CC BY
66
Вестник ДВО РАН. 2006. № 1
Р.З.ТАРАКАНОВ
Скоростные модели и годографы Р-волн для Дальневосточного региона
С помощью усовершенствованной методики задания скоростей сейсмических волн на нерегулярной двумерной сетке построены варианты скоростных моделей, позволяющие более детально обрисовывать особенности строения отдельных блоков тектоносферы, в том числе их горизонтальные неоднородности. На основе этих скоростных моделей построены новые рабочие годографы P-волн (Л = 0-4000 км, h = 0-700 км), которые дадут возможность делать более точную привязку гипоцентров землетрясений к тектоническим структурам и активным разломам.
Velocity models and P-waves hodographs for the Far Eastern region. R.Z.TARAKANOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).
Versions of the velocity models allowing us to describe in more details structural features of separate blocks of tectonosphere including their horizontal heterogeneities were constructed with the help of the improved methods of represеntation of seismic wave velocities on the irregular two-dimensional network. New operating hodographs of P-waves (Л = 0-4000 km, h = 0-700 km), which will make it possible to do more precise reference of earthquake hypocenters to the tectonic structures and active faults were constructed. The hodographs are assigned for the more precise determination of earthquake parameters in the Far Eastern region.
Скоростные модели являются важным сейсмологическим инструментом, позволяющим освещать особенности глубинных недр Земли, недоступных для геологических методов. Они являются также основой для построения надежных годографов сейсмических волн, используемых для определения важных сейсмологических параметров землетрясений: положения эпицентра и глубины очага. Надежные параметры землетрясений позволяют производить более точную привязку гипоцентров к тектоническим структурам и активным разломам.
Зона перехода от Азиатского континента к Тихому океану характеризуется большой контрастностью и интенсивностью тектонических процессов, высоким уровнем сейсмичности и вулканизма [7, 10]. Сложность строения переходной зоны отражается, в свою очередь, в скоростных и других геофизических особенностях отдельных мегаблоков: континентального, океанического - и разделяющей их сейсмофокальной зоны [11, 12].
Действительно, континентальный блок верхней мантии в зоне перехода отличается относительно пониженными скоростями сейсмических волн, их значительным поглощением и высоким тепловым потоком [1]. Сейсмофокальная зона, напротив, характеризуется относительно повышенными скоростями сейсмических волн, их слабым поглощением и относительно пониженными температурами. В океаническом блоке, примыкающем
ТАРАКАНОВ Роман Захарович - кандидат физико-математических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).
к сейсмофокальной зоне, относительно повышенные скорости Р-волн в верхней части мантии (до глубины к ~ 200 км) сменяются зоной пониженных скоростей.
Для столь сложной среды, как переходная зона, практически невозможно получить «идеальный» годограф сейсмических волн, который учитывал бы все особенности строения по различным трассам эпицентр-станция.
Первый годограф Р- и 5-волн для Курило-Японского региона был составлен автором в 1964 г. [6]. Для построения годографа использовались данные о землетрясениях из района южных Курильских островов и северо-восточной Японии. Этот годограф охватывал интервал эпицентральных расстояний А = 0-2000 км и интервал глубин к = 0-150 км. Годограф был принят с 1967 г. в качестве рабочего для определения параметров курильских и северояпонских землетрясений.
По мере накопления эмпирического материала автор пришел к выводу о необходимости построения азимутальных годографов и скоростных моделей для зоны перехода с пересмотром основных параметров землетрясений. С этой целью были выбраны азимутальные профили, ориентированные на представительные сети станций, в виде полос шириной до 200 км, которые нами названы геотраверсами (рис. 1). Необходимость построения новых эмпирических годографов и применения новых методических приемов построения скоростных моделей Р-волн определялась также тем, что параметры землетрясений, определенные по данным разных сейсмологических служб, значительно расходятся между собой [7].
Для пополнения массива данных о моментах вступлений Р-волн были дополнительно получены и обработаны около 1000 сейсмограмм Прибайкальской, Северо-Восточной и Камчатской сетей станций. В массиве данных важное место занимают данные наблюдений японской сети станций, оборудованных приборами с цифровой регистрацией.
Основные параметры отобранных землетрясений были переопределены с помощью методов, независимых от годографа. На основе пополненного массива данных о моментах вступления Р-волн были построены уточненные годографы для 3 главных геотраверсов (Г2, Г3 и Г9). Эти новые годографы Р-волн были использованы для расчета поправочных кривых д ^ 7эмп- 7 год = f (А), которые позволили уточнить тонкую структуру скоростного
строения тектоносферы вдоль отмеченных геотраверсов.
Уточненные скоростные модели и поправочные кривые д 7 = f (А) явились основой для расчета (теоретических) рабочих годографов Р-волн, которые будут использованы для более точного определения основных параметров дальневосточных землетрясений.
Для построения скоростных разрезов Р-волн был применен усовершенствованный метод (О.К.Омельченко) задания скоростей сейсмических волн на нерегулярной двумерной сетке. Метод позволяет более детально обрисовывать скоростные особенности отдельных блоков тектоносферы, в том числе их горизонтальные неоднородности [9].
Первый вариант эмпирических годографов по геотраверсам
Первая версия эмпирических годографов, составленная по ограниченному количеству данных, использовалась в основном для отработки новой методики построения скоростных моделей на нерегулярной двумерной сетке. Первый вариант эмпирических годографов был построен на основе имеющихся данных в Сейсмологическом бюллетене Дальнего Востока с частичным привлечением материалов Прибайкальской, Северо-Восточной и Японской сетей станций. Эмпирические годографы были построены только для глубины очагов к = 40 и 80 км, которые лучше других обеспечены данными наблюдений. По причине разреженности сети станций и ограниченного количества наблюдений на эмпирических годографах отмечались значительные промежутки, не обеспеченные данными наблюдений.
Для проверки степени согласованности эмпирических и расчетных данных, а также обеспеченности годографа наблюдениями на разных интервалах эпицентральных расстояний
Рис. 1. Сети сейсмических станций и система геотраверсов Тихоокеанской окраины Азии, использованная при исследованиях скоростного строения тектоносферы. Деление на тектонические зоны дается по данным работы [3]: 1 - щиты; 2 - плиты; 3 - синеклизы; 4 - молодые платформы; 5 - байкалиды; 6 - каледониды; 7 - герциниды; 8 - мезозоиды; 9 - альпиды; 10 - молодой вулканический пояс; 11 - профиль ГСЗ
подробно проанализирован осредненный эмпирический годограф Р-волн для глубины очага к = 40 км по геотраверсу Г3 (южные Курилы - Прибайкалье). Следует отметить, что точки наблюдений на этом годографе распределены неравномерно. Наибольшее сгущение эмпирических точек соответствует его концевым участкам. В начальной части эффект «сгущения» эмпирических точек дают сеть южно-курильских станций («Курильск», «Южно-Курильск», «Шикотан», «Рейдово»), а также станции южной и центральной частей о-ва Сахалин. На расстояниях больше 3000 км увеличенная плотность точек на годографе обеспечивается густой сетью прибайкальских станций. На эмпирическом годографе отмечаются и участки почти полного отсутствия данных наблюдений. Эти участки расположены на расстояниях от
500 до 800 км, что отвечает Татарскому проливу и прибрежной части материка, где нет сейсмических станций, а также на расстояниях от 1300 до 1600 км, которые отвечают переходному участку от редкой сети станций Приморья к относительно густой сети станций Прибайкалья.
Эмпирический годограф для h = 40 км сопоставлен с теоретическим, рассчитанным на основе построенного скоростного разреза Р-волн на нерегулярной двумерной сетке. В принятом масштабе эмпирический и теоретический годографы «на глаз» практически совпадают. Как будет показано ниже, такой способ сопоставления годографов не может быть принят за основу при уточнении скоростного разреза.
Уточненный вариант эмпирических годографов и поправочные кривые S t =f (А)
Основным условием для успешного уточнения скоростного разреза по геотраверсам является наличие надежных эмпирических годографов сейсмических волн, построенных на основе качественного исходного материала. Как уже отмечалось, в дополнение к первоначальным данным было отобрано 50 основных землетрясений, для которых были обработаны сейсмограммы Прибайкальской, Магаданской, Якутской и Камчатской сетей станций.
В связи с тем, что данные разных сейсмологических служб значительно расходятся между собой, для отмеченных землетрясений было произведено переопределение основных параметров землетрясений, которые использовались для уточнения эмпирических годографов и скоростных разрезов по опорным профилям. Для получения более объективного представления о параметрах землетрясений необходимо производить их определение независимо друг от друга.
Время в очаге to определялось с помощью графика Вадати to = fP, S-P) по наблюдениям близких к эпицентру станций. Показано, что время начала землетрясения при наличии достаточного количества близких к эпицентру станций (А < 100-500 км) может быть определено с ошибкой, не превышающей 1-1,2 с [7].
Глубина очага h определялась с помощью разностей фаз pP-P и sP-P, отраженных от свободной поверхности вблизи эпицентра. Эти разности незначительно изменяются с расстоянием, что позволяет при хорошей статистике данных о фазах pP и sP определять глубину очага с погрешностью, не превышающей 10 км [7].
Положение эпицентра определялось с помощью методов, независимых от годографа: средних линий, эпицентралей или засечек по S-P на эпицентральных расстояниях, где пересекаются годографы для нескольких глубин очагов. С помощью этих методов положение эпицентра определяется с ошибкой, не превышающей в основном ±10-15 км.
Основные параметры землетрясений определялись с большей точностью в случае, если проводились специальные наблюдения в эпицентральных областях сильных землетрясений. Для примера можно привести данные наблюдений эпицентральных экспедиций, выполнявших работы в районе Шикотанского 4 октября 1994 г. и Нефтегорского 28 мая 1995 г. разрушительных землетрясений. Сейсмические станции эпицентральных экспедиций были оборудованы современной аппаратурой с цифровой регистрацией. При уточнении параметров землетрясений широко использовались также данные, полученные с помощью японских приборов «Datamark» и американских станций IRIS-2.
В процессе составления эмпирических годографов стало очевидно, что традиционное графическое представление годографа как зависимости времени пробега волн от эпицент-рального расстояния неудобно в практическом отношении, так как для больших эпицентральных расстояний времена пробега Р-волн достигают нескольких сотен секунд. Чтобы избавиться от этого неудобства, часто используют редуцированные годографы, при построении которых ось времен деформируется с помощью простого соотношения:
і д = і .-А/У,
р ред р год р
где 7 ред - время пробега по редуцированному годографу; год - время пробега волн по
р год
обычному годографу (или теоретическое, т.е. рассчитанное по известному скоростному разрезу).
Более простым и наглядным нам представляется изображать эмпирические годографы в виде поправочных кривых к некоторому известному годографу (например, Джеффриса):
8і = і - і . = f (А),
р р эмп р год р4
(2)
в которых поправка к времени пробега д 7 изменяется с эпицентральным расстоянием.
На рис. 2 приведены уточненные эмпирические годографы Р-волн для трех выбранных геотраверсов в виде поправочных кривых по отношению к стандартному годографу Джеффриса. Эти кривые имеют сложный «квазисинусоидальный» характер с несколькими максимумами и минимумами. Расчеты на компьютере для сложнопостроенной слоистой среды
Рис. 2. Осредненные эмпирические поправочные кривые Ьі
= у(А) к временам пробега Р-волн
для глубин очага к = 40 км для трех генеральных геотраверсов: а) Г2 (южная Камчатка-Япония); б) Г3 (южные Курилы-Прибайкалье); в) Г9 (южная Камчатка-Якутия). Точками отмечены эмпирические значе-
ния невязок Р-волн в зависимости от эпицентрального расстояния А (Ьі
= /(А)), пунктирной
линией - участки поправочной кривой, не обеспеченные данными наблюдений; цифры означают номер геотраверса и номер экстремума поправочной кривой. Кружками большого размера для геотраверса Г2 отмечены невязки времен пробега Р-волн для японских станций от мирного ядерного взрыва [13]
г -
£ — г
показали, что экстремумы поправочных кривых соответствуют кровле и подошве аномальных по скорости слоев. Такая интерпретация поправочных кривых может иметь методическую ценность, так как позволяет выявлять более мелкие детали скоростного разреза Р-волн.
Несмотря на значительное добавление новых данных о моментах вступлений Р-волн, отмечается большой разброс точек на отдельных участках геотраверсов, а некоторые интервалы эпицентральных расстояний вообще лишены данных наблюдений. Это особенно относится к геотраверсу Г2 (рис. 2а). В интервале расстояний 1700-2000 км мы практически не располагали данными о моментах вступления Р-волн. Большой «пробел» в данных наблюдений отмечается и для геотраверса Г9 (рис. 2в). В интервале расстояний от 2800 до 4000 км имеются только единичные наблюдения станции «Тикси».
Несмотря на сложное поведение поправочных эмпирических кривых для различных геотраверсов, можно заметить их большое сходство для кривых геотраверсов Г3 и Г9 (рис. 2, б, в), особенно на расстояниях, больших 500 км. На расстояниях до 500 км на поправочных кривых для всех геотраверсов в значительной степени отразились особенности строения районов соответствующих эпицентральных зон. Так, если осред-нить данные наблюдений до 500 км для геотраверсов Г3 и Г9, мы получим практически прямую линию, что будет означать небольшое систематическое отклонение времен пробега Р-волн от годографа Джеффриса. Сопоставление рассчитанных годографов для этих двух геотраверсов показало, что для них теоретические годографы Р-волн для разных глубин очагов различаются незначительно. Поэтому годограф по геотраверсам Г3 и Г9 назван нами объединенным осредненным годографом западного направления или континентального блока. Такое объединение означает, что, где бы ни находился эпицентр - между Курильскими островами и глубоководным желобом или в Охотском море, можно с достаточной надежностью пользоваться годографом для континентального блока. Кроме того, для уточнения параметров курильских землетрясений можно привлекать наблюдения сейсмических станций Китайской, Прибайкальской, Северо-Восточной и Камчатской сетей. Все они находятся в пределах доступных расстояний (до 4000 км).
Любой эмпирический годограф не показывает плавного изменения невязок 57 = = 7эмп - *год = ДА) вследствие большой сложности строения среды. По причине большого разброса эмпирических точек годографов (поправочных кривых) мы предлагаем для групп очагов с часто повторяющимися глубинами (20-60 км) систематически определять поправки для надежных станций, что поможет в дальнейшем уточнить параметры землетрясений. Так, если будут надежно определены средние поправки 5 7 со стороны Камчатки, Японии и, особенно, Алеутских островов, можно будет получить хорошее окружение эпицентров дальневосточных землетрясений, что позволит повысить точность определения их основных параметров.
Метод численного решения прямой и обратной кинематической задачи
Для построения уточненных скоростных разрезов и расчета теоретических годографов О.К.Омельченко (ИВМиМГ СО РАН) была составлена специальная программа. Сначала пробный скоростной разрез, заданный на двумерной нерегулярной сетке по А и Н, гладко аппроксимировался с помощью выпуклых сплайнов и разложения единицы [7]. Затем проводилось его уточнение итерационным методом «стрельбы» с поточечным сравнением построенного лучевым методом теоретического годографа с эмпирическим.
Ниже приводятся основные расчетные формулы программы О.К.Омельченко [9]. По данным наблюдений над землетрясениями получена система эмпирических годографов [5]:
{7 (А)}: г1 (А), ^А), ..., ^(А), (3)
где N - число различных глубин источников. Пусть величины 7 (А) определены со среднеквадратичной погрешностью 5. Требуется отыскать такой закон изменения скорости У(А, Н), для которого рассчитанные годографы (назовем их теоретическими) будут наилучшим образом совпадать с соответствующими эмпирическими. В качестве меры близости теоретических функций У(А, Н) к закону изменения скорости в реальной среде принимаются величина среднеквадратического отклонения теоретических годографов 7Т(А) от эмпирических:
О, =
а также величина максимального расхождения годографов
т. = тах 11Т (А.) -1. (А. ) I = тах I Аt.. I,
(4)
(5)
где п - число точек (узлов) А., в которых сравниваются теоретические и эмпирические времена пробега волн.
В качестве решения обратной кинематической задачи отыскиваются такие функции У(А, Н), для которых выполняются условия [5]:
Ш. < 1,5 5, (6)
О < 5.. (7)
Все функции У(А, Н), удовлетворяющие условиям (6) и (7), называются кинематически эквивалентными относительно рассматриваемых эмпирических данных, определенных с погрешностью 5..
Чтобы получить решение обратной кинематической задачи, необходимо минимизировать совокупность величин (4) и (5). Поскольку величины (3) определены примерно с одинаковой эмпирической погрешностью, то в этом случае минимизируется не система функционалов (4), а один функционал:
N
,2
° = ^ ± 5 О(8)
а величины (5) используются для того, чтобы в классе допустимых разрезов У( А, Н), характеризующихся одинаковыми оценками о, выбрать те, для которых левые части (5) принимают наименьшие значения.
Если неравенства (6) и (7) не выполняются, то с помощью специальных номограмм определяются как интервалы глубин, в пределах которых необходимо изменить скорости волн, так и значения скоростных поправок. По первой номограмме при заданных эпицентральном расстоянии А и глубине очага к определяется глубина максимального проникновения сейсмического луча Н . С помощью второй номограммы оценивается средняя величина поправки 5Ур к скорости Р-волн по известным значениям гипоцентрального расстояния Г и разности между эмпирическим и теоретическим годографами 5 = 7 - 7 = /(А). Пробный
•' * * ^ г т р р эмп р теор ^ V / г
скоростной разрез подправляется, и весь процесс повторяется до достижения выполнения неравенств (6) и (7).
п
Уточнение скоростного разреза для Р-волн на основе кривой невязок годографа 5 * = f (А)
Первые пробные варианты скоростных разрезов для Р-волн, построенные по всем 9 геотраверсам, как показали дальнейшие исследования, оказались малоэффективным. Необходимо было применить новый методический прием и пополнить массив более точными данными о временах пробега Р-волн. Потребовались также некоторые изменения в способе представления эмпирических данных и введения поправок к принятому для расчетов скоростному разрезу. Рассмотрим основные положения нового подхода по уточнению пробного скоростного разреза на основе поправочных кривых:
1) за исходный скоростной разрез принимается распределение Vp=/(к) по модели Джеффриса, что позволило избавиться от построения умозрительного варианта скоростного разреза при недостатке информации;
2) вместо осредненных эмпирических годографов рассматриваются осредненные эмпирические кривые поправок (А = 7 иабл - 7рДж = (р(А)) к годографу Джеффриса. Это позволяет получить большее разрешение времен 7 по вертикали, так как самые большие поправки 57 редко превышают 5 с. Такой подход позволяет установить более мелкие детали скоростного разреза Р-волн, чем при первом варианте.
Для строгого решения обратной кинематической задачи требуется наличие эмпирических годографов для разных глубин расположения источника. В связи с тем, что для рассматриваемых геотраверсов наиболее уверенно определены только эмпирические годографы для глубин очага к = 40 и 80 км, был разработан метод частичного уточнения скоростного разреза.
При наличии пробного скоростного разреза V = /(А, Н), рассчитанного на его основе теоретического годографа, а также сглаженного эмпирического годографа процесс частичного уточнения скоростного разреза сводится к следующим операциям:
1) оцениваются интервалы эпицентральных расстояний (А1к, А2к), в пределах которых отмечается заметное расхождение между эмпирическим и теоретическим годографами;
2) по номограмме, основанной на скоростной модели Джеффриса, определяются глубины максимального проникновения лучей Нтах = /(А, к), а по значениям А1к и А2кнаходится к-й аномальный интервал глубин, в котором нужно уточнить скорости Р-волн;
3) определяются значения 5 (со знаком) как разности между соответствующими экстремумами эмпирического годографа;
4) при известной разности эпицентральных расстояний А2к - А1к оценивается среднее гипоцентральное расстояние Гк;
5) для каждого к-го аномального интервала глубин с помощью специальной номограммы определяется поправка 5^рк к скорости Р-волн с учетом величины и знака невязки 5 и значения гипоцентрального расстояния Гк [7].
После выполнения всех вышеперечисленных операций найденные поправки вносятся в пробные скоростные разрезы по геотраверсам, и вновь решается прямая задача, т.е. рассчитывается теоретический годограф для исправленного скоростного разреза. Затем вновь производится сопоставление теоретических и сглаженных эмпирических годографов, и все операции повторяются до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное согласие между обоими годографами в пределах точности наблюдений, которая принимается равной ±1 с.
Поясним особенности нового подхода к уточнению пробного скоростного разреза на теоретическом примере. Кривая I (точечный пунктир на рис. 3) представляет собой теоретические невязки, принятые исходя из известных представлений о слоистом строении среды переходной зоны. Были условно заданы три горизонтальных слоя повышенной скорости на глубинах: 1) 60-150 км; 3) 220-300 км и 5) 450-550 км, а также три слоя пониженной скорости на глубинах: 2) 150-220 км; 4) 350-450 км и 6) 625-725 км. Отметим, что интервалы глубин слоев с пониженной и повышенной скоростями брались близкими к реальным.
И," ^м|. -
А
Рис. 3. Теоретическая (I) и осредненные эмпирические (II, III) кривые невязок 5р. = Л А) для Р-волн. I - кривая невязок д(р для заданной аномальной среды (с 3 слоями повышенной и 3 слоями пониженной скорости). Перепад скорости Р-волн в аномальных слоях ±0,2 км/с, в сейсмофокальной зоне +0,2 км/с; II - эмпирическая кривая невязок д( =ДА1) для геотраверса Г9 (интервал эпицентральных расстояний 1000-3600 км); пунктир - область интерполяции данных; III - эмпирическая кривая невязок &р. = ДА.) для геотраверса Г9 при плавном осреднении всех эмпирических данных (аналог осреднения в первом варианте уточнения скоростного разреза). 1-6 - экстремумы теоретической кривой невязок; а-г - экстремумы эмпирической кривой невязок
Эпицентральные расстояния для экстремумов кривой I соответствуют глубинам максимального проникновения лучей в данный аномальный слой. Аномалии скорости во всех слоях приняты равными ±0,2 км/с, а сейсмофокальная зона рассматривалась как высокоскоростной наклонный слой с перепадом скорости +0,2 км/с.
После учета аномалии д7р за счет высокоскоростной сейсмофокальной зоны и выполнения вышеперечисленных операций с кривой I были восстановлены как мощности всех аномальных слоев, так и заданные перепады скоростей в них. Это свидетельствует об эффективности предложенного подхода.
Для примера на рис. 3 приведена осредненная эмпирическая поправочная кривая II -57рц =/(А), которая соответствует геотраверсу 9. Кривая II, так же как и кривая I, имеет немонотонный характер: на фоне общего убывания значений д7р отмечаются максимумы и минимумы кривой, свидетельствующие о слоистом скоростном строении тектоносферы вдоль этого геотраверса. Пользуясь вышеуказанными операциями для геотраверса 9, составлена таблица, в которой приведены результаты определений поправок 5^р с использованием нового подхода. Начиная с расстояний А = 1000 км на геотраверсе Г9 выделяется 5 слоев различной мощности: 3 слоя с относительно пониженной скоростью и 2 - с относительно повышенной скоростью.
Для других геотраверсов таблицы совершенно аналогичны приведенной. Следует отметить, что при определении поправок 5Ур к скорости нужно учитывать пути сейсмических волн (Г), пройденные в вышележащих слоях.
Определение средних аномалий скорости дУр в слоях мощностью дН по известным значениям гипоцентрального расстояния Г и разности невязок 5р1 - 5р2
к годографу Джеффриса
№ слоя Э, II А, км дН, км Г, км &ргдр2, с д, км/с
А1 А2
1 н-а 1 000 1 450 70 1 000 +1,9 -0,12
2 а-б 1 450 2 250 310 2 000 -4,3 +0,13
3 б-в 2 250 2 550 85 1 000 +2,2 -0,12
4 в—г 2 550 3 200 170 1 500 -2,4 +0,1
5 г 3 200 3 750 150 1 550 +2,6 -0,1
Примечание. Э, II - участки кривой II между соседними экстремумами; А1 и А2 - эпицентральные расстояния, соответствующие кровле и подошве аномальных слоев; дН - мощности аномальных слоев.
Как видно из таблицы, аномалии скоростей Р-волн близки между собой по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Слой № 1 - это хорошо известный слой пониженной скорости под литосферой, а слой № 3 разделяет два также хорошо известных слоя повышенной скорости с кровлями на глубинах около 400 и 660 км. Третий слой пониженной скорости в интервале глубин 740-890 км (№ 5), по-видимому, отделяет верхнюю мантию от нижней. Примечательно, что мощный слой (дН ~ 300 км) повышенной скорости в интервале глубин 170-480 км (№ 2) неплохо согласуется с положением слоя повышенной скорости, выделенного ранее с помощью первого метода.
Различные варианты уточненных скоростных разрезов для Р-волн
Известно, что на основе заданного эмпирического годографа можно построить множество возможных скоростных разрезов, которые в пределах точности наблюдений будут соответствовать этому годографу [2]. В качестве примера приводятся различные варианты скоростных разрезов по геотраверсу Г9 (рис. 4). В дополнение к заданному распределению скорости Р-волн (пунктирные линии) нанесены поправочные изолинии скорости для следующих трех вариантов V = ДА, Н): 1) скоростная одномерная модель Джеффриса; 2) уточненный пробный разрез с учетом поправок дУр, определенных по первому методу уточнения скоростного разреза, основанному на сопоставлении сглаженного эмпирического и теоретического годографов для глубины очага к = 40 км; 3) уточненная модель Джеффриса с учетом поправок дУр, рассчитанных по второму методу, т.е. по уточненной эмпирической кривой невязок времен пробега по отношению к годографу Джеффриса: &1 - дг2 = /(А).
Как и следовало ожидать, сравниваемые скоростные модели заметно различаются между собой. Наиболее широкие полосы возможного положения изолиний скорости Р-волн наблюдаются в верхней части приведенных скоростных разрезов.
Рис. 4. Варианты скоростного разреза P-волн по геотраверсу Г9 (южная Камчатка-Якутия). 1 - суша, 2 - море, 3 - земная кора, 4 - сейсмофокальная зона, 5 - заданные изолинии скорости P-волн, 6 - уточненные изолинии скорости P-волн, 7 - крайний сейсмический луч, 8 - значение скорости P-волн на глубинах 100, 200..., 700 км по Джеффрису, 9 - вариант скоростного разреза для геотраверса Г9, построенного на основе кривой невязок Ы = t - t = f(A), 10 - полоса возможных скоростных разрезов
Подтверждены полученные ранее данные об относительно высоких скоростях сейсмических волн, распространяющихся в пределах сейсмофокальной зоны [4, 21]. Обобщенные автором данные, полученные при уникальных экспериментах с донными станциями [7, 8], свидетельствуют об аномально высоких скоростях сейсмических волн под районом глубоководного желоба до глубин ~ 200 км. Отмеченное увеличение скорости отражено на заданных скоростных разрезах Р-волн (рис. 4). В интервале глубин 200-400 км под глубоководным желобом наблюдается аномально малый градиент скорости Р-волн.
Изолинии скорости Р-волн до глубины ~ 300 км имеют тенденцию повторять рельеф земной поверхности, что может свидетельствовать о генетической связи глубинных и поверхностных структур.
Расчеты годографов Р-волн для выбранных геотраверсов
Расчет годографов сейсмических волн связан со многими трудностями как методического, так и математического характера. Первая, самая большая, трудность заключается в построении надежных эмпирических годографов. Как уже отмечалось, нам удалось построить эмпирические годографы, хорошо обеспеченные данными наблюдений только для глубин 40 и 80 км. Для других глубин информации о землетрясениях было явно недостаточно. А это создавало определенные трудности в построении уверенных скоростных разрезов Р-волн.
Одной из трудностей построения скоростного разреза на двумерной сетке является приближенное знание угла наклона и мощности аномальной сейсмофокальной зоны. Обычно при построении скоростного разреза использовался средний наклон сейсмофокальной зоны по геотраверсу, а мощность зоны во всех случаях принималась равной 70 км.
Следующей довольно серьезной проблемой является наличие в верхней мантии слоев повышенной скорости на глубинах около 400 и 650 км, которые обусловлены полиморфными превращениями. Для увеличения достоверности желательно точнее знать глубины залегания этих слоев, их мощности, а также перепады скоростей в слоях. Исследование отмеченных характеристик слоев с аномальными скоростями требовало большой статистики о средних значениях их параметров.
Оказалось, что интересующие нас данные имеют значительный разброс. Однако порядок величин можно было установить достаточно надежно. Глубина до первой границы по разным оценкам варьирует от 360 до 420 км, до второй - от 650 до 690 км; перепад скорости Р-волн на первой границе - 0,52-0,7 км/с, на второй - 0,4-0,7 км/с. Мощность зоны полиморфных превращений от 5 до 35 км [14, 21]. Эти данные в осредненном виде были использованы нами (с некоторыми вариациями) для определения оптимальных параметров скоростных моделей [7].
Особое положение занимает скоростной разрез по геотраверсу Г2 (южная Камчат-ка-Япония). Окончательный годограф Р-волн для глубины очага 40 км построен с использованием разнородных данных. Часть поправочной кривой для геотраверса Г2 от южной Камчатки до Японии построена по данным наблюдений курильских станций (Северо-Курильск, Матуа, Симушир, Южно-Курильск, Курильск и Шикотан). Этих данных было явно недостаточно для построения уверенной поправочной кривой. Примечательно, что практически по этому же геотраверсу, но с захватом значительного участка Японии был проведен специальный сейсмологический эксперимент с системой .Т-аггау [21]. Система 1-аггау - это сеть из около 200 сейсмических станций, оснащенных современными приборами с цифровой регистрацией. Нам удалось соединить отрезки нашего курильского годографа с годографом, полученным системой 1-аггау. Для глубины очага 40 км кривые (д^ = I жп - ¿год) для двух систем наблюдений соединены с точностью ±1,0-1,5 с.
к,.,
*й РЛ та мое МВД мео пт *
Рис. 5. Скоростной разрез для геотраверса Г2, построенный на двумерной сетке с изображением лучевой картины [9]. Цифрами отмечены изолинии скорости Р-волн
Скоростной разрез Р-волн по геотраверсу Г2 до расстояний 2800 км, вместе с системой сейсмических лучей, приведен на рис. 5. Особенности эмпирической поправочной кривой (рис. 2а) отражены на этом скоростном разрезе. Отмеченный скоростной разрез по геотраверсу Г2 принят в качестве основы при расчете теоретических годографов Р-волн для разных глубин очага.
Основным критерием правильности выбранной скоростной модели является совпадение теоретической и эмпирической поправочных кривых Ш = t -1 = /ТА)) с точностью
1 1 1 1 4 р теор эмп 4
до ±1 с. Другими словами, разностная кривая не должна выходить за пределы заштрихованной полосы, как показано на рис. 6б.
Скоростной разрез для геотраверса Г9 (рис. 6а) построен на двумерной сетке с изображением высокоскоростной сейсмофокальной зоны. Значительные отличия скоростного разреза Р-волн от линейного отмечены на глубинах 100-200, 200-290 и около 500 км. Из рис. 6б видно, что разности теоретической и эмпирической кривой не выходят за пределы заштрихованной полосы шириной ±1 с. Скоростной разрез изображенный на рис. 6а, а также таблица со скоростями на двумерной сетке, отражающая нюансы скоростного разреза, приняты в качестве основы при расчете теоретических годографов Р-волн для разной глубины очага для геотраверса Г9 [7].
Обсуждение результатов
Представление эмпирических годографов в виде поправочных кривых (Ш^ = = tp набл - tp год =/(Д0 имеет свои достоинства и недостатки. Достоинство этих кривых заключается в возможности выявить тонкую структуру среды на пути волн от очага до станции. Как отмечалось выше, эмпирические поправочные кривые имеют сложный квазисинусоидаль-ный характер, а экстремумы этих кривых соответствуют кровлям и подошвам аномальных слоев. Однако такой характер кривой создает большие трудности при расчете теоретических годографов.
Рис. 6. Скоростной разрез Р-волн по геотраверсу Г9, построенный на двумерной сетке (а). Сопоставление теоретической поправочной кривой Ы = ^ ^ ами = Л(А) Р-волн, построенной на основе скоростной модели (а)
с эмпирической поправочной кривой для геотраверса Г9 (б).
Цифрами отмечены изолинии с разными скоростями Р-волн. Темная наклонная полоса - вертикальный разрез сейсмофокальной зоны по геотраверсу Г9 (а). 1 - разности теоретического годографа Р-волн с годографом Г.Джеф-фриса для глубины очага к = 40 км; 2 - разности эмпирического годографа Р-волн с годографом Г.Джеффриса для глубины очага 40 км; 3 - разности эмпирического и теоретического годографов Р-волн по геотраверсу Г9. Заштрихована временная полоса шириной ±1с (б)
Рассчитать теоретические годографы Р-волн для скоростного разреза со сложным строением является не простой задачей. Во-первых, сейсмические лучи создают очень сложную переплетающуюся структуру, а годографы будут отличаться наличием зон тени и «петель» на определенных расстояниях. Зоны тени будут создаваться слоями пониженной скорости, а «петли» годографа слоями повышенной скорости. На практике участки годографов, соответствующие зонам тени, изображаются в виде прямой линии, соединяющей разрывы годографа на концах зоны тени. «Петли» на годографе просто обрезаются, и используются только сейсмические лучи, соответствующие первым вступлениям. Автором при расчете теоретических годографов при сложном скоростном разрезе иногда заменялись участки пониженной скорости слоями без градиента.
Границы на глубинах 400 и 650 км многими исследователями отмечаются в разных частях земного шара с помощью разных методов и имеют, по-видимому, глобальное распространение [15, 16, 20, 21]. Удивительным оказалось сходство глубин расположения этих границ под разными тектоническими структурами. Внимание ученых обычно привлекало то, что эти границы очень резкие и на них эффективно происходят процессы отражения и обмена сейсмических волн.
Для большей достоверности желательно было бы получить больше данных, используя материалы об интересующих нас параметрах для других регионов, сходных по строению и истории тектонического развития. Такими зонами можно, по-видимому, считать все области в пределах Тихоокеанского сейсмического пояса.
Известно [2], что для определения значений V в слоях пониженной скорости нужно иметь гипоцентры между этими слоями. В нашем случае можно было судить о скоростных особенностях только слоя пониженной скорости, расположенного между глубинами 40 и 80 км. Если же слои пониженной скорости расположены глубже 80 км, определить значения скорости в этих слоях обычными методами практически невозможно, хотя они и могут проявляться в виде зон тени. Однако, зная интервалы эпицентральных расстояний, соответствующих зонам тени, можно примерно судить и о глубинах расположения этих слоев.
Проведен анализ теоретических годографов для геотраверса Г2 для глубин очагов: 100, 200, 300, 400 и 500 км. Они сопоставлены с соответствующими годографами Р-волн по Г.Джеффрису [18] и Е.Херрину [17]. Отметим, что времена пробега Р-волн, соответствующие теоретическому годографу для геотраверса Г2, закономерно (в соответствии с различием скоростных разрезов) отличаются на 2-3 с от времен пробега по годографам Джеффриса-Маки [18, 19] и Херрина [17].
Хорошее согласие формы построенных годографов Р-волн в редуцированном виде отмеченными апробированными годографами позволяют считать их надежными годографами для определения параметров дальневосточных землетрясений.
Подробные рабочие варианты теоретических годографов Р-волн для западного и южного направлений опубликованы в специальной монографии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Веселов О.В., Гордиенко В.В., Соинов В.В. Геотермические исследования: обобщение данных по тепловому потоку; тепловые модели тектоносферы вдоль профилей ГСЗ // Тектоносфера Тихоокеанской окраины Азии. Владивосток, 1992. С. 115-145.
2. Гервер М.Л., Маркушевич В.М. Определение по годографу скорости распространения сейсмической волны // Вычислит. сейсмология. 1967. Вып. 3. С. 3-51.
3. Глубинное строение территории СССР / В.В.Белоусов, Н.И.Павленкова, А.В.Егоркин и др. М.: Наука, 1991. 224 с.
4. Кузин И.П. К вопросу о скоростной неоднородности зоны Беньоффа (Вадати-Заварицкого-Беньоффа) // Физика Земли. 1994. № 4. С. 12-24.
5. Матвеева Н.Н. Машинный алгоритм и методика определения скоростного разреза по совокупности кинематико-динамических данных // Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Л., 1968. Сб. 9. С. 150-165.
6. Тараканов Р.З. Годографы Р- и S-P-волн и скоростной разрез верхней мантии Земли по данным наблюдений над курило-японскими землетрясениями // Физика Земли. 1965. № 7. С. 92-101.
7. Тараканов Р.З., Омельченко O.K., Бобков А.О. Скоростные модели строения тектоносферы Тихоокеанской окраины Азии по генеральным геотраверсам. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2003. 95 с.
8. Тараканов Р.З. Скоростные особенности строения океанического блока верхней мантии северо-западной части Тихого океана по данным наблюдений с донными сейсмографами // Проблемы сейсмической опасности Дальневосточного региона. Южно-Сахалинск, 1997. С. 21-38. (Геодинамика тектоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией; т. 6).
9. Тараканов Р.З., Омельченко O.K. Скоростные особенности строения тектоносферы Тихоокеанской окраины Азии по трем генеральным геотраверсам // Обратные задачи геофизики: тр. междунар. семинара. Новосибирск, 1996. С. 166-169.
10. Тектоника и углеводородный потенциал Охотского моря / О.В.Веселов, А.Я.Ильев, В.Э.Кононов и др. Владивосток: ДВО РАН, 2004. 160 с.
11. Тектоносфера Тихоокеанской окраины Азии / В.В.Гордиенко, В.В.Андреев, С.К.Биккенина и др. Владивосток: ДВО РАН, 1992. 238 с.
12. Федотов С.А. Исследования по вулканологии и сейсмологии, их развитие и значение на Камчатке. История отечественной науки. (Статьи и очерки 1973-2002 гг.). Петропавловск-Камчатский: Новая книга, 2003. 184 с.
13. Aoki H., Tada T. P-wave travel-time anomaly in Japan - observation of the CANNIKIN nuclear explosion // J. Phys. Earth. 1973. Vol. 21. P. 433^43.
14. Dueker K.G., Sheehan A.F. Mantle discontinuity structure deneath the Colorado Rocky mountains and high plains // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, N B4. P. 7153-7169.
15. Flanagan M.P., Shearer P.M. A map of topography on the 410-km discontinuity from PP precursors // Geophys. Res. Let. 1999. Vol. 26, N 5. P. 549-552.
16. Grad M., Duda S.J., Saul J. Upper mantle model of central Eurasia derived from P-wave from nuclear explosions recorded on the Grafenberg array // Acta Geophys. Pol. 1996. Vol. 44, N 2. P. 109-123.
17. Herrin E.H. Seismological table for P-phases // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1968. Vol. 58, N 4. P. 1193-1241.
18. Jeffreys H. The times of P, S and SKS and the velocities of P and S // Mon. Not. Roy. Astr. Soc. Geophys. 1939. Suppl. Vol. 4. P. 498-533.
19. Maki T. Extended travel time tables for the JMA standard model of the crust and upper mantle structure beneath the Japanese islands // Bull. Earthq. Res. Inst. 1983. Vol. 58. P. 311-383.
20. Revenaugh J., Jordan T.N. Mantle layering from ScS reverberations. 2. The transition zone // J.Geophys. Res. 1991. Vol. 96, N B42. P. 19763-19780.
21. Yamazaki A., Hirahara K. The upper mantle P-wave structure beneath the northern Japan arc, as inferred from J-array data // J. Phys. Earth. 1996. Vol. 44, N 6. P. 713-728.
