Трехмерные скоростные модели земной коры Тянь-Шаня на основе Би-Сплайн переметризации и триангуляции делоне
|
СОКРАЩЕНИЯ, ТЕРМИНЫ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 12
1.1 Предыстория создания первых трехмерных моделей скоростей сейсмических волн 12
1.2 Некоторые существующие трехмерные модели скоростей Р и S волн 13
Выводы к главе 16
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ РЕГИОНАЛЬНЫХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПО ДАННЫМ ВРЕМЕН ПРОБЕГА ОТ ЛОКАЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 18
2.1 Томография по временам пробега объемных сейсмических волн от землетрясений. Постановка задачи. Введение понятия параметризации функции 18
2.2 Формулы для вычисления частных производных. Различные способы параметризации модели 22
2.2.1 Блоковая параметризация 23
2.2.2 Параметризация с использованием Би-сплайнов 24
2.2.3 Параметризация модели с помощью тетраэдров, внутри которых скорость меняется линейно непрерывно 27
2.2.4 Несколько слов о других способах параметризации модели 28
2.3 Используемые стандартные статистические характеристики для оценки качества полученных результатов 29
2.4 Алгоритмы построения сейсмических лучей 30
2.4.1 Построение лучей в сферически-симметричной среде (одномерный луч) ...30
2.4.2 Построение лучей в горизонтально-неоднородных средах 31
2.5 Методы обращения матриц. Вычисление матрицы разрешения. Решение обратной задачи 38
2.5.1 Нахождение решения уравнения (34) с помощью построения системы нормальных уравнений 43
2.5.2 Нахождение решения уравнения (34) с помощью сингулярного разложения матрицы B 45
2.5.3 Нахождение решения уравнения (34) методом LSQR 46
2.6 Методы локации землетрясений в одномерных скоростных моделях 47
2.7 Различные способы введения весовых коэффициентов 52
2.8 Основные этапы любого сейсмотомографического исследования 54
2.8.1 Сортировка данных 54
2.8.2 Построение оптимальной одномерной модели и перелокация событий в полученной одномерной модели. Вычисление станционных поправок 57
2.8.3 Выбор алгоритма и его тестирование 58
2.8.4 Построение трехмерной модели и перелокация событий, проверка правильности проведенных расчетов 59
Выводы к главе 61
3
ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ И ОЦЕНОЧНЫЙ АНАЛИЗ 62
3.1 Сравнение различных численных алгоритмов для расчета времени пробега луча и вычисления траекторий сейсмических лучей 62
3.2 Сравнение различных способов параметризации модели 68
3.3 Сравнение различных способов обращения матриц 72
3.4 Оценка влияния процедуры пересчета лучей и перелокации событий после каждой итерации на значение RMSw 73
3.5 Тестирование различных алгоритмов построения сейсмотомографических
моделей 75
Выводы к главе 84
ГЛАВА 4 ОБЩАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯНЬ-ШАНЯ 86
4.1 Расположение исследуемого региона на топографической и тектонической картах 86
4.2 История развития региона 87
4.3 Магнитные аномалии 90
4.4 Аномалии силы тяжести, изостатическое состояние земной коры, плотность пород 91
4.5 Тепловое поле 93
4.6 Активные разломы, скорости современных деформаций 95
4.6.1 Скорости горизонтальных движений 95
4.6.2 Скорости вертикальных движений 97
4.7 Исследования Тянь-Шаня по сейсмологическим данным 97
4.7.1 Общая информация 97
4.7.2 Сейсмичность 102
4.7.3 Исследования методами глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). 104
4.7.4 Исследования земной коры всего Тянь-Шаня методом сейсмической томографии по данным объемных волн 107
4.7.5 Исследования земной коры Северного Тянь-Шаня методом сейсмической томографии по данным объемных волн 111
4.8 Детальное изучение зоны сочленения Чуйской впадины и Киргизского хребта
113
Выводы к главе 115
ГЛАВА 5 ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАБОТЕ ДАННЫХ И АНАЛИЗ СЕЙСМИЧНОСТИ ТЯНЬ-ШАНЯ 117
5.1 Общие сведения об используемых данных 117
5.2 Анализ сейсмичности и месторасположения станций на территории Тянь-Шаня по имеющимся данным 125
5.3 Отбор данных для построения одномерных и трехмерных томографических моделей 129
5.3.1 Отбор данных для территории Северного Тянь-Шаня (41.9-43.4 с.ш., 73.5¬
76.5 в. д.) 129
5.3.2 Отбор данных для всей территории Тянь-Шаня 132
Выводы к главе 136
ГЛАВА 6 ПОЛУЧЕННЫЕ ОДНОМЕРНЫЕ И ТРЕХМЕРНЫЕ СКОРОСТНЫЕ МОДЕЛИ ТЯНЬ-ШАНЯ 138
6.1 Скоростные модели Северного Тянь-Шаня 138
4
6.1.1 Построение одномерных моделей, расчет станционных поправок и перелокация событий в одномерной модели для территории Северного Тянь-Шаня
138
6.1.2 Трехмерные модели Р и S волн для территории Северного Тянь-Шаня, перелокация событий в трехмерной модели 146
6.1.3 Геологотектоническая интерпретация полученных результатов и сравнение с существующими моделями для территории Северного Тянь-Шаня 165
6.2 Исследование всей территории Тянь-Шаня с использованием локальных данных. 170
6.2.1 Построение одномерных моделей, расчет станционных поправок и перелокация событий в одномерной модели для территории всего Тянь-Шаня 170
6.2.2 Трехмерные модели Р и S волн для территории всего Тянь-Шаня, перелокация событий в трехмерной модели 171
6.2.3 Геологотектоническая интерпретация полученных результатов и сравнение с существующими моделями территории всего Тянь-Шаня 178
Выводы к главе 181
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ
РЕШЕНИЯ СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 186
1. Программа Velest [21] 186
2. Программа Sphypit90 [43] 186
3 Программа Simulps [55] 187
4 Программа Fatomo [19] 188
ЛИТЕРАТУРА
190
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 12
1.1 Предыстория создания первых трехмерных моделей скоростей сейсмических волн 12
1.2 Некоторые существующие трехмерные модели скоростей Р и S волн 13
Выводы к главе 16
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ РЕГИОНАЛЬНЫХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПО ДАННЫМ ВРЕМЕН ПРОБЕГА ОТ ЛОКАЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 18
2.1 Томография по временам пробега объемных сейсмических волн от землетрясений. Постановка задачи. Введение понятия параметризации функции 18
2.2 Формулы для вычисления частных производных. Различные способы параметризации модели 22
2.2.1 Блоковая параметризация 23
2.2.2 Параметризация с использованием Би-сплайнов 24
2.2.3 Параметризация модели с помощью тетраэдров, внутри которых скорость меняется линейно непрерывно 27
2.2.4 Несколько слов о других способах параметризации модели 28
2.3 Используемые стандартные статистические характеристики для оценки качества полученных результатов 29
2.4 Алгоритмы построения сейсмических лучей 30
2.4.1 Построение лучей в сферически-симметричной среде (одномерный луч) ...30
2.4.2 Построение лучей в горизонтально-неоднородных средах 31
2.5 Методы обращения матриц. Вычисление матрицы разрешения. Решение обратной задачи 38
2.5.1 Нахождение решения уравнения (34) с помощью построения системы нормальных уравнений 43
2.5.2 Нахождение решения уравнения (34) с помощью сингулярного разложения матрицы B 45
2.5.3 Нахождение решения уравнения (34) методом LSQR 46
2.6 Методы локации землетрясений в одномерных скоростных моделях 47
2.7 Различные способы введения весовых коэффициентов 52
2.8 Основные этапы любого сейсмотомографического исследования 54
2.8.1 Сортировка данных 54
2.8.2 Построение оптимальной одномерной модели и перелокация событий в полученной одномерной модели. Вычисление станционных поправок 57
2.8.3 Выбор алгоритма и его тестирование 58
2.8.4 Построение трехмерной модели и перелокация событий, проверка правильности проведенных расчетов 59
Выводы к главе 61
3
ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ И ОЦЕНОЧНЫЙ АНАЛИЗ 62
3.1 Сравнение различных численных алгоритмов для расчета времени пробега луча и вычисления траекторий сейсмических лучей 62
3.2 Сравнение различных способов параметризации модели 68
3.3 Сравнение различных способов обращения матриц 72
3.4 Оценка влияния процедуры пересчета лучей и перелокации событий после каждой итерации на значение RMSw 73
3.5 Тестирование различных алгоритмов построения сейсмотомографических
моделей 75
Выводы к главе 84
ГЛАВА 4 ОБЩАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯНЬ-ШАНЯ 86
4.1 Расположение исследуемого региона на топографической и тектонической картах 86
4.2 История развития региона 87
4.3 Магнитные аномалии 90
4.4 Аномалии силы тяжести, изостатическое состояние земной коры, плотность пород 91
4.5 Тепловое поле 93
4.6 Активные разломы, скорости современных деформаций 95
4.6.1 Скорости горизонтальных движений 95
4.6.2 Скорости вертикальных движений 97
4.7 Исследования Тянь-Шаня по сейсмологическим данным 97
4.7.1 Общая информация 97
4.7.2 Сейсмичность 102
4.7.3 Исследования методами глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). 104
4.7.4 Исследования земной коры всего Тянь-Шаня методом сейсмической томографии по данным объемных волн 107
4.7.5 Исследования земной коры Северного Тянь-Шаня методом сейсмической томографии по данным объемных волн 111
4.8 Детальное изучение зоны сочленения Чуйской впадины и Киргизского хребта
113
Выводы к главе 115
ГЛАВА 5 ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАБОТЕ ДАННЫХ И АНАЛИЗ СЕЙСМИЧНОСТИ ТЯНЬ-ШАНЯ 117
5.1 Общие сведения об используемых данных 117
5.2 Анализ сейсмичности и месторасположения станций на территории Тянь-Шаня по имеющимся данным 125
5.3 Отбор данных для построения одномерных и трехмерных томографических моделей 129
5.3.1 Отбор данных для территории Северного Тянь-Шаня (41.9-43.4 с.ш., 73.5¬
76.5 в. д.) 129
5.3.2 Отбор данных для всей территории Тянь-Шаня 132
Выводы к главе 136
ГЛАВА 6 ПОЛУЧЕННЫЕ ОДНОМЕРНЫЕ И ТРЕХМЕРНЫЕ СКОРОСТНЫЕ МОДЕЛИ ТЯНЬ-ШАНЯ 138
6.1 Скоростные модели Северного Тянь-Шаня 138
4
6.1.1 Построение одномерных моделей, расчет станционных поправок и перелокация событий в одномерной модели для территории Северного Тянь-Шаня
138
6.1.2 Трехмерные модели Р и S волн для территории Северного Тянь-Шаня, перелокация событий в трехмерной модели 146
6.1.3 Геологотектоническая интерпретация полученных результатов и сравнение с существующими моделями для территории Северного Тянь-Шаня 165
6.2 Исследование всей территории Тянь-Шаня с использованием локальных данных. 170
6.2.1 Построение одномерных моделей, расчет станционных поправок и перелокация событий в одномерной модели для территории всего Тянь-Шаня 170
6.2.2 Трехмерные модели Р и S волн для территории всего Тянь-Шаня, перелокация событий в трехмерной модели 171
6.2.3 Геологотектоническая интерпретация полученных результатов и сравнение с существующими моделями территории всего Тянь-Шаня 178
Выводы к главе 181
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ
РЕШЕНИЯ СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 186
1. Программа Velest [21] 186
2. Программа Sphypit90 [43] 186
3 Программа Simulps [55] 187
4 Программа Fatomo [19] 188
ЛИТЕРАТУРА
190
Актуальность работы.
Несколько последних десятилетий сейсмическая томография является одним из наиболее распространенных и эффективных методов получения информации о скоростных свойствах пород внутри Земли. Существует большое количество различных сейсмотомографических алгоритмов. Наличие этих алгоритмов с одной стороны существенно упрощает и убыстряет решение задачи восстановления трехмерной скоростной структуры в Земле. С другой стороны, не зная как устроены эти алгоритмы и какова их область применимости, трудно получить удовлетворительное решение. В этой связи особенно актуальным на сегодняшний день является сравнительное изучение физических основ различных алгоритмов, освоение этих алгоритмов и их усовершенствование для конкретного набора экспериментальных данных и особенностей геолого-тектонического строения изучаемого региона.
На данном этапе развития сейсмической томографии наиболее актуальным является исследование сложно-построенных регионов, например, такого горного массива, как Тянь-Шань. К настоящему моменту для территории Тянь-Шаня очевидно, что кора и мантия существенно неоднородны. Характер этих неоднородностей более сложный, с различной степенью контрастности, чем, например, в зонах субдукции и в местах расположения плюмов (нет ярко выраженной высокоскоростной области, связанной с погружающейся пластиной океанской литосферы, как в районах субдукции, или низкоскоростного канала, связанного с восходящей струей разогретой мантии, как над плюмами). Поэтому нужны более совершенные методы для восстановления этих неоднородностей. До сих пор при построении сейсмотомографических моделей территории Тянь-Шаня изучаемая область разбивалась на прямоугольные блоки с постоянной
7
скоростью внутри или скоростная функция раскладывалась по полиномам Лежандра (гармонически-полиномиальный способ разложения). Оба эти способа имеют ряд существенных недостатков. При использовании гармонически-полиномиального способа часто сталкиваются с проблемой ложной экстраполяции искомой функции в слабо изученных районах. При разбивке исследуемой территории на блоки с постоянной скоростью не всегда удается правильно установить границы разноскоростных областей.
Сравнительно недавно в Тянь-Шаньском регионе наряду с аналоговой формой записи сейсмического сигнала, стало возможным производить запись сейсмического сигнала в цифровом виде. Первые цифровые станции на территории Тянь-Шаня появились в 1991 году. Количество цифровых станций на территории Тянь-Шаня с каждым годом увеличивается. В 1997¬2000 гг. их было около 40. Точность определения времени вступления различных волн по цифровой волновой форме значительно выше, чем с использованием аналоговой сейсмограммы. Очевидно, что из двух скоростных моделей для одного и того же региона, та которая получена с использованием данных на цифровых станциях является более точной и детальной. Построение томографических моделей с использованием цифровых данных описано в работах [11] и [67]. В данной работе представлен анализ цифровых данных за более длительный период времени и при построении моделей используются эти данные в совокупности с наиболее совершенными сейсмотомографическими методиками.
Разработка и усовершенствование имеющихся сейсмотомографических алгоритмов для сложно-построенных сред, а также расчет трехмерных скоростных моделей с помощью этих алгоритмов и новых массивов данных для территории Тянь-Шаня актуальны при проведении сейсмологических исследований горного сооружения Тянь-Шаня. Новая информация, полученная на основе анализа рассчитанных вновь скоростных моделей совместно с новыми уточненными тектоническими картами [86; 109], в
8
значительной степени дополняет существующие представления об особенностях геологического строения и динамических процессах, происходящих в этом регионе.
Основная цель.
Целью работы является изучение пространственных скоростных неоднородностей строения земной коры Тянь-Шаня на основе непрерывного способа параметризации модели по данным цифровых и аналоговых сейсмических станций.
Основные задачи исследования.
- провести сравнительный анализ наиболее часто используемых различных сейсмотомографических методов, а также алгоритмов, разработанных автором на тестовых примерах;
- для конкретных условий изучаемого региона (объем экспериментального материала, относительное расположение источников и приемников, размеры территории и др.) разработать усовершенствованные алгоритмы томографической инверсии;
- для получения достоверной информации о скоростях сейсмических волн в зоне сочленения Киргизского хребта и Чуйской впадины построить трехмерные непрерывные скоростные модели верхнего этажа земной коры по Р и S волнам с использованием различных алгоритмов и различных наборов данных для этой территории;
- построить наиболее адекватную скоростную модель земной коры по Р волнам для территории всего Тянь-Шаня.
Научная новизна.
Предложены два новых алгоритма TomoTetraFD и TomoCubeFD для построения непрерывных и квазинепрерывных (функция скорости претерпевает разрыв на конкретных глубинах) моделей скоростей продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн. Алгоритм TomoTetraFD особенно эффективен в районах с существенно неравномерным
9
расположением источников сейсмических волн. В отличие от многих существующих алгоритмов применение данных возможно не только для территорий локального масштаба (200*200 км), но и регионального (1000*1000 км).
Впервые проведен сравнительный анализ пяти различных сейсмотомографических программ: Sphypit90, Simulps14, Fatomo, TomoCubeFD, TomoTetraFD, в которых в качестве исходных данных использованы времена пробега продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн от локальных землетрясений. Три первых алгоритма (Sphypit90, Simulps 14, Fatomo) активно применяются для построения трехмерных моделей скоростей объемных волн различных регионов. Два других (TomoCubeFD и TomoTetraFD) разработаны автором на базе существующего сейсмотомографического программного обеспечения. Даны рекомендации по поводу того, в каких случаях удобнее всего использовать тот или иной алгоритм.
По данным времен пробега от местных землетрясений, зарегистрированных на аналоговых и цифровых станциях, впервые построена квазинепрерывная трехмерная скоростная модель Р волн всей территории Тянь-Шаня. Предложен и реализован на практике ряд тестов, подтверждающих устойчивость полученного результата. Проведена геолого¬геофизическая интерпретация полученного результата. Впервые проведена локация большого количества землетрясений и взрывов, произошедших на всей территории Тянь-Шаня методом сеточного поиска [34] в трехмерной скоростной модели.
Применен новый подход к построению трехмерных скоростных моделей P и S волн для верхней части коры под Северным Тянь-Шанем, а также для анализа отношения Vp/Vs в этом регионе. Этот подход позволяет выявить наиболее достоверные скоростные неоднородности, т.к. включает в себя построение целого множества трехмерных скоростных моделей с
10
использованием различных наборов данных, различных сейсмотомографических алгоритмов для Р волн и совместно для Р и S волн. Применение такого подхода необходимо при наличии системы наблюдений, состоящей из малого количества станций. Очень важно также использование такого подхода, когда в распоряжении исследователя имеются только бюллетени сейсмических событий, а не сами волновые формы.
Защищаемые научные положения.
Использование Би-сплайн параметризации и триангуляции Делоне в томографических алгоритмах является эффективным при построении трехмерных скоростных моделей. Достаточно эффективным способом выявления действительно существующих трехмерных скоростных неоднородностей является использование жестких критериев по отбору данных и построение не одной, а большого количества скоростных моделей с использованием различных наборов данных и различных методов.
Обнаруженные скоростные неоднородности в верхней коре под Тянь- Шанем хорошо согласуются с геологической и тектонической картой данного региона.
Практическая значимость.
Полученные в настоящей работе трехмерные скоростные модели могут быть использованы для уточнения геолого-тектонического строения Тянь- Шаня, повышения точности локации эпицентров землетрясений и выявления характерных особенностей современного сейсмического режима исследуемой территории с последующей геофизической интерпретацией.
Установленные скоростные модели могут быть также использованы в интересах Международной системы сейсмического мониторинга (IMS) для контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Полученные скоростные разрезы могут быть использованы для расчета очагово-станционных сейсмических поправок SSSC для станций IMS Тянь-Шаньского региона. В работе [42] показано, как на основе
11
высокоточной трехмерной скоростной модели для Индо-Пакистанского региона произведен расчет поправок SSSC и с их помощью проведена более уточненная локация событий по станциям IMS.
Рекомендации методической главы данной работы существенно упростят и ускорят процедуру выбора подходящего алгоритма для проведения локальных сейсмотомографических исследований коры и верхней мантии в других сейсмоактивных регионах земного шара. В свою очередь эти сейсмотомографические исследования позволят получить новую информацию о геолого-тектоническом строении и провести уточнение координат и времени в источнике землетрясений в этих регионах.
Несколько последних десятилетий сейсмическая томография является одним из наиболее распространенных и эффективных методов получения информации о скоростных свойствах пород внутри Земли. Существует большое количество различных сейсмотомографических алгоритмов. Наличие этих алгоритмов с одной стороны существенно упрощает и убыстряет решение задачи восстановления трехмерной скоростной структуры в Земле. С другой стороны, не зная как устроены эти алгоритмы и какова их область применимости, трудно получить удовлетворительное решение. В этой связи особенно актуальным на сегодняшний день является сравнительное изучение физических основ различных алгоритмов, освоение этих алгоритмов и их усовершенствование для конкретного набора экспериментальных данных и особенностей геолого-тектонического строения изучаемого региона.
На данном этапе развития сейсмической томографии наиболее актуальным является исследование сложно-построенных регионов, например, такого горного массива, как Тянь-Шань. К настоящему моменту для территории Тянь-Шаня очевидно, что кора и мантия существенно неоднородны. Характер этих неоднородностей более сложный, с различной степенью контрастности, чем, например, в зонах субдукции и в местах расположения плюмов (нет ярко выраженной высокоскоростной области, связанной с погружающейся пластиной океанской литосферы, как в районах субдукции, или низкоскоростного канала, связанного с восходящей струей разогретой мантии, как над плюмами). Поэтому нужны более совершенные методы для восстановления этих неоднородностей. До сих пор при построении сейсмотомографических моделей территории Тянь-Шаня изучаемая область разбивалась на прямоугольные блоки с постоянной
7
скоростью внутри или скоростная функция раскладывалась по полиномам Лежандра (гармонически-полиномиальный способ разложения). Оба эти способа имеют ряд существенных недостатков. При использовании гармонически-полиномиального способа часто сталкиваются с проблемой ложной экстраполяции искомой функции в слабо изученных районах. При разбивке исследуемой территории на блоки с постоянной скоростью не всегда удается правильно установить границы разноскоростных областей.
Сравнительно недавно в Тянь-Шаньском регионе наряду с аналоговой формой записи сейсмического сигнала, стало возможным производить запись сейсмического сигнала в цифровом виде. Первые цифровые станции на территории Тянь-Шаня появились в 1991 году. Количество цифровых станций на территории Тянь-Шаня с каждым годом увеличивается. В 1997¬2000 гг. их было около 40. Точность определения времени вступления различных волн по цифровой волновой форме значительно выше, чем с использованием аналоговой сейсмограммы. Очевидно, что из двух скоростных моделей для одного и того же региона, та которая получена с использованием данных на цифровых станциях является более точной и детальной. Построение томографических моделей с использованием цифровых данных описано в работах [11] и [67]. В данной работе представлен анализ цифровых данных за более длительный период времени и при построении моделей используются эти данные в совокупности с наиболее совершенными сейсмотомографическими методиками.
Разработка и усовершенствование имеющихся сейсмотомографических алгоритмов для сложно-построенных сред, а также расчет трехмерных скоростных моделей с помощью этих алгоритмов и новых массивов данных для территории Тянь-Шаня актуальны при проведении сейсмологических исследований горного сооружения Тянь-Шаня. Новая информация, полученная на основе анализа рассчитанных вновь скоростных моделей совместно с новыми уточненными тектоническими картами [86; 109], в
8
значительной степени дополняет существующие представления об особенностях геологического строения и динамических процессах, происходящих в этом регионе.
Основная цель.
Целью работы является изучение пространственных скоростных неоднородностей строения земной коры Тянь-Шаня на основе непрерывного способа параметризации модели по данным цифровых и аналоговых сейсмических станций.
Основные задачи исследования.
- провести сравнительный анализ наиболее часто используемых различных сейсмотомографических методов, а также алгоритмов, разработанных автором на тестовых примерах;
- для конкретных условий изучаемого региона (объем экспериментального материала, относительное расположение источников и приемников, размеры территории и др.) разработать усовершенствованные алгоритмы томографической инверсии;
- для получения достоверной информации о скоростях сейсмических волн в зоне сочленения Киргизского хребта и Чуйской впадины построить трехмерные непрерывные скоростные модели верхнего этажа земной коры по Р и S волнам с использованием различных алгоритмов и различных наборов данных для этой территории;
- построить наиболее адекватную скоростную модель земной коры по Р волнам для территории всего Тянь-Шаня.
Научная новизна.
Предложены два новых алгоритма TomoTetraFD и TomoCubeFD для построения непрерывных и квазинепрерывных (функция скорости претерпевает разрыв на конкретных глубинах) моделей скоростей продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн. Алгоритм TomoTetraFD особенно эффективен в районах с существенно неравномерным
9
расположением источников сейсмических волн. В отличие от многих существующих алгоритмов применение данных возможно не только для территорий локального масштаба (200*200 км), но и регионального (1000*1000 км).
Впервые проведен сравнительный анализ пяти различных сейсмотомографических программ: Sphypit90, Simulps14, Fatomo, TomoCubeFD, TomoTetraFD, в которых в качестве исходных данных использованы времена пробега продольных (Р) и поперечных (S) сейсмических волн от локальных землетрясений. Три первых алгоритма (Sphypit90, Simulps 14, Fatomo) активно применяются для построения трехмерных моделей скоростей объемных волн различных регионов. Два других (TomoCubeFD и TomoTetraFD) разработаны автором на базе существующего сейсмотомографического программного обеспечения. Даны рекомендации по поводу того, в каких случаях удобнее всего использовать тот или иной алгоритм.
По данным времен пробега от местных землетрясений, зарегистрированных на аналоговых и цифровых станциях, впервые построена квазинепрерывная трехмерная скоростная модель Р волн всей территории Тянь-Шаня. Предложен и реализован на практике ряд тестов, подтверждающих устойчивость полученного результата. Проведена геолого¬геофизическая интерпретация полученного результата. Впервые проведена локация большого количества землетрясений и взрывов, произошедших на всей территории Тянь-Шаня методом сеточного поиска [34] в трехмерной скоростной модели.
Применен новый подход к построению трехмерных скоростных моделей P и S волн для верхней части коры под Северным Тянь-Шанем, а также для анализа отношения Vp/Vs в этом регионе. Этот подход позволяет выявить наиболее достоверные скоростные неоднородности, т.к. включает в себя построение целого множества трехмерных скоростных моделей с
10
использованием различных наборов данных, различных сейсмотомографических алгоритмов для Р волн и совместно для Р и S волн. Применение такого подхода необходимо при наличии системы наблюдений, состоящей из малого количества станций. Очень важно также использование такого подхода, когда в распоряжении исследователя имеются только бюллетени сейсмических событий, а не сами волновые формы.
Защищаемые научные положения.
Использование Би-сплайн параметризации и триангуляции Делоне в томографических алгоритмах является эффективным при построении трехмерных скоростных моделей. Достаточно эффективным способом выявления действительно существующих трехмерных скоростных неоднородностей является использование жестких критериев по отбору данных и построение не одной, а большого количества скоростных моделей с использованием различных наборов данных и различных методов.
Обнаруженные скоростные неоднородности в верхней коре под Тянь- Шанем хорошо согласуются с геологической и тектонической картой данного региона.
Практическая значимость.
Полученные в настоящей работе трехмерные скоростные модели могут быть использованы для уточнения геолого-тектонического строения Тянь- Шаня, повышения точности локации эпицентров землетрясений и выявления характерных особенностей современного сейсмического режима исследуемой территории с последующей геофизической интерпретацией.
Установленные скоростные модели могут быть также использованы в интересах Международной системы сейсмического мониторинга (IMS) для контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Полученные скоростные разрезы могут быть использованы для расчета очагово-станционных сейсмических поправок SSSC для станций IMS Тянь-Шаньского региона. В работе [42] показано, как на основе
11
высокоточной трехмерной скоростной модели для Индо-Пакистанского региона произведен расчет поправок SSSC и с их помощью проведена более уточненная локация событий по станциям IMS.
Рекомендации методической главы данной работы существенно упростят и ускорят процедуру выбора подходящего алгоритма для проведения локальных сейсмотомографических исследований коры и верхней мантии в других сейсмоактивных регионах земного шара. В свою очередь эти сейсмотомографические исследования позволят получить новую информацию о геолого-тектоническом строении и провести уточнение координат и времени в источнике землетрясений в этих регионах.
Ниже приведены основные выводы исследования:
I. Методические.
1. Непрерывные способы параметризации среды дают более качественное восстановление трехмерной скоростной структуры.
2. Качество и достоверность трехмерных скоростных моделей, полученных с помощью разработанных автором алгоритмов, не уступают существующим сейсмотомографическим программам: Simulps14, Fatomo и имеют ряд преимуществ. Эти факты подтверждены рядом тестов, а также расчетами реальных скоростных моделей для территории Северного Тянь-Шаня с помощью различных сейсмотомографических программ. По скорости расчетов программы автора: TomoCubeFD и TomoTetraFD уступают программе Simulps 14, но значительно выигрывают у программы Fatomo. В отличие от программ Simulps 14 и Fatomo, авторские способны восстанавливать скоростную модель в областях регионального масштаба (-1000x1000 км), а не только локального (-200x200 км), приспособлены для построения не только трехмерных непрерывных, но и трехмерных квазинепрерывных скоростных моделей.
3. Все, упомянутые в автореферате, алгоритмы: Simulps14, Fatomo, Sphrel3D, TomoCubeFD и TomoTetraFD, - являются программной реализацией томографического подхода, разработанного K.Aki и W.Lee [3]. При использовании этого подхода высока вероятность появления артефактных (нереальных) скоростных неоднородностей, особенно в областях с низкой плотностью сейсмических лучей. Наличие этих неоднородностей может быть связано с неправильно подобранной одномерной скоростной моделью и с недостатком и плохим качеством исходных. Сравнение и анализ результатов расчетов одного региона с использованием различных
184
сейсмотомографических алгоритмов способствует получению более достоверных скоростных моделей.
II. Геофизические.
1. На территории Северного Тянь-Шаня под Чуйской впадиной преобладают повышенные значения скоростей, а под Киргизским хребтом пониженные, аналогично результатам работы [11], [49]. На северо-западе исследуемой области до глубин 12 км отмечается зона пониженных скоростей (Рис. 47, Рис. 50, Рис. 55, Рис. 56). Сравнение полученной трехмерной скоростной модели с тектонической картой показало, что на востоке от этой области расположена зона перехода Шамси-Тюндюкского разлома в Чонкурчакский [86]. На поверхности этот переход выражен пиком Зап.Аламедин высотой 4875 м. Также обнаружена область аномально низкого значения Vp/Vs в верхней коре.
2. Для территории всего Тянь-Шаня происходит смена характера неоднородностей на глубине 20 км. Ниже 20 км высокие скорости наблюдаются под западной частью Тянь-Шаня, а низкие под Восточной. Так же как и в работе [108] скорости Р волн к западу от Таласо- Ферганского разлома в верхней коре ниже, чем скорости к востоку от него. Некоторое согласие с результатами работы [44] наблюдается в средней коре и нижней коре. К западу от Таласо-Ферганского разлома присутствует зона повышенных скоростей, а к востоку пониженных (Рис. 72). Те же закономерности в нижней коре в работе [67].
В заключении хотелось бы отметить несколько тем, разработка которых
планируется в качестве продолжения проведенных исследований.
1. При построении трехмерных квазинепрерывных скоростных моделей в настоящей работе границы резкого изменения скорости были фиксированы. В действительности в различных точках пространства границы резкого изменения скорости (граница Конрада или граница Мохоровичича) залегают на разной глубине. В дальнейшем автору
185
представляется достаточно эффективным одновременно с восстановлением трехмерной скоростной структуры определять глубину залегания границ резкого изменения скорости.
2. Анализ исходных данных, проведенный в главе 5, показал, что в имеющихся у автора базах данных содержится информация о временах пробега не только первых продольных и поперечных сейсмических волн, но и последующих волн. Не исключено, что использование данных о временах пробега вторичных волн при томографической инверсии даст возможность получить более детальную информацию о пространственном распределении скоростей сейсмических волн в исследуемом регионе.
3. Также, логичным продолжением данных исследований является построение трехмерных скоростных моделей верхней мантии по данным телесейсмических землетрясений с учетом информации о скоростных неоднородностях в коре, представленной в работе.
4. Одно из приближений, в рамках которого были получены представленные модели, является то, что среда во всех точках пространства изотропна. В действительности вполне возможно что скорость сейсмических волн в различных точках пространства различна (среда анизотропна). В связи с этим, не менее важным и интересным, чем уже проведенное в рамках данной работы исследование, автору представляется построение трехмерных скоростных моделей с учетом возможной анизотропии.
I. Методические.
1. Непрерывные способы параметризации среды дают более качественное восстановление трехмерной скоростной структуры.
2. Качество и достоверность трехмерных скоростных моделей, полученных с помощью разработанных автором алгоритмов, не уступают существующим сейсмотомографическим программам: Simulps14, Fatomo и имеют ряд преимуществ. Эти факты подтверждены рядом тестов, а также расчетами реальных скоростных моделей для территории Северного Тянь-Шаня с помощью различных сейсмотомографических программ. По скорости расчетов программы автора: TomoCubeFD и TomoTetraFD уступают программе Simulps 14, но значительно выигрывают у программы Fatomo. В отличие от программ Simulps 14 и Fatomo, авторские способны восстанавливать скоростную модель в областях регионального масштаба (-1000x1000 км), а не только локального (-200x200 км), приспособлены для построения не только трехмерных непрерывных, но и трехмерных квазинепрерывных скоростных моделей.
3. Все, упомянутые в автореферате, алгоритмы: Simulps14, Fatomo, Sphrel3D, TomoCubeFD и TomoTetraFD, - являются программной реализацией томографического подхода, разработанного K.Aki и W.Lee [3]. При использовании этого подхода высока вероятность появления артефактных (нереальных) скоростных неоднородностей, особенно в областях с низкой плотностью сейсмических лучей. Наличие этих неоднородностей может быть связано с неправильно подобранной одномерной скоростной моделью и с недостатком и плохим качеством исходных. Сравнение и анализ результатов расчетов одного региона с использованием различных
184
сейсмотомографических алгоритмов способствует получению более достоверных скоростных моделей.
II. Геофизические.
1. На территории Северного Тянь-Шаня под Чуйской впадиной преобладают повышенные значения скоростей, а под Киргизским хребтом пониженные, аналогично результатам работы [11], [49]. На северо-западе исследуемой области до глубин 12 км отмечается зона пониженных скоростей (Рис. 47, Рис. 50, Рис. 55, Рис. 56). Сравнение полученной трехмерной скоростной модели с тектонической картой показало, что на востоке от этой области расположена зона перехода Шамси-Тюндюкского разлома в Чонкурчакский [86]. На поверхности этот переход выражен пиком Зап.Аламедин высотой 4875 м. Также обнаружена область аномально низкого значения Vp/Vs в верхней коре.
2. Для территории всего Тянь-Шаня происходит смена характера неоднородностей на глубине 20 км. Ниже 20 км высокие скорости наблюдаются под западной частью Тянь-Шаня, а низкие под Восточной. Так же как и в работе [108] скорости Р волн к западу от Таласо- Ферганского разлома в верхней коре ниже, чем скорости к востоку от него. Некоторое согласие с результатами работы [44] наблюдается в средней коре и нижней коре. К западу от Таласо-Ферганского разлома присутствует зона повышенных скоростей, а к востоку пониженных (Рис. 72). Те же закономерности в нижней коре в работе [67].
В заключении хотелось бы отметить несколько тем, разработка которых
планируется в качестве продолжения проведенных исследований.
1. При построении трехмерных квазинепрерывных скоростных моделей в настоящей работе границы резкого изменения скорости были фиксированы. В действительности в различных точках пространства границы резкого изменения скорости (граница Конрада или граница Мохоровичича) залегают на разной глубине. В дальнейшем автору
185
представляется достаточно эффективным одновременно с восстановлением трехмерной скоростной структуры определять глубину залегания границ резкого изменения скорости.
2. Анализ исходных данных, проведенный в главе 5, показал, что в имеющихся у автора базах данных содержится информация о временах пробега не только первых продольных и поперечных сейсмических волн, но и последующих волн. Не исключено, что использование данных о временах пробега вторичных волн при томографической инверсии даст возможность получить более детальную информацию о пространственном распределении скоростей сейсмических волн в исследуемом регионе.
3. Также, логичным продолжением данных исследований является построение трехмерных скоростных моделей верхней мантии по данным телесейсмических землетрясений с учетом информации о скоростных неоднородностях в коре, представленной в работе.
4. Одно из приближений, в рамках которого были получены представленные модели, является то, что среда во всех точках пространства изотропна. В действительности вполне возможно что скорость сейсмических волн в различных точках пространства различна (среда анизотропна). В связи с этим, не менее важным и интересным, чем уже проведенное в рамках данной работы исследование, автору представляется построение трехмерных скоростных моделей с учетом возможной анизотропии.