CC BY
121
УДК 550.34.063
ВЕрхолАнцЕВ Александр Викторович,
младший научный сотрудник Горного института Уральского отделения Российской академии наук, аспирант Пермского научного центра Уральского отделения Российской академии наук. Автор 12 научных публикаций
построение одномерной скоростной модели
земной коры западного урала
Выполнен комплекс работ по уточнению скоростной модели земной коры и повышению качества оценки координат сейсмических событий в Западно-Уральском регионе. Скоростная модель представлена в виде двухслойного полупространства (верхняя кора, нижняя кора, верхняя мантия), параметры которого адекватно воспроизводят времена вступлений объемных волн (Pg, Pb, т, Sg, Sb, Sn) множества сейсмических явлений, фиксируемых Западно-Уральской сетью сейсмических станций.
^оростная модель, годограф, локация, сейсмические фазы, взрывы
Одним из важных этапов обработки материалов сейсмологических наблюдений является оценка местоположения очагов сейсмических событий. От корректности реализации данного этапа существенно зависит качество решения структурных и прогностических задач сейсмологии. Для локации местных и региональных сейсмических событий (диапазон эпицен-тральных расстояний до 2 тыс. км) необходимо знание кинематических характеристик сейсмических волн при их распространении в земной коре и верхней мантии. Как правило, в масштабе региональных наблюдений строение земной коры и верхней мантии описывается моделью горизонтально-слоистого полупространства. При этом кора предполагается либо однослойной, либо двухслойной (верхняя и нижняя кора разделены так называемой границей Конрада) (рис. 1). Подобная структура модели опреде-
© Верхоланцев А.В., 2011
ляет набор основных сейсмических фаз, обусловленных актами отражения и преломления сейсмических волн на границах раздела. К примеру, для случая источника, расположенного в верхней части земной коры, основными фазами будут выступать следующие разновидности продольных и поперечных волн (рис. 1):
Рис. 1. Схема распространение продольных и поперечных волн в случае очагов событий в верхней части земной коры (по [3])
прямые (Pg и Sg), преломленные в верхней мантии (Рп и Sn), отраженные от границы Мохо (РтР и SmS) и преломленные на границе Конрада (Р* и S*). В рамках модели среды в виде слоистого полупространства полное описание кинематических характеристик сейсмических волн дает их годограф (т.е. зависимость времени пробега от эпицентрального расстояния).
Для приближенной оценки координат очагов местных и региональных сейсмических событий могут использоваться глобальные годографы (Джеффриса-Буллена, IASP91, АК135 и т.п.), в усредненном виде описывающие кинематику региональных фаз в масштабе всего земного шара. Для обеспечения более точной локации в каждом конкретном регионе теле-сейсмические годографы целесообразно адаптировать под местные условия. К примеру, в отношении территории Урала данная задача решалась в 60-70-х годах прошлого века. Тогда свердловскими геофизиками по результатам измерения сейсмического эффекта большого числа взрывов на горнодобывающих предприятиях региона был построен сводный годограф сейсмических волн для диапазона эпицен-тральных расстояний от 40 до 400 км [1].
В последние годы задача построения регионального годографа сейсмических фаз стала актуальной для территории Западного Урала. С 2000 года здесь интенсивно развиваются исследования естественной и техногенной сейсмичности [2]. Основным инструментом исследований является сейсмологическая сеть, насчитывающая в настоящее время 6 стационарных сейсмических станций, одну площадную группу, а также несколько локальных систем мониторинга на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей. Опыт использования глобальных годографов, а также сводного годографа из работы [1] при обработке получаемых с помощью данной сети записей местных и региональных событий не всегда дает удовлетворительные результаты. В то же время накопленные на сегодняшний день сейсмологические данные позволяют браться за решение задачи построения собственного годографа, оптимального для условий наблюдений на Западном Урале.
Стоит обратить внимание на специфические особенности сейсмологических материалов, получаемых сетью станций Западного Урала. Опыт наблюдений показывает, что события естественной природы (тектонические землетрясения) весьма немногочисленны как для Пермского края, так и для соседних областей. Подавляющее большинство (около 95%) регистрируемых местных и региональных событий представляют собой промышленные взрывы, производимые на карьерах Пермского края и Свердловской области (рис. 2). В отношении построения годографа данная особенность имеет как позитивные, так и негативные моменты. Действительно, с одной стороны:
- для взрывов известны точные координаты (в том числе глубина);
- существует практическая возможность зарегистрировать времена инициации очаговых процессов (т.е. моменты взрывов).
С другой стороны:
- поскольку число карьеров ограниченно, то это приводит к дискретности сейсмических данных в пространстве (т.е. не для всех диапазонов эпицентральных расстояний можно получить информацию о временах пробега сейсмических волн);
- крупные взрывы, как правило, имеют многочисленные ступени замедления, что усложняет временную функцию источника. В результате отмечаемые на сейсмических записях фазы могут быть обусловлены не взаимодействием с границами раздела в среде, а непосредственно сложным характером излучения сейсмических волн при взрыве.
Таким образом, основными исходными данными для построения годографа региональных фаз Западного Урала являются записи взрывов. Предварительно из имеющихся в наличии материалов нами был проведен отбор наиболее кондиционных для поставленной задачи данных, а именно сейсмограмм тех взрывов, для которых:
- известны координаты очага (по информации от взрывных или горнодобывающих предприятий);
Рис. 2. Пример записи взрыва массой 25.3 т ВВ на Чусовском каменном карьере, зарегистрированного с/с «Романово» (эпицентральное расстояние 114,7 км)
- имеются сейсмические записи, как минимум, на 3 станциях в широком диапазоне эпи-центральных расстояний;
- отношение сигнал-помеха сигналов в основных сейсмических фазах превышает 2.
Полученная подборка событий была пополнена записями сейсмического эффекта взрывов в ближней зоне, зарегистрированных в результате специально организованных полевых измерений на карьере «Горнозаводскцемент». Подобные записи дают возможность достаточно точно определить момент взрыва.
Помимо взрывов на карьерах региона, в подборку также вошли сейсмограммы событий (как правило, горно-тектонических ударов) на Североуральских бокситовых месторождениях (Свердловская область). Надежные сведения о местоположении очагов этих событий имеются по данным локальных сетей сейсмомониторинга, действующих на шахтах месторождений.
На основании полученного объема данных были опробованы два способа построения годографа.
В первом способе предполагалось, что скорости продольных и поперечных волн в среде соотносятся как (то есть коэффи-
циента Пуассона равен 0,25). Это дало возможность оценить время в очаге каждого события по разнице времен прихода наиболее четких однотипных сейсмических фаз (Pg и Sg, Рп и Sn, и т.п.). В результате подобной оценки все имеющиеся сейсмические записи были отстроены в плоскости годографа, т.е. в системе координат «эпицентральное расстояние» - «время пробега». Далее производился совместный анализ наблюдаемых на записях сейсмических фаз и их визуальная аппроксимация набором лучей. Полученные в итоге времена пробега фаз Pg, Рп, Sg и Sn (годограф REG01) отображены в левой части рис. 3.
О 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500
Эпицентралычое расстояние, км Эпицентральное расстояние, км
Рис. 3. Сопоставление сводного годографа сейсмических волн для Урала (по [1]) с полученными годографами для Западного Урала
Второй подход к построению годографа носит более формализованный характер. Он основан на нахождении горизонтально-слоистой модели среды, удовлетворяющей совокупности времен прихода сейсмических волн для имеющейся подборки событий.
Для записей 11 наиболее качественных взрывов и горно-тектонических ударов с известными координатами, а также приближенно (в пределах 3 с) или точно (в пределах 0,1 с) известными моментами инициации очаговых процессов были сняты 95 абсолютных времен прихода Р и S волн. Идентификация типов волн не выполнялась, т.е., к примеру, в случае продольной волны (Р) не указывалось, является ли она прямой или преломленной в верхней части земной коры (Pg) или преломленной в верхней мантии (Рп). Данный аспект связан с возможным наличием в зарегистрированных сигналах сейсмических фаз, обусловленных не строением среды, а эффектами источника (ступени замедления взрывов). Для каждого снято-
го абсолютного времени прихода волны также задавалась погрешность.
Была опробованы два варианта модели среды:
- слой на полупространстве;
- два слоя на полупространстве.
Первый вариант описывал земную кору и
верхнюю мантию. При этом параметрами модели выступают скорости продольных и поперечных волн в коре и верней мантии (Ур1, Vs1, Vp2 и Vs2), а также мощность коры (Нт).
Во втором варианте в земной коре выделены два слоя - нижний и верхний, разделенные границей Конрада на глубине НЬ (рис. 1, 4). Параметрами модели, помимо глубины НЬ, являются скорости продольных волн в слоях коры и в верхней мантии (Ур0, Vp1 и Vp2) и глубина границы Мохо (Нт). Скорости поперечных волн устанавливались исходя из коэффициента Пуассона 0,25.
Диапазон возможных значений параметров моделей задавался в достаточно широком диапазоне в соответствии с имеющимися для ре-
Скорость,
Рис. 4. Функции плотности вероятности для параметров двухслойной модели
гиона геолого-геофизическими данными. Для каждого возможного варианта совокупности параметров модели, а также времен инициации очаговых процессов рассчитывалась плотность вероятности, основанная на несвязке между теоретическими и наблюденными временами прихода сейсмических фаз с учетом соответствующих погрешностей. В качестве меры близости была выбрана норма L1, более устойчивая к наличию «выбросов» в наблюденных временах. Путем численного интегрирования плотностей вероятности были получены безусловные плотности вероятности параметров модели (мощностей слоев и скоростей волн в них).
Для первого варианта модели среды получен не вполне физически обоснованный результат -оптимальная глубина границы Мохо оказалась слишком малой (27 км). Для второго вариан-
та найденные параметры модели более правдоподобны (рис. 4): Vp0 = 5,9 (+/- 0,11) км/с. Vp1 = 7,4 (+/- 0,12) км/с, Vp2 = 8,2 (+/- 0,15) км/с, НЬ = 26,4 (+/- 1,3) км, Нт = 40,5 (+/- 1,6) км. Зависимости времен пробега сейсмических фаз Рд, Р*, Рп, 8д, 8* и 8п (годограф REG02), соответствующие второму варианту модели среды, представлены в правой части рис. 3.
На рис. 3 для сопоставления также приведен сводный годограф сейсмических волн Урала из работы [1].
Обработка региональных взрывов с использованием уточненной модели показала, что ошибка определения их координат составляет в среднем 6 км. Применение годографа 1А8Р91 дает несколько большую величину ошибки -9 км. Для Сводного годографа сейсмических волн Урала ошибка составляет 8 км.
Список литературы
1. Ломакин В.С., Колмогорова В.В., Парыгин ГИ. Годографы сейсмических волн для Урала // Упругие волны промышленных взрывов и исследование земной коры Урала. Свердловск, 1978. С. 14-19.
2. Природная и техногенная сейсмичность Урала / А.А. Маловичко, Д.А. Маловичко, И.В. Голубева, Ю.В. Иванова // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. 2005. № 1. С. 9-18.
3. Bormann P. The IASPEI New Manual of Seismological Observatory Practice. Potsdam, 2002.
4. Верхоланцев А.В. Исследование затухания сейсмических волн в Западно-Уральском регионе по материалам местной сейсмической сети // 8-я Уральская молодежная школа по геофизике. Пермь, 2007. С. 62-64.
5. Дягилев Р.А. Сейсмичность Западного Урала и по результатам инструментальных наблюдений // Стратегия и процессы освоения георесурсов. Материалы ежегодной научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2008 году. Пермь, 2009. С. 150-152.
Verkholantsev Alexandr
CONSTRUCTION OF ONE-DIMENSION EARTH CRUST VELOCITY MODEL
FOR THE WESTERN URAL
A set of operations is carried out to specify a velocity structure and to improve the quality of seismic events location in the Western Ural region. The parameters of the Earth’s crust velocity model in a form of two-layered half-space (upper crust, lower crust, upper mantle) adequately reproduce observed arrival time of the main body waves (Pg, Pb, Pn, Sg, Sb, Sn) fixed by the Western Ural seismic network.
Контактная информация: e-mail\ vercholancev@gmail.com
Рецензент - Шварцман Ю.Г., доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова
