CC BY
18
УДК 550.34
ВЕРИФИКАЦИЯ СКОРОСТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА, ПОСТРОЕННЫХ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ BEST И PASSCAL
Валерий Викторович Ковалевский
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор технических наук, тел. (383)330-71-96, е-mail: kovalevsky@sscc.ru
Алексей Геннадьевич Фатьянов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, тел.(383)330-60-46, е-mail: fat@nmsf.sscc.ru
Дмитрий Алексеевич Караваев
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, тел. (383)330-70-69, е-mail: kda@opg.sscc.ru
В статье рассмотрена задача верификации скоростных моделей земной коры на основе применения математического моделирования для двух скоростных моделей земной коры, полученные для юга Байкальской рифтовой зоны в экспериментах BEST (Baikal Explosion Seismic Transect) и PASSCAL (Program for the Array Seismic Study of Continental Lithosphere). Приведены результаты математического моделирования полных волновых полей для этих моделей и теоретические сейсмограммы на расстояниях до 500 км от источника.
Ключевые слова: скоростные модели земной коры, эксперименты BEST и PASSCAL, верификация моделей, математическое моделирование полных волновых полей.
VERIFICATION OF BAIKAL REGION EARTH'S CRUST VELOCITY MODEL BASED ON DATA OF BEST AND PASSCAL EXPERIMENS
Valeriy V. Kovalevskiy
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 6, Professor, tel. (383)330-70-69, e-mail: kovalevsky@sscc.ru
Aleksey G. Fatyanov
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 6, Professor, tel. (383)330-60-46, е-mail: fat@nmsf.sscc.ru
Dmitri A. Karavaev
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 6, Ph. D., tel. (383)330-70-69, e-mail: kda@opg.sscc.ru
The article considers the problem of verification Earth's crust velocity models using mathematical modeling. It is consider two velocity models of the crust obtained for the south of the Baikal Rift Zone and adjacent areas of Mongolia on the profiles of experiments BEST (Baikal Explosion Seismic Transect) and PASSCAL (Program for the Array Seismic Study of Continental Lithosphere). The results of mathematical modeling of full wave fields for these models and theoretical seismograms at distances up to 500 km from the source are presented.
Key words: Earth's crust velocity models, BEST and PASSCAL experiments, verification of models, mathematical modeling of full wave fields.
Глубинные сейсмические исследования строения земной коры в Байкальском регионе проводились в рамках нескольких крупных международных проектов, таких как эксперименты BEST (Baikal Explosion Seismic Transect) и PASSCAL (Program for the Array Seismic Study of Continental Lithosphere). Построенные по данным этих экспериментов скоростные модели земной коры для южного Прибайкалья получены различными методами и имеют существенные различия.
Международный проект BEST был выполнен в 2002 году учеными Копенгагенского университета, Дания, СО РАН и Польской академией наук. Определение скоростного строения земной коры и верхней мантии под южной границей Сибирской платформы, Байкалом и Саяно-Байкальским складчатым поясом было осуществлено по методике глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) с отраженными и преломленными волнами на 360-км профиле пересекающем Байкал и основные тектонические структуры южного Байкала [1]. По результатам обработки зарегистрированных сейсмограмм была построена 2D-модель скоростей сейсмических волн в земной коре вдоль 360-км профиля пересекающего Байкал (рис. 1).
Siberian Platform
Sayan Baikal fold belt
0 50 100 150 200 250 300 350
Distance (km)
Рис. 1. 2D-скоростная модель, построенная по данным эксперимента BEST, скорости Vp волн даны в км/с (из работы [1])
В скоростной модели эксперимента BEST выделены 5 слоев. Особенностью модели является наличие высокоскоростного слоя со скоростью 7.2-7.3 км/с мощностью более 10 км на глубине от 28 км до 42 км под Сибирской платформой и на глубине от 32 км до 46 км под Саяно-Байкальским складчатым поясом в южном Прибайкалье.
Вторая скоростная модель земной коры для этого района была построена по результатам российско-американского телесейсмического эксперимента PASSCAL, который проводился в 1991-1992 гг. на юге Сибирской платформы,
в южной части Байкальской рифтовой зоны и на территории Монголии с максимальной длиной профиля 1000 км. Анализ сейсмограмм телесейсмических событий (землетрясений) производился методом приемной функции с выделением в коде Р-волны обменных поперечных волн. По результатам обработки построена 2Э-модель скоростей сейсмических волн в земной коре вдоль профилей регистрации [2] (рис. 2). Построенная модель имеет слабо выраженную слоистую структуру, с сильной изменчивостью границ слоев и их протяженностью, а также с пятнистыми включениями зон повышенных и пониженных скоростей сейсмических волн.
Рис. 2. Двумерная VS-модель по данным эксперимента PASSCAL, скорости Vs волн даны в км/с (из работы [2])
Обе построенные 2D скоростные модели относятся к одним и тем же структурам земной коры на общем 360-км участке профиля Байкал - Улан-Батор, Монголия, однако имеют существенные различия, как в характере слоистости зон одинаковых скоростей, так и в локальных особенностях поля скоростей. Для верификации скоростных моделей земной коры Байкальского региона, построенных по экспериментам BEST и PASSCAL, в ИВМиМГ СО РАН было выполнено математическое моделирование полных волновых полей.
Для эксперимента BEST построена математическая модель с пятью разно-скоростными слоями в земной коре на упругом полупространстве, моделирующем верхнюю мантию, и разработана модификация аналитического метода расчета вибрационных волновых полей для плоскослоистых 3D моделей сред, позволяющего проводить "безартефактные" расчеты на сверхдальние расстояния. Метод основан на использовании аналитических преобразований по пространственной и временной переменной [3]. После применения преобразований Фурье-Бесселя искомая краевая задача сведена к двухпараметрическому (k, w) семейству краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений, где
k - пространственная, w - временная частоты. Решение обыкновенного дифференциального уравнения получено в явном виде.
Результаты расчетов теоретических сейсмограмм для модели эксперимента BEST и сравнение их с экспериментальными результатами, полученными при вибросейсмическом зондировании на профиле Байкал - Улан-Батор [4], не подтвердили наличия скоростей продольных волн Vp=7.25 км/с в слое мощностью около 10 км в нижней коре (рис. 2). Лучшее согласование теоретических сейсмограмм и экспериментальных данных получено для значения скорости продольных волн Vp=6.65 км/с в этом слое, которое характерно для континентальной коры Азиатской плиты.
Рис. 3. Редуцированные теоретические годографы для 5-слойной модели земной коры эксперимента BEST и экспериментальные данные первых вступлений. Слева для скорости в нижнем слое коры 7.25 км/с, справа для скорости в нижнем слое коры 6.65 км/с. Скорость редукции 8 км/с
При усложнении моделей среды, учета криволинейности границ, неоднородности поля сейсмических скоростей, плотности среды, необходимо применять разностные методы, что было сделано при математическом моделировании полного волнового поля для модели среды эксперимента PASSCAL. Математическая модель для этого эксперимента построена по имеющимся данным о вертикальном распределении скоростей упругих волн в точках профиля [2].
Задача динамической теории упругости для модели эксперимента PASSCAL рассмотрена в постановке в терминах скоростей перемещений и компонент тензора напряжений на основе конечно-разностных схем Вернье и Левандера [5, 6]. Разработанное для этих схем программное обеспечение с распараллеливанием использовалось для проведения расчетов полного волнового поля с реализацией на суперкомпьютерах Сибирского Суперкомпьютерного Центра [7]. Снимки двумерного волнового поля при расчете по тестовой модели эксперимента PASSCAL приведены на рис. 4.
Рис. 4. Снимки двумерного волнового поля полученного при расчете конечно-разностным методом для скоростной модели эксперимента PASSCAL в моменты времени 5 с (слева) и 10 с (справа)
Результаты численного моделирования волновых полей для моделей экспериментов BEST и PASSCAL с целью их верификации представлены в научном информационном интернет-ресурсе "Активная сейсмология" (http://opg.sscc.ru) [9].
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 15-07-06821-а, № 14-07-00832-а, проекта №16.6 фундаментальных исследований Президиума РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nielsen C., Thybo H., Lower crustal intrusions beneath the southern Baikal Rift Zone: Evidence from full-waveform modelling of wide-angle seismic data // Tectonophysics. -2009. 470. -
2. Мордвинова В.В., Артемьев А.А. Трехмерная модель юга Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий по обменным волнам // Геология и геофизика. - 2010. - т. 51. -№ 6. С. 887-904.
3. Фатьянов А.Г. Полуаналитический метод решения прямых динамических задач в слоистых средах //ДАН. 1990. Т. 310. №2. С. 323-327.
4. В. В. Ковалевский, Ц. А. Тубанов, А. Г. Фатьянов, Л. П. Брагинская, А. П. Григорюк, А. Д. Базаров. Вибросейсмические исследования на 500-км профиле Бабушкин, Байкал -Улан-Батор, Монголия // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Меж-дунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - С. 186-190.
5. Virieux, J. (1986). P-SV wave propagation in heterogeneous media: velocity-stress finite-difference method // Geophysics. - 1986. - 51. - С. 889-901.
6. Levander, A. R. (1988). Fourth-order finite-difference P-SV seismograms // Geophysics. -53,-С. 1425-1436.
7. Караваев Д.А. Параллельная реализация метода численного моделирования волновых полей в трехмерных моделях неоднородных сред // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 6 (1). С. 203 - 209.
8. Л.П. Брагинская, А.П. Григорюк, В.В. Ковалевский. Научная информационная система «Активная сейсмология» для комплексных геофизических исследований // Вестник КРАУНЦ, Науки о земле. - 2015. - № 1. - Выпуск № 25. - С. 94-98.
С. 298-318.
© В. В. Ковалевский, А. Г. Фатьянов, Д. А. Караваев, 2016
