На правах рукописи

Королева Татьяна Юрьевна СТРОЕНИЕ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ ПО ДАННЫМ СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2009 2

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

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Яновская Татьяна Борисовна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Шаров Николай Владимирович кандидат физико-математических наук, Рослов Юрий Викторович

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

Защита состоится л 2009 г. в _ час. на заседании совета Д.212.232.19 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СанктПетербургском 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 л 2009 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета, Б.М. Каштан доктор физ.-мат. наук 3

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 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, MHV (Россия), KIEV (Украина), TRTE (Эстония), так и в ее окрестностях - GNI (Армения), KEV (Финляндия), KWP, SUW (Польша), MLR, TIRR (Румыния), PSZ (Венгрия), AAK (Киргизия), ABKT (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), 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 ДнепровскоДонецком 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 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 поддержку.

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 поверхностноволновой 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 исходном 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 P-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 астеносферный 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 кросскорреляционной 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.