научная статья по теме СКОРОСТНОЕ СТРОЕНИЕ КАРПАТСКОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ ШУМОВОЙ ПОВЕРХНОСТНО-ВОЛНОВОЙ ТОМОГРАФИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СКОРОСТНОЕ СТРОЕНИЕ КАРПАТСКОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ ШУМОВОЙ ПОВЕРХНОСТНО-ВОЛНОВОЙ ТОМОГРАФИИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 5, с. 44-50

УДК 550.347

СКОРОСТНОЕ СТРОЕНИЕ КАРПАТСКОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ ШУМОВОЙ ПОВЕРХНОСТНО-ВОЛНОВОЙ ТОМОГРАФИИ

© 2014 г. Т. Б. Яновская, Е. Л. Лыскова, Т. Ю. Королева

Санкт-Петербургский государственный университет E-mail: yanovs@yandex.ru Поступила в редакцию 07.02.2014 г.

Построены дисперсионные кривые групповых скоростей релеевских волн по 60-ти межстанционным трассам в центральной Европе на основе кросс-корреляционной функции сейсмического шума. Эти данные совместно с полученными ранее [Яновская, Лыскова, 2013] были использованы для получения трехмерного распределения скоростей поперечных волн в верхней мантии Карпатского региона. В настоящей работе результаты уточнены как за счет добавления дополнительных данных по трассам, пересекающим Карпатскую область, так и за счет модификации методики построения локально-сглаженных дисперсионных кривых для получения более компактного разрешения. Полученные результаты указывают на сложное разнонаправленное движения плит в регионе.

DOI: 10.7868/S0002333714050081

ВВЕДЕНИЕ

В предыдущих статьях [Яновская, Лыскова, 2013; Лыскова, Яновская, 2013] методом шумовой поверхностно-волновой томографии были получены предварительные данные о вариациях строения верхней мантии Западной Европы и, в частности, зоны Карпатской дуги. Основной результат этих работ заключался в том, что была выявлена локализованная зона пониженной скорости в верхней мантии на глубинах 175—250 км несколько севернее зоны глубокофокусных очагов Вранча. Также была обнаружена высокоскоростная аномалия на глубинах 150—200 км под Тран-сильванией, указывающая на опускание высокоскоростной литосферной плиты в направлении с северо-востока на юго-запад, что находится в согласии с [Mason et al., 1998]. В то же время приведенные в упомянутых работах результаты следует рассматривать как предварительные вследствие ограниченного объема данных для томографической реконструкции. В настоящей работе результаты уточнены как за счет добавления дополнительных данных по трассам, пересекающим Карпатскую область, так и за счет модификации методики построения локально-сглаженных дисперсионных кривых для получения более компактного разрешения. Это позволило получить хотя и более сглаженное, но, во всяком случае, более уверенное представление о строении верхней мантии в области Карпатской дуги и зоны Вранча. Подтвержден полученный ранее вывод [Лыскова, Яновская, 2013] о возможной субдук-ции литосферы в восточной части региона в направлении NNE—SSW и ее разрыв в зоне Вранча. Также выявлено опускание литосферной плиты в

направлении NW—SE — параллельно линии Торнквиста—Тессейра — от Западно-Европейской платформы через Паннонский бассейн к Мизий-ской плите. Эти результаты подтверждают высказывавшееся рядом других исследователей предположение о сложном взаимодействии микроплит в зоне Вранча и их разнонаправленном движении [Balla, 1987; Sandulescu, 1988; Csontos et al., 1992; Mason et al., 1998].

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходными данными для томографии являются дисперсионные кривые релеевских волн на трассах между парами сейсмических станций на европейском континенте. В дополнение к полученным ранее 300-м кривым, использованным в работах [Яновская, Лыскова, 2013; Лыскова, Яновская, 2013], построены дисперсионные кривые на 60-ти трассах между парами станций в Центральной Европе. Дисперсионные кривые строились по корреляционным функциям сейсмического шума в интервале периодов 10—100 с методом, описанным в ряде работ [Королева и др., 2009; 2010]. Существенным элементом в модернизации этой методики явился обнаруженный факт вклада землетрясений в сейсмический шум на периодах более 40—50 с [Яновская, Королева, 2011]. Для того, чтобы источники шума не были сконцентрированы в локализованных областях, для построения корреляционных функций производилось их суммирование за промежутки времени, когда отсутствовала кластеризация землетрясений [Яновская и др., 2012]. Такими годами являются годы 2001, 2002, 2003, 2007, 2008 и 2010. Общая карта межстанционных трасс изображена на рис. 1.

Рис. 1. Схема межстанционных трасс, по которым определялись дисперсионные кривые.

Здесь, в отличие от предыдущей работы [Яновская, Лыскова, 2013], наиболее густое покрытие региона трассами имеет место в центральной части Западной Европы, включающей Карпатскую область. Соответственно наиболее высокая разрешающая способность данных оказывается именно в этой части региона. Если грубо оценивать разрешающую способность данных величиной радиуса Я эквивалентной области сглаживания [Дитмар, Яновская, 1989], то видно (рис. 2), что наилучшее разрешение, действительно, достигается в центральной части Западной Европы, где величина Я составляет примерно 300 км. Поэтому дальнейший анализ (построение локальных дисперсионных кривых методом 2D-томографии и оценка по ним скоростного распределения ¿-волн в верхней мантии) выполнялся в области наилучшего разрешения (она оконтурена на рис. 2). Методика построения локальных дисперсионных и скоростных разрезов описана в последующих разделах.

ПОСТРОЕНИЕ ДИСПЕРСИОННЫХ КРИВЫХ

В соответствии с методикой поверхностно-волновой томографии вначале выполнялась 2D-томо-графия скорости поверхностной волны для каждого фиксированного периода, т.е. определялась скорость для этого периода на сетке значений (была принята сетка 2° по широте и 3° по долготе), затем по совокупности полученных значений скорости для всех периодов в выбранной точке сетки строилась локальная (точнее, локально-сглаженная) дисперсионная кривая. В ряде случаев получаю-

щаяся таким способом дисперсионная кривая оказывалась недостаточно гладкой за счет разного рода ошибок, которые могли быть обусловлены как ошибками при определении дисперсионных кривых по индивидуальным корреляционным функциям, так и тем обстоятельством, что количество данных для томографии для разных периодов несколько отличалось: максимальное число трасс, по которым осуществлялась томография, составляло 360 для периодов 30—60 с, для меньших и больших периодов их число было несколько меньше (порядка 300).

Пример такой дисперсионной кривой, полученной в результате томографического восстановления, показан открытыми кружками на рис. 3 для точки с координатами ф = 48° с.ш., X = 32° в.д.

Но даже если бы так называемая "локальная" дисперсионная кривая строилась по одному и тому же количеству трасс для всех периодов, то она представляла бы собой результат сглаживания по весьма сложной области, сосредоточенной вдоль трасс, а не компактно окружающей рассматриваемую точку. Это можно иллюстрировать следующим примером.

Строго говоря, в результате томографического восстановления мы получаем в данной точке х сглаженное значение вариации скорости (5К(х)) =

= ЦА(х, х)5Г(хУх\ где А(х, х') — сглаживающее

ядро, а 8К (х') — любое распределение вариации скорости, удовлетворяющее исходным данным (временам пробега вдоль трасс). Очевидно, что чем более сосредоточено ядро в окрестности точ-

40°'

R, км

200 400 600 800

Рис. 2. Распределение радиуса R эквивалентной области сглаживания.

ки x, тем ближе получающееся сглаженное решение к истинному значению в точке x. На самом же деле ядро является сингулярным вдоль лучей (трасс) и равным нулю вне лучей. Изобразить графически такое ядро можно только приближенно, рассматривая не точное значение A(x, x'), а сглаженное в некоторой окрестности луча. Смысл этого в том, что хотя в томографических построениях луч принимается бесконечно-тонкой линией, в действительности для конечных частот он имеет некоторую ширину [Yoshizawa, Kennett, 2002; Sieminski et al., 2004; Яновская, Манучарова, 2006]. На рис. 4а изображено такое сглаженное ядро в точке ф = 46° с.ш., X = 26° в.д. И хотя ядро имеет максимум в окрестности этой точки, оно заметно отличается от нуля вдоль лучей. Это означает, что вклад в решение (5 F(x)) в этой точке получается не только за счет значений в окрестности этой точки, но и за счет значений на достаточно больших удалениях.

Очевидно, что желательно сделать сглаживающее ядро по возможности более компактным, чтобы исключить вклад в решение удаленных точек. С этой целью мы строим решение в каждой точке путем усреднения решений в точках, окружающих рассматриваемую. Сглаживающее ядро для приводимой в качестве примера точки изображено на рис. 4б. Хотя оно оказывается растянутым по более широкой площади, но в нем отсут-

ствуют сильно вытянутые лепестки, и оно оказывается более компактным.

Такое усреднение приводит к более реалистичной дисперсионной кривой, в которой исключены выбросы на отдельных периодах. На рис. 3 крестиками показаны значения скорости, полученные в результате описанного выше усреднения. Дисперсионная кривая получается более гладкой, и для нее оказывается возможным более однозначно подобрать удовлетворяющий ей скоростной разрез, чем для исходной кривой с разбросом. На рис. 3 пунктиром показана дисперсионная кривая, отвечающая скоростному разрезу, принятому в качестве решения обратной задачи.

ПОСТРОЕНИЕ СКОРОСТНЫХ РАЗРЕЗОВ

Следующим этапом томографической реконструкции являлось решение обратной одномерной задачи — восстановление вертикальных скоростных разрезов в точках сетки по дисперсионным кривым групповых скоростей. Эта задача, как известно, нелинейная, и ее решение не единственно и существенно зависит от выбора начального приближения. В предыдущих работах мы на основании некоторых априорных представлений выбирали в качестве начального приближения скоростной разрез в реперной точке; далее полученное в этой точке решение брали в качестве начального приближения в соседних точках и т.д.

Скорость, км/с 4.0

3.6

3.2

2.8

о.-8

Я'

8

о

X /

Я Я'

20

40

60

80 100 Период, с

Рис. 3. Исходные значения групповой скорости (полые кружки) и сглаженные (крестики) в точке с координатами ф = 48° с.ш., X = 32° в.д. Пунктир — дисперсионная кривая, отвечающая скоростному разрезу, принятому в качестве решения обратной задачи.

Однако при таком подходе возникала опасность того, что из-за неединственности решения некоторые особенности разреза в предыд

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