Трехмерные скоростные модели земной коры Тянь-Шаня на основе(Автореферат)

На правах рукописи

Усольцева Ольга Алексеевна

ТРЕХМЕРНЫЕ СКОРОСТНЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ ТЯНЬ-ШАНЯ НА ОСНОВЕ БИ-СПЛАЙН ПАРАМЕТРИЗАЦИИ И ТРИАНГУЛЯЦИИ ДЕЛОНЕ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

2 Работа выполнена в Институте динамики геосфер Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук И.А.Санина (ИДГ РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.М. Овчинников (ИДГ РАН) кандидат физико-математических наук А.В.Треусов (ИФЗ РАН)

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (ГФУП ВНИИГеофизика) Защита диссертации состоится 23 июня 2004 г. в 1000 часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.050.01 Института Динамики Геосфер Российской Академии Наук (ИДГ РАН) по адресу: 119334, Москва, Ленинский проспект, 38, корп.1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

Автореферат разослан ___________2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.002.050.01 канд. физ.-мат. наук Рыбаков В.А. Институт динамики геосфер РАН, 2004

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. 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 разнообразный 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 скоростью внутри или скоростная функция раскладывалась по полиномам Лежандра (гармоническиполиномиальный способ разложения). Оба эти способа имеют ряд существенных недостатков. При использовании гармоническиполиномиального способа часто сталкиваются с проблемой ложной экстраполяции искомой функции в слабо изученных районах. При разбивке исследуемой территории на блоки с постоянной

4 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 19972000 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 [Ghose, Hamburger, Virieux, 1998] и [Адамова, Сабитова, 2004]. 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 [Дельво, Абдрахматов, Лемзин, Стром, 2001; Трифонов, Соболев, Трифонов, Востриков, 2002], в значительной степени дополняет существующие представления об особенностях геологического строения и динамических процессах, происходящих в этом регионе. Цель работы. 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. Главные задачи исследования:

5 - 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 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, Simulps14, 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

6 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 [Nelson, Vidale, 1990] 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 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. Основные защищаемые 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. Практическая ценность и реализация работы. Полученные в настоящей работе трехмерные скоростные модели могут быть использованы для уточнения геологотектонического 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-

7 станционных сейсмических поправок SSSC для станций IMS ТяньШаньского региона. В работе [Reiter, Vincent, Johnson, Rodi, 2001] показано, как на основе 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. Апробация работы. Результаты работы докладывались устно на VIII международной конференции «Математика, компьютер, образование» в Пущино в 2001 г., на XLIII и XLV научных конференциях Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» в Долгопрудном в 2000 и 2002 гг.. Также основные положения и результаты работы были представлены в виде стендовых докладов на XXXV Тектоническом совещании «Тектоника и геофизика литосферы» в Москве в 2002 г., на Пятых ежегодных геофизических чтениях им. В.В. Федынского в Москве в 2003 г., на совместной конференции Европейского геофизического общества (EGS), Американского геофизического союза (AGU) и Европейского союза по геофизическим наукам (EUG) в Ницце в 2003 г., на конференции Европейского Геофизического Общества (EGU) в Ницце в 2004 г. Публикации. Содержание работы изложено в четырех научных статьях, две из которых опубликованы в Сборнике научных трудов ИДГ РАН в 2003 г., одна выпущена на CD диске, посвященном 27 конференции Европейского Сейсмологического Общества и одна в журнале «Физика Земли». Результаты некоторых проводимых исследований изложены в виде тезисов на 8 различных научных конференциях, проходивших в России и за рубежом. Поддержка.

8 Представляемая работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках гранта № 03-05-64650 (2003-2005 г.г.) и поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ) (проект KR-837 2003-2005 г.г.). Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 6 глав, введения, заключения и приложения. Общий объем работы 202 страниц, включая 78 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 122 наименований. Благодарности. Автор глубоко признателен своему первому научному руководителю д.ф.м.н. Китову И.О, под руководством которого он начинал настоящие исследования. В дальнейшем (2002-2004 гг.) вся работа и ее завершение были выполнены под руководством д.ф.м.н. Саниной И.А, которой я приношу глубокую благодарность. Отдельную благодарность хотелось бы выразить Сабитовой Т.М. и Адамовой А.А. из ИС КР НАН за предоставление данных о временах пробега Р и S волн от местных землетрясений, советы и консультации в процессе работы. За творческое общение и дискуссии по отдельных вопросам автор признателен Э.Кисслингу (Институт Геофизики, ETH, Цюрих, Швейцария), Султанову Д.Д. (ИДГ РАН). За консультации по истории геологических и геофизических исследований и их результатам для Тянь-Шаня автор благодарен Щукину Ю.К.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана краткая характеристика работы, обосновывается актуальность проводимых исследований, формулируются основные защищаемые положения. Глава 1 История развития сейсмической томографии и существующие томографические модели В первой главе кратко изложены основные этапы развития сейсмической томографии. Уделено внимание пионерским исследованиям в области сейсмической томографии, связанным с именами зарубежных К.Аки, В.Ли, А.Дзевонски, и отечественных: А.С. Алексеева и М.М. Лаврентьева, ученых. Рассмотрены современные томографичекские исследования, проводимые Т.Б.Яновской, Х.Зангом, А.Горбатовым, К.Турбером, С.Рокером, Д.Эберхарт-Филлипс и проанализированы основные результаты этих работ.

9 Глава 2 Методика построения трехмерных региональных томографических моделей по данным времен пробега от локальных землетрясений Во второй главе приводится математическая формулировка сейсмотомографической задачи для случая, когда источниками сейсмических волн являются местные землетрясения. Как видно из формулы (1) с помощью решения системы линейных уравнений по разнице T-T0 между реальным и расчетным временем пробега (невязке) вычисляются поправки ∆γk к изначально заданным параметрам модели, поправки к координатам очага ∆x, ∆y , ∆z и времени в очаге ∆t. T − T0 =

M

∑

k =1

∂T ∂T ∂T ∂T , , , ∂γ k ∂x ∂y ∂z

∂T ∆γ ∂γ k

k

+

∂T ∂T ∂T ∆x + ∆y + ∆z + ∆t, ∂x ∂y ∂z

(1)

-частные производные времени пробега по

параметрам модели и координатам источника, M – количество задействованных параметров модели. Выведены формулы для расчета частных производных времени пробега по параметрам модели при использовании различных способов параметризации модели. Рассмотрены случаи блоковой параметризации функции медленности (s), квадратичной медленности (s2) и функции скорости (v); линейной и кубической Би-сплайн параметризации функций s, s2, v, параметризации на основе триангуляции Делоне функций s, s2, v. В этой же главе описаны различные алгоритмы построения плоских сейсмических лучей [Thurber, Ellsworth, 1980; Thurber, 1983], трехмерных бесконечно тонких сейсмических лучей и трехмерных сейсмических лучей конечной толщины [Husen, Kissling, 2000]. Автором изучено три разных группы методов построения трехмерных бесконечно-тонкий сейсмических лучей: метод изгиба [Um, Thurber, 1987; Koketsu, Sekine, 1998], метод пристрелки [Pereyra et al., 1980; Virieux, 1991; метод Рунге-Кутта] и метод конечных разностей [Podvin, Lecomte, 1991]. В работе указано, какие из перечисленных методов были изучены автором, какие запрограммированы, какие использовались при тестировании, а какие при построении реальных сейсмотомографических моделей. Затем несколько страниц посвящено теории обращения больших разреженных матриц по норме L2. Описаны различные способы введения дэмфирующих и весовых матриц. Рассмотрены методы вычисления обратных матриц по норме L2 за конечное число шагов (метод нормальных

10 уравнений и метод сингулярного разложения), а также итерационный метод обращения матриц [LSQR; Paige, Saunders, 1982]. Для случая, когда неизвестными являются и параметры модели, и координаты и время в эпицентре, изложены теоретические основы процедуры разделения переменных [Pavlis, Booker, 1980], упрощающей и убыстряющей процесс нахождения решения. Описаны различные методы перелокации событий: метод решения переопределенной системы линейный уравнений (метод Гейгера), метод сеточного поиска [Nelson, Vidale, 1990], метод двойных разностей [Waldhauser, Ellsworth, 2000]. Все три метода для перелокации событий использовались при работе с реальными данными, метод сеточного поиска применялся в программной реализации автора. Изучение программных кодов Sphypit90 и Simulps14 дало возможность автору составить общие представления о различных способах введения весовых коэффициентов. Предложен свой способ введения весовых коэффициентов, который реализован в программах TomoCubeFD и TomoTetraFD. Также эта глава включает в себя описание основных этапов любого сейсмотомографического исследования: сортировка данных, построение оптимальной одномерной модели, выбор и тестирование алгоритма, построение трехмерных скоростных моделей и проверка правильности проведенных расчетов. Глава 3 Сравнительный и оценочный анализ В начале третьей главы на конкретном примере сравниваются три различных способа построения трехмерных бесконечно тонких сейсмических лучей: метод изгиба [Um, Thurber, 1987], метод пристрелки [Virieux, 1991] и метод конечных разностей [Podvin, Lecomte, 1991]. Сделан вывод, что наиболее точным для данного примера является метод конечных разностей. Рассмотрено как на точность вычислений с помощью каждого из трех перечисленных выше методов влияет увеличение эпицентрального расстояния между источником и приемником. Погрешность возрастает медленнее всего с увеличение эпицентрального расстояния при использовании метода пристрелки [Virieux, 1991] или метода конечных разностей [Podvin, Lecomte, 1991] при использовании достаточно мелкого разбиения исследуемой области на блоки (для территории 200 км в поперечнике необходимо разбиение на кубики со стороной 0,5 км). Представлены результаты восстановления трехмерной горизонтально неоднородной тестовой скоростной модели при

11 использовании блокового способа параметризации и различных непрерывных (линейные Би-сплайны, кубические Би-сплайны, триангуляция Делоне). Проведено сравнение 2 способов обращения переопределенной разреженной матрицы: методом сингулярного разложения и методом LSQR. Существенных численных различий в результатах, полученных при использовании двух различных методов обращения матриц, не выявлено. Проведена оценка влияния процедуры пересчета лучей и перелокации событий после каждой итерации на конечное значение взвешенной среднеквадратичной невязки (RMSw). Значение RMSw вычислялось по формуле, представленной ниже: 1 2

   ∑ W i ∆ Ti 2   , W = W ⋅W ⋅W ⋅W , (2) RMS W =  i =1 N i 1i 2i 3i 4i    ∑ Wi    i =1 в которой ∆Ti=Ti-T0i – разница между реальным и расчетным временем пробега (невязка) для i-того луча, N – количество лучей, Wi – итоговый весовой коэффициент, W1i – весовой коэффициент, зависящий от качества вступления волны, W2i - весовой коэффициент, зависящий от величины невязки ∆Ti, W3i - весовой коэффициент , зависящий от эпицентрального расстояния, W4i – весовой коэффициент, зависящий от качества регистрации на станции. Выполнен сравнительный анализ четырех различных сейсмотомографических программ: Simulps14 [Thurber,1994], Fatomo [Husen,2000], TomoCubeFD и TomoTetraFD (две последние программы написаны автором). Для выявления недостатков различных алгоритмов и условий, при которых эти недостатки проявляются, тестирование проводилось сначала для случая равномерного покрытия исследуемой территории лучами, затем для случая неравномерного покрытия исследуемой территории лучами с малым количеством регистрирующих станций. При равномерном покрытии исследуемой территории лучами различия между программами незначительные. Результаты тестирования показали, что при малом количестве станций и существенно неравномерной плотности лучей существуют такие тестовые скоростные модели, в которых с помощью TomoCubeFd удается добиться восстановления трехмерной скоростной структуры с наименьшим количеством артефактных (несуществующих) неоднородностей. N

12 Глава 4 Общая геофизическая характеристика Тянь-Шаня В четвертой главе даны общие сведения об изучаемом регионе: форма, размеры, расположение изучаемого района на тектонической карте Евразии. Указаны геологические периоды образования различных горных хребтов и межгорных впадин по [Юдахин, 1983]. Особое внимание уделяется геофизической изученности Тянь-Шаньского горного массива. Кратко изложены результаты исследования изостазии Тянь-Шаня, полученные В.И.Кнауфом, К.Д.Помазковым, М.Е.Артемьевым, В.Э.Голландом и Ф.Н.Юдахиным. Характер изменения теплового поля Тянь-Шаня, температурные характеристики коры и верхней мантии изложены на основе работы [Шварцман,1991]. При описании основных разломных структур на исследуемой территории и скоростей деформаций наибольшее внимание автора было обращено к работам Ф.Н.Юдахина, К.Е.Абдрахматова, В.Г.Трифонова, М.Гамбургера. Характер магнитных аномалий и проводимые магнитотеллурические исследования описаны в работах В.П.Погребного и Ю.А.Трапезникова. Также в этой главе подробно описаны сейсмологические исследования коры и верхней мантии под Тянь-Шанем, проводимые Е.М.Бутовской, И.Л.Нерсесовым, В.И.Уломовым, Т.М.Сабитовой, Т.Б.Яновской, Л.П.Винником, А.М.Сайипбековой, Ю.А.Бурмаковым, Г.Л.Косаревым, А.В.Треусовым, Г.А.Гамбурцевым, В.Н.Шациловым, С.Гхоссе, С.Рокером и многими другими. Скоростные свойства в исследуемом районе изучались методами ГСЗ, МОВЗ, методом функции приемника, методом сейсмической томографии и на основе анализа годографов и систем встречных годографов, построенных по данным промышленных взрывов и сильных землетрясений. Методом сейсмической томографии построены три различные трехмерные скоростные модели для территории всего Тянь-Шаня, для территории Северного Тянь-Шаня известны две трехмерные томографические модели. В изучаемом районе исследования методом ГСЗ проводились на территории Ферганской впадины: профили Ленинабад-Караунгур (1959), Абадан-Вуадиль (1959), Зоркуль-Токтогул (1973-75), на территории Северного Тянь-Шаня: оз. Иссык-Куль – г.Фрунзе – Чан-Кудук (1960), Каскаленский профиль (1967).

13 Описаны существующие представления о природе и характере динамических процессов, происходящих в земной коре и мантии под Тянь-Шанем. Глава 5 Описание используемых в работе данных и анализ сейсмичности Тянь-Шаня В пятой главе описаны имеющиеся для построения трехмерных скоростных моделей территории Тянь-Шаня наборы данных. Общая база данных содержит информацию о временах пробега сейсмических волн от ~2000 локальных землетрясений, произошедших в период с 1957 по 1999 года и зарегистрированных ~200 аналоговыми станциями. Также в эту базу входят данные времен пробега от ~13000 локальных землетрясений, произошедших в период с 1991 по 2000 года и зарегистрированные ~40 цифровыми станциями сейсмических групп KNET и GHENGIS. Для различных наборов данных построены индивидуальные, сводные и редуцированные годографы. На основе анализа распределения землетрясений, расположенных на территории ТяньШаня и зарегистрированных цифровыми станциями выделены зоны наибольшей плотности сейсмических событий на севере Тянь-Шаня (широта 42.6, 73.5-76.5 в.д.), около южного побережья озера Иссык-Куль, на юге исследуемой территории - в Китае. Проведен анализ качества имеющихся цифровых и аналоговых данных на основе построения индивидуальных годографов для 127 землетрясений, зарегистрированных и цифровыми, и аналоговыми станциями. Этот анализ показал, что качество имеющихся цифровых данных значительно более высокое, чем качество аналоговых данных. В этой главе приводится описание процедуры первичной обработки имеющихся данных и отбраковке непригодной для сейсмотомографической инверсии информации. Составлено пять наборов данных для территории Северного ТяньШаня (73.5-76.5 в.д., 41.9-43.4 с.ш.), включающих в себя информацию только от цифровых станций и два набора данных для территории всего Тянь-Шаня (68.0-80.5 в.д., 38.0- 44.5 с.ш.), включающие в себя информацию, полученную по аналоговым, и цифровым сейсмическим записям. Менее 11% событий, которые произошли в районе 73.5-76.5 в.д., 41.9-43.4 с.ш. за период 19912000 года (~3000 событий), по данным бюллетеней цифровых станций оказались пригодными для построения трехмерных скоростных моделей земной коры под Северным Тянь-Шанем.

14 Глава 6 Полученные одномерные и трехмерные скоростные модели Тянь-Шаня Шестая глава посвящена представлению результатов, полученных для территории Северного Тянь-Шаня (73.5-76.5 в.д., 41.9-43.4 с.ш., модели Р, S, Vp/Vs) и демонстрации трехмерных моделей Р волн, полученных для территории всего Тянь-Шаня (68.0-80.5 в.д., 38.0- 44.5 с.ш.). Для территории Северного Тянь-Шаня с использованием каждого из пяти наборов данных проведено вычисление минимальных одномерных слоистых скоростных моделей и расчет временных станционных поправок для каждой станции. Помимо слоистых одномерных скоростных моделей для каждого набора данных подобраны непрерывные и дважды непрерывно дифференцируемые одномерные скоростные модели. На Рис.1 представлены три различной степени гладкости одномерные скоростные модели, полученные по одному из составленных наборов данных.

Рис.1 Одномерные скоростные модели Р волн для Северного Тянь-Шаня: слоистая, линейно непрерывная и дважды непрерывно дифференцируемая, полученные по одному из составленных наборов данных.

После построения минимальных одномерных моделей, была проведена перелокация отобранных событий. RMSw (2), рассчитанная для новых координат и времени в источнике в любой из авторских одномерных скоростных моделях (Рис.1), с учетом вычисленных станционных поправок на 70% меньше, чем RMSw (2), рассчитанная для координат и времени в источнике, данных в бюллетене, в одномерной скоростной модели С.Гхоссе [Ghose, Hamburger, Virieux,1998] без учета станционных поправок.

15 Дополнительно для проверки качества полученных одномерных скоростных моделей и рассчитанных станционных поправок проведена перелокация по этим моделям 172 карьерных взрывов, расположенных на северо-востоке исследуемого региона. После перелокации большая часть событий располагается в квадрате ~2,2×2,2 км близ истинного местоположения карьера (43.05 с.ш., 74.90 в.д.) на глубинах до 4 км, в то время как до перелокации область расположения той же группы событий была ~4,5×4,5 км, а глубинный диапазон 0-15 км. В работе представлены 5 различных непрерывных или квазинепрерывных трехмерных скоростных моделей Р волн для территории Северного Тянь-Шаня, построенные с использованием различных алгоритмов и различных наборов данных. Одна непрерывная и одна квазинепрерывная трехмерные модели скоростей Р волн представлены на Рис.2 и Рис.3 соответственно. Качество реконструкции оценено по картам диагональных элементов матрицы разрешения и картам распределения стандартных ошибок. Диагональные элементы матрицы разрешения превышают значение 0.5 для большей части исследуемой территории в моделях, изображенных на Рис.2 и Рис.3. Стандартная ошибка определения скоростей в среднем ~0.04 км/с.

16

Рис. 2 Горизонтальные сечения модели скоростей Р волн, полученные с использованием программы Simulps14 и набора данных из 327 событий. Представлены отклонения скорости от среднего значения в данном слое в %. Значение взвешенной невязки понизилось на 25% (от 0.130 сек до 0.097сек).

17

Рис.3 Горизонтальные сечения трехмерной модели скоростей Р волн на различных глубинах, полученной по набору данных из 173 событий с использованием программы TomoTetraFd. Представлены отклонения скорости от среднего значения в данном слое в %. Значение взвешенной невязки понизилось на 17% (от 0.119 с до 0.099 с). Исследуемый объем разбит на 769 тетраэдров.

С использованием программы Simulps14 проведено одновременное вычисление непрерывных трехмерных моделей скоростей Р и S волн. На основе этих моделей построены трехмерные распределения отношения Vp/Vs (Рис.4). В работе представлены результаты расчетов для двух разных наборов данных. В трехмерных моделях также проведена перелокация

18

Рис. 4. Трехмерное распределение отношения Vp/Vs, построенное по набору данных из 318 событий с использованием программы SimulPS14.

событий двумя различными методами: методом Гейгера и методом сеточного поиска.

Качество полученных трехмерных скоростных моделей также проверялось с помощью перелокации на основе трехмерных

19 моделей 172 карьерных взрывов. Если в одномерной линейно непрерывной скоростной модели основная масса событий располагалась на глубинах 2.3-4 км, то в трехмерной модели большинство событий сосредоточено в глубинном диапазоне 1.2-3 км. Проведен постанционный анализ невязок до и после построения трехмерных скоростных моделей. На примере станции KBK на Рис.5 показано, что в трехмерной скоростной модели (Рис.2) существенно уменьшаются невязки для тех землетрясений, которые были зарегистрированы на этой станции.

Рис. 5 Сравнение распределения невязок для станции KBK до (слева) и после (справа) построения трехмерной скоростной модели (Рис.2) для территории Северного Тянь-Шаня.

Проведено сравнение полученных скоростных моделей с тектоническими картами [Дельво, Абдрахматов, Лемзин, Стром,2001; Трифонов, Соболев, Трифонов, Востриков, 2002]; с геологической картой исследуемой территории, данной в работе [Bullen, Burbank, Garver, 2003]. При сравнении авторских трехмерных сейсмотомографических моделей верхней коры Северного Тянь-Шаня с моделями [Ghose, Hamburger, Virieux, 1998] наблюдается аналогичная смена характера неоднородностей в зоне сочленения Киргизского хребта и Чуйской впадины. Под Киргизским хребтом в верхней коре преобладают пониженные значения скоростей, под Чуйской впадиной повышенные. Высокоскоростное тело под северной частью Чуйской впадины на глубинах 10-30 км также присутствует в модели [Сабитова и др., 1998]. В моделях автора характер перехода между Чуйской впадиной и Киргизским хребтом в западной и восточной частях исследуемого региона различен. Изменение поведения скоростных

20 неоднородностей происходит приближенно на долготе 74.6. Именно на этой долготе расположена зона перехода ШамсиТюндюкского разлома в Чонкурчакский [Дельво, Абдрахматов, Лемзин, Стром, 2001]. На поверхности этот переход выражен пиком Зап.Аламедин высотой 4875 м. Во второй части шестой главы, используя в качестве начальной одномерную скоростную модель [Адамова, Сабитова, 2004], построены две авторские одномерные модели скоростей Р волн для двух разных наборов данных. Рассчитаны станционные поправки для 194 сейсмических станций, расположенных на исследуемой территории. Квазинепрерывная горизонтально неоднородная скоростная модель, полученная с помощью программы TomoTetraFd, представлена на глубинах 5 и 50 км на Рис.6 и Рис.7 соответственно. Качество представленных в работе одномерных и трехмерных моделей скоростей Р волн для всей территории ТяньШаня проверено с помощью локации на основе этих моделей Токтогульского взрыва, произошедшего 8 февраля 1975 года, координаты и время которого известны с высокой точностью. Точность локации и в горизонтальном, и в вертикальном направлении равна ~4 км. Проведено сравнение полученных моделей Р волн для территории всего Тянь-Шаня с существующими сейсмотомографическими моделями для данной территории [Roecker, Sabitova, Vinnik et al., 1993], [Треусов и др., 1993], [Адамова, Сабитова, 2004], с тектонической картой из [Сабитова, 1991] (Рис.6 и Рис.7). Найдено согласование между вертикальным скоростным разрезом, представленным в работе [Сабитова, Адамова, 2001], вдоль профиля, секущего очаговые зоны сильных землетрясений Южного и Северного Тянь-Шаня, и вертикальным сечением вдоль этого профиля, построенным на основе трехмерных моделей, полученных автором. Полученные результаты сопоставлены с результатами работ ГСЗ.

Рис. 6. Горизонтальное сечение трехмерной модели скоростей Р волн на глубине 5 км, полученное по набору данных из 688 событий с использованием программы TomoTetraFd. Представлены отклонения скорости от значения, соответствующего одномерной модели на данной глубине, в %. Белыми точками схематично обозначены основные глубинные разломы по [Сабитова,1991]: 1 – ТаласоФерганский, 2 – система Северо-Тянь-Шаньских разломов, 3 – Гиссаро-Кокшаальский, ;4 – Атбаши-Иныльчекский, 5 – Линия николаева.

21

Рис. 7. Горизонтальное сечение трехмерной модели скоростей Р волн на глубине 50 км, полученное по набору данных из 688 событий с использованием программы TomoTetraFd. Представлены отклонения скорости от значения, соответствующего одномерной модели на данной глубине, в %. Белыми точками схематично обозначены основные глубинные разломы по [Сабитова,1991]: 1 – ТаласоФерганский, 2 – система Северо-Тянь-Шаньских разломов, 3 – Гиссаро-Кокшаальский, ;4 – Атбаши-Иныльчекский, 5 – Линия николаева.

22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении приведены основные результаты, полученные автором в ходе работы. Описаны перспективы дальнейшего развития данного исследования. В приложении приведена некоторая информация о существующем, свободно распространяемом и широко используемом сейсмотомографическом программном обеспечении: программа Velest [Kissling,1999], Sphypit90 [Roecker,2001], Simulps14 [Thurber,1994] и Fatomo [Husen,2000]. Эти программы предназначаются для использования на рабочей станции Sun, но автором переделаны для работы на РС (ОС Windows), откомпилированы с помощью Compaq Visual Fortran Professional 6.1 и применялись в ходе работы для проведения большого количества вычислений. Описание работы программ на русском языке ранее не производилось. 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 Simulps14, но значительно выигрывают у программы Fatomo. В отличие от программ Simulps14 и Fatomo, авторские способны восстанавливать скоростную модель в областях регионального масштаба (~1000×1000 км), а не только локального (~200×200 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 [Aki, 1976]. При использовании этого подхода высока вероятность появления

24 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 данных. Сравнение и анализ результатов расчетов одного региона с использованием различных сейсмотомографических алгоритмов способствует получению более достоверных скоростных моделей. 1.

2.

II. Геофизические. На территории Северного Тянь-Шаня под Чуйской впадиной преобладают повышенные значения скоростей, а под Киргизским хребтом пониженные, аналогично результатам работы [Ghose, Hamburger, Virieux,1998], [Сабитова и др., 2003]. На северо-западе исследуемой области до глубин 12 км отмечается зона пониженных скоростей (Рис.2 и Рис.3). Сравнение полученной трехмерной скоростной модели с тектонической картой показало, что на востоке от этой области расположена зона перехода Шамси-Тюндюкского разлома в Чонкурчакский [Дельво, Абдрахматов, Лемзин, Стром,2001]. На поверхности этот переход выражен пиком Зап.Аламедин высотой 4875 м. Также обнаружена область аномально низкого значения Vp/Vs в верхней коре. Для территории всего Тянь-Шаня происходит смена характера неоднородностей на глубине 20 км. Ниже 20 высокие скорости наблюдаются под западной частью Тянь Шаня, а низкие под Восточной. Так же как и в работе [Треусов и др.,1993] скорости Р волн к западу от ТаласоФерганского разлома в верхней коре ниже, чем скорости к востоку от него. Некоторое согласие с результатами работы [Roecker, Sabitova, Vinnik et al.,1993] наблюдается в средней коре и нижней коре. К западу от Таласо-Ферганского разлома присутствует зона повышенных скоростей, а к востоку пониженных (Рис.7). Те же закономерности в нижней коре в работе [Адамова, Сабитова, 2004].

Список публикаций автора по теме диссертации 1. Kryukova (Usoltseva) O.A., Kitov I.O., 3D P- and S-wave velocity model of the crust and upper mantle beneath northern Tien-Shan;

25 Cd-disk, XXVII general assembly of the European Seismological Society, Genoa, September 1st - 6th 2002. 2. Усольцева О.А., Китов И.О. Методика расчета локальных томографических моделей и ее применение на примере территории северного Тянь-Шаня и данных киргизской телеметрической сети (KNET); Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли, Сборник научных трудов ИДГ РАН, Книга 1, М: ИДГ РАН, 2003, с.244-255 3. Гамбурцева Н.Г., О.П.Кузнецов, И.А.Санина, Д.Д.Султанов, О.А.Усольцева Анализ кинематических параметров сейсмических волн по данным просвечивания ядерными взрывами сейсмоактивных районов Северного Тянь-Шаня; Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли, Сборник научных трудов ИДГ РАН, Книга 1, М: ИДГ РАН, 2003, с.237-243 4. Гамбурцева Н.Г., И.О.Китов, Д.Д.Султанов, О.А.Усольцева Сейсмический метод идентификации подземных ядерных взрывов и землетрясений на региональных расстояниях // Физика Земли, №5, 2004, c.80-94