ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 5, с. 3-11
УДК 550.347
СКОРОСТНОЕ СТРОЕНИЕ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ЕВРОПЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ШУМОВОЙ ПОВЕРХНОСТНО-ВОЛНОВОЙ ТОМОГРАФИИ © 2013 г. Т. Б. Яновская, Е. Л. Лыскова
Санкт-Петербургский государственный университет E-mail: yanovs@yandex.ru Поступила в редакцию 25.01.2013 г.
Методика поверхностно-волновой томографии, использующая записи сейсмического шума (ANT), применена к данным, полученным на станциях Восточной и Западной Европы. Для уменьшения влияния землетрясений на больших периодах кросс-корреляционные функции вычислялись за 2001—2003 годы, когда отсутствовали отчетливые кластеры землетрясений. По локальным дисперсионным кривым в интервале периодов 10—100 с построены вертикальные скоростные разрезы в узлах сетки 3° х 3°. На их основе построены горизонтальные распределения вариаций скорости поперечной волны в верхней мантии на глубинах 75—275 км, а также вертикальные сечения скорости на профилях, пересекающих зону Вранча и область Балтийского и Украинского щитов. Показано, что распределение скорости в зоне Вранча подтверждает предположение некоторых авторов о субдук-ции древней океанической плиты с востока на запад и отрыв нижней части этой плиты. Под литосферой Балтийского щита присутствует зона пониженной скорости, которая может интерпретироваться как астеносферный слой. Отмечается подобие скоростных распределений под Балтийским и Украинским щитами, что может указывать на генетическую связь между этими структурами.
DOI: 10.7868/S0002333713040108
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие для исследования горизонтальных вариаций верхней толщи Земли применяется метод шумовой поверхностно-волновой томографии (Ambient Noise Tomography — ANT). Этот метод основан на том, что кросс-корреляционная функция шума (ККФ) на паре станций определяет функцию Грина поверхностной волны при условии более или менее равномерного распределения источников шума по поверхности Земли. Если считать источниками "внешнего" сейсмического шума атмосферные возмущения и океанические штормы и иметь в виду, что частотный состав спектров таких возмущений ограничен периодами 1—30 с, и что за длительный промежуток времени (порядка года) источники такого шума, действительно, могут считаться распределенными равномерно по поверхности, то такой поход оказывается весьма эффективным для изучения строения земной коры. Однако, для получения информации о строении верхней мантии до глубин несколько сотен километров необходимы данные о дисперсии поверхностных волн для периодов 100—200 с. Такие периоды присутствуют в спектрах сейсмического шума, но, как показано в работе [Яновская, Королева, 2011] источниками такого шума являются в основном землетрясения, очаги которых не распределены равномерно
по поверхности. Неравномерное распределение очагов, и особенно кластеризация очагов в ограниченной зоне, приводит к искажению ККФ и соответственно к искажению дисперсионной кривой. Для ослабления влияния неравномерности распределения очагов предложено при построении ККФ использовать записи сейсмического шума за длительный период, в котором отсутствует отчетливая кластеризация землетрясений. Такими оказались годы 2001, 2002 и 2003. К данным, использованным в работе [Яновская и др., 2012] с учетом этих лет, были добавлены данные на парах станций в Западной Европе (ЗЕ) и на Восточно-Европейской Платформе (ВЕП). Это дало возможность с большой степенью уверенности определить дисперсионные кривые в интервале периодов 10—100 с и определить вариации скоростного строения верхней мантии на достаточно обширной территории центральной части ЗЕ и на ВЕП.
МЕТОДИКА
В соответствии с [Bensen et al., 2007] при построении ККФ шума производится подавление сигналов от землетрясений путем нормализации записи на скользящее среднее. Однако, несмотря на это, сигналы от землетрясений, хотя и в значи-
ЯНОВСКАЯ, ЛЫСКОВА (а) (б) (в)
0 50 100 150 200
2005
М > 3
2005
3 < М < 5
-1000 -500 0
Время, с
ККФ
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
500 1000
ККФ
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10
-1000 -500 0 500 Время, с
1000
2001+2002 +2003
1000
500 0 500 Время, с
ККФ
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
1000
Рис. 1. В верхней части рисунка приведены примеры распределения условной плотности землетрясений (число землетрясений, нормированное на площадь ячейки размером 3° х 3°): (а) — всех землетрясений в 2005 году с М > 3; (б) — всех землетрясений в 2005 году за исключением землетрясений с M> 5; (в) — среднее распределение за 2001, 2002, 2003 годы. В нижней части — кросс-корреляционные функции между станциями Обнинск (OBN) и Арти (ARU) и результаты их узкополосной фильтрации. Справа указаны центральные периоды фильтров.
тельно меньшей степени, остаются в записи шума и соответственно искажают ККФ. В работе [Яновская, Королева, 2012] были намечены два способа подавления эффекта землетрясений, приводящего к искажению ККФ. Один способ заключался в том, чтобы при вычислении ККФ исключать из записей (занулять) промежутки времени, в которые приходят волны от достаточно сильных землетрясений. Такими принимались землетрясения с М > 5. Это приводило к исключению примерно 10% записей, что при суммировании за год представлялось не слишком большим. Уменьшение этого порога привело бы к исключению значительной части записей, поскольку число таких землетрясений в соответствии с законом Гутенберга резко возрастает с уменьшением магнитуды. Проверка этого способа в целом ряде случаев показала, что в годы, когда имело место скопление землетрясений в ограниченной по размерам зоне, этот способ хотя и ослабляет вклад землетрясений в ККФ, но не исключает его. Это особенно касается таких перио-
дов времени, когда происходило сильное землетрясение, сопровождавшееся большим количеством афтершоков. После исключения записей землетрясений с М > 5 — если такое землетрясение не оказывалось на продолжении межстанционной трассы — оставалось еще большое число более слабых землетрясений в том же месте, волны от которых приводили к искажению ККФ. Пример показан на рис. 1а, 1б. В качестве оценки количества землетрясений в том или ином месте была принята так называется условная плотность землетрясений, способ вычисления которой описан в работе [Яновская, Королева, 2011]. В верхней части рис.1 изображены карты распределения условной плотности землетрясений (а) — всех землетрясений в 2005 году с М > 3; (б) — то же с исключением землетрясений с М > 5, (в) — среднее за 2001, 2002, 2003 год. В 2005 году имело место скопление землетрясений, являющихся афтер-шоками землетрясения 24.12.2004 на Суматре. Исключение из этих данных землетрясений с М > 5 мало изменило картину плотности земле-
трясений из-за большого количества афтершоков с M < 5. А в 2001, 2002 и 2003 годы не происходило таких сильных землетрясений, и соответственно отсутствовала их кластеризация в отдельных местах. По каждой из карт приведены кросс-корреляционные функции записей станций OBN и ARU, и результаты их фильтрации узкополосными фильтрами. Видно, что исключение записей землетрясений с M > 5 практически не изменяет кросс-корреляционные функции, на которых проявляется отчетливое возмущение раньше того, которое должно отвечать приходам волн с продолжения межстанционной трассы. Это свидетельствует о том, что и сравнительно слабые землетрясения вносят вклад в длиннопериодный (Т > 30 с) шум. Этот факт можно объяснить тем, что на достаточно удаленных станциях внешние источники (атмосферные) не создают когерентного шума, так что на его фоне даже слабые поверхностные волны от не слишком сильных землетрясений вносят вклад в корреляционную функцию. Это видно на рис.1в: за 2001—2003 годы суммарное распределение эпицентров землетрясений оказывается близким к равномерному, и кросс-корреляционная функция оказывается почти симметричной и неискаженной.
На основе таких рассмотрений для других лет и других пар станций был сделан вывод, что для получения мало искаженной кросс-корреляционной функции следует суммировать ККФ за годы, когда отсутствовала кластеризация очагов, причем за достаточно большой период времени (больше одного года, как это принято в работах по ANT). В качестве такого периода нами были взяты годы 2001, 2002 и 2003.
Однако преимущественное скопление эпицентров в восточной Азии в ряде случаев приводило к асимметрии корреляционной функции (рис. 2а). К примеру, левая часть ККФ, соответствующая источникам с востока от PUL (ф = = 59.8°, X = 30.3°), оказывается достаточно отчетливой в области больших периодов, тогда как правая часть, образуемая за счет источников с запада от WLF (ф = 49.7°, X = 6.15°), содержит только высокие частоты. В таких случаях дисперсионная кривая строилась по той ветви корреляционной функции, которая оказывалась более отчетливо выражена. В остальных случаях она определялась как среднее по двум ветвям (рис. 2б).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Дисперсионные кривые релеевских волн были построены по кросс-корреляционным функциям сейсмического шума по ~300 трассам в интервале периодов 10—100 с. Число трасс зависело от периода: для малых и больших периодов не удавалось определить скорости по некоторым трассам, так что количество трасс составляло ~280—290. Схема
трасс приведена на рис. 3. Для построения локальных дисперсионных кривых использовалась методика двумерной томографии, основанная на предположении о гладкости вариаций скорости [Дитмар, Яновская, 1987]. В рамках этой методики одновременно со сглаженной поправкой к средней скорости определяется и размер эквивалентной области сглаживания. Карта распределения радиуса Я эквивалентной области сглаживания приведена на рис. 4.
Как видно из сравнения рис. 3 и рис. 4, наилучшее разрешение (Я < 300 км) имеет место в области, наиболее плотно покрытой трассами, пересекающимися в разных направлениях. Эта область занимает западную часть Восточно-Европейской платформы и восточную часть Западной Европы, включая Карпатский регион. Как показано в [Яновская, Королева, 2012] из сравнения результатов расчета радиуса Я эффективной области сглаживания и теста "шахматной доски", скоростные аномалии размером Я от
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.