коры СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 128;
E-mail: kozh@crust.irk.ru Поступила в редакцию 19.02.2008 г.
По записям поверхностных волн Рэлея от удаленных землетрясений (M > 6.0) методом спектрально-временного анализа вычислены дисперсионные кривые фазовых скоростей основной моды этих волн на участках трасс между 51 парой цифровых сейсмических станций азиатских сетей IRIS в пределах диапазона периодов колебаний 10—200 с. Для каждой из этих пар станций получены одномерные скоростные разрезы поперечных волн (волн S), удовлетворяющие соответствующим дисперсионным кривым и отражающие интегральную структуру среды до глубин ~650—700 км под каждой из межстанционных сейсмических трасс, пересекающих область исследования в разных направлениях. На основе этих разрезов методом двумерной томографии [Яновская, 2001] получена трехмерная модель распределения скоростей волн S, отражающая особенности распределения крупных горизонтальных неоднородностей в мантии Центральной Азии на глубинах от 50 до 600 км, и построены двумерные скоростные разрезы для 5 профилей, проходящих через основные тектонические структуры Центральной Азии.
ВВЕДЕНИЕ
Результаты выполненных ранее исследований показали, что мантия Центрально-Азиатского региона имеет сложное неоднородное строение [1, 3, 9, 15—18]. Причем неоднородность строения проявляется как в горизонтальных направлениях, так и по глубине. Наблюдаемое чередование высокоскоростных и низкоскоростных слоев и включений на фоне общего увеличения скоростей сейсмических волн с глубиной свидетельствует о сложных геологических процессах, протекающих в верхней мантии. Из перечисленных выше работ все предыдущие исследования коры и мантии Азии поверхностными волнами базировались на данных о характере дисперсии групповых скоростей, вычисленных для трасс эпицентр-станция в пределах интервала периодов 10— 150 с, что позволяет получить информацию о строении среды до глубин не более 300—350 км [3, 15—17]. Используемый в настоящей работе подход основан на сведениях о дисперсии фазовых скоростей основной моды волн Рэлея на участках трасс между парами сейсмических станций. В результате была получена достаточно представительная выборка из 198 дисперсионных кривых в пределах интервала периодов колебаний от 10 до 200 с. Это дает возможность довести глубинность метода до 600 км и получить новые данные об особенностях строения мантии в Центральной Азии.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ
При исследовании горизонтальных неоднород-ностей верхней мантии Восточной Сибири, Монго-
лии, Забайкалья и Северного Китая использовались записи поверхностных волн Рэлея от землетрясений на широкополосных цифровых сейсмических станциях сетей IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology, USA). Эпицентры землетрясений располагались в пределах бассейнов Атлантического, Индийского и Тихого океанов, вдоль западного побережья Северной Америки, на юго-востоке Африканского континента и в Средиземноморье.
Выбор землетрясений был обусловлен качеством записей поверхностных волн (соотношением сигнал-шум) и положением их эпицентров. Все используемые в работе землетрясения выбирались таким образом, чтобы их эпицентры располагались в непосредственной близости от дуги большого круга, проходящий через ту или иную пару регистрирующих станций на участках, между которыми планировались вычисления дисперсионных кривых фазовых скоростей. Отклонение по азимуту от положений межстанционных профилей допускалось не более 5°. Всего в работе использовано 69 землетрясений за период с 1994 по 2006 гг. с магнитудами не менее 6.0. Диапазон эпицентральных расстояний при этом составлял, за редким исключением, 8—15 тыс. км, что позволяет вычисление дисперсионных кривых на периодах до 200 и более секунд. В настоящей работе интервал периодов составлял 10—200 с.
Вычисления фазовых скоростей осуществлялись с применением метода спектрально-временного анализа (метод СВАН). При этом была использована компьютерная программа, разработанная в Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (МИТП) под руководством проф. А.Л. Левшина
[7, 15]. С помощью этого метода из исходных сейсмограмм были выделены основные моды волн Рэ-лея в чистом виде. Предварительно цифровые записи поверхностных волн пересчитывались в смещения, что позволило учесть фазовые задержки регистрирующей аппаратуры. Их учет осуществлялся с помощью пакета программ SAC (Seismic analysis code), разработанного в IRIS DMC (Data Management Center). Затем по фазовым спектрам очищенных от "помех" записей основных мод волн Рэлея вычислялись межстанционные фазовые скорости. В результате была получена выборка из 198 дисперсионных кривых для 51 пары сейсмических станций в пределах интервала периодов 10—200 сек. Таким образом, для каждой из пар сейсмических станций было получено от 3 до 7 дисперсионных кривых, что позволило осуществить контроль их воспроизводимости. При этом практически во всех случаях эпицентры использовавшихся землетрясений располагались с двух сторон от профилей, образованных этими парами. Учитывая тот факт, что фаза может быть определена только с точностью до ±2яя, где n — целая константа, задавая которую можно получить множество ветвей дисперсионной кривой, выбор одной из них осуществлялся исходя из ее близости на длинно-периодном участке к дисперсионной кривой, вычисленной по параметрам модели PREM [14]. Затем,
дисперсионные кривые для каждого отдельного профиля усреднялись и вычислялись стандартные отклонения скоростей от их средних значений. В качестве погрешностей определения принимались удвоенные значения этих отклонений. В результате была получена выборка из усредненных дисперсионных кривых фазовых скоростей основной моды волн Рэлея для 51-й межстанционной сейсмической трассы, пересекающих область исследования в разных направлениях (рис. 1). Диапазон расстояний между парами регистрирующих станций составлял при этом 1000-3000 км.
Анализ ошибок определения фазовых скоростей показал, что наименьшие относительные ошибки (в пределах 2%) приурочены к интервалу периодов 30120 с. На периодах от 120 до 200 с их величины варьируют от 1 до 3%. Максимальные оценки ошибок (до ~10%) получены для периодов колебаний 10-15 с и поэтому данные участки дисперсионных кривых рассматриваются как малонадежные. Однако на характер дисперсии фазовых скоростей на коротких периодах оказывает влияние только скоростная структура земной коры. Поэтому на результаты моделирования скоростной структуры мантии, являющейся предметом рассмотрения в данной работе, участки дисперсионных кривых, соответствую-
50 10 150 Период, с б
Скорость, км/с 4 5
200
250
200
400 -
600
800 L
Рис. 2. Дисперсионные кривые фазовых скоростей волн Рэлея для сейсмической трассы между регистрирующими станциями Арти-Талая (а), выделенной жирным пунктиром на рис. 1, и скоростной разрез волн 8 в коре и мантии, удовлетворяющий усредненной дисперсионной кривой (б). 1 — дисперсионные кривые фазовых скоростей, вычисленные по данным 9 землетрясений, 2 — усредненная дисперсионная кривая с интервалами погрешностей осреднения фазовых скоростей, 3 — дисперсионная кривая, вычисленная по параметрам модели.
щие диапазону периодов 10—15 с, практического влияния не оказывают. На рис. 2 в качестве примера приведены исходные и усредненная дисперсионные кривые с оценками погрешностей определения фазовых скоростей.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ КАРТИРОВАНИЯ СКОРОСТЕЙ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
При решении задачи исследования трехмерной структуры среды по данным поверхностных волн практикуются два подхода. Один из них основан на картировании скоростей поверхностных волн методом двумерной томографии с последующим восстановлением в заданных точках области исследования локальных дисперсионных кривых. Обращение этих кривых позволяет вычислить в каждой из заданных точек одномерные скоростные разрезы. Однако такой подход требует большого количества сейсмических трасс, чтобы получить приемлемое разрешение результатов картирования. В случае ограниченного количества трасс, что, как правило, наблюдается при исследованиях строения среды по данным дисперсии фазовых скоростей поверхностных волн на участках сейсмических трасс между парами регистрирующих станций, используется иной подход. Этот подход заключается в решении обратных задач с целью восстановления одномерных скоростных разрезов поперечных волн, удовлетворяющих межстанционным дисперсионным кривым и отражающим интегральную структуру среды вдоль трасс между парами сейсмических станций. На основе полученных таким образом разрезов для каждой из фиксированных глубин методом двумерной томографии вычисляются карты распределения сейсмических скоростей.
В настоящей работе, в силу ограниченного количества межстанционных сейсмических трасс, при картировании скоростей поперечных волн (волн S) в мантии Центральной Азии был использован второй подход. Картирование осуществлялось с использованием метода двумерной томографии, основанного на формализме Бэйкуса-Гильберта [12]. Алгоритм и программа метода для случая сферической поверхности были разработаны проф. Санкт-Петербургского университета Т.Б. Яновской [11, 16, 17].
Вычисление одномерных скоростных разрезов волн S, удовлетворяющих усредненным дисперсионным кривым, выполнялось с помощью программы, алгоритм которой основан на минимизации целевой функции методом сопряженных градиентов [6]. Программа разработана в МИТП под руководством проф. А.Л. Левшина. При вычислениях скоростных разрезов в качестве исходной была принята модель внутреннего строения Земли PREM [14]. Все вычисления выполнялись для моделей горизонтально-слоистой среды, параметрами которой являлись скорости продольных и поперечных волн в слоях, а также плотности материала в каждом слое и мощности этих слоев. Известно, что на характер дисперсии поверхн
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.