Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор мирового состояния в области сейсмической томографии и ее применения для восстановления глубинных процессов в Земле 14
1.1. Фундаментальные проблемы сейсмической томографии с использованием естественных источников (СТЕИ) 14
1.2. Вклад отечественной науки в развитие СТЕИ 16
1.3. Сейсмические модели Земли, полученные с помощью СТЕИ 18
1.3.1. Одномерные модели 19
1.3.2. Глобальные 3D модели Земли 21
1.3.3. Региональные модели Земли 30
Европейский регион 30
Азиатский регион 34
Зоны субдукции 43
Другие регионы 49
1.3.4. Локальная томография 51
1.3.5. Локальная телесейсмическая томография 59
2. Алгоритмы СТЕИ, разработанные соискателем 66
2.1. Алгоритм локальной томографии, LOTOS. 67
2.1.1. Общий принцип работы алгоритма LOTOS 67
2.1.2. Описание основных шагов алгоритма 68
2.1.3. Инверсия для Vp и отношения Vp/Vs 75
2.2. Алгоритм локальной томографии LOCOMOTIVE. 78
2.2.1. Вводные замечания 78
2.2.2. Общая стратегия алгоритма LOCOMOTIVE. 79
2.2.4. Алгоритм томографической инверсии и локализации источников: 81
А.) локализация источников в произвольной 3D среде 81
Б.) Уточнение положения источника методом двойных разностей 89
В.) Построение параметризационной сетки и расчет матрицы первых производных 90
Г.) Инверсия 92
2.2.5. Инверсия для коэффициента затухания или добротности Qp 93
2.2.6. Инверсия для петрофизических параметров 96
2.3. Телесейсмический алгоритм 101
2.3.1. Вводные замечания 101
2.3.2. Расчет невязок для телесейсмической инверсии 103
2.3.3. Томографическая инверсия телесейсмических данных 105
2.4. Инверсная Томографическая Схема (ИТС) НО
2.4.1. Общая структура ИТС 110
2.4.2. Расчет времен пробега лучей 113
2.4.3. Локализация источников 115
2.4.4. Параметризация и инверсия 117
2.5. Региональная томография на базе коровых волн 122
2.5.1. Изотропная версия, алгоритм MOLOTOC 122
2.5.2. Анизотропная версия, алгоритм ANITA 130
3. Примеры практического применения томографических алгоритмов 133
3.1. Алгоритм локальной томографии, LOTOS
3.1.1. Центральная Ява, пассивные данные 133
А.) Описание данных 133
Б.) Оценка амплитуды аномалий 137
В.) Результаты восстановления Vp и Vs 140
Г.) Результаты инверсии для Vp и Vp/Vs 145
Д.) Инверсия по независимым выборкам данных... 146
Е.) Влияние референтной модели на результат 148
Ж.) Синтетическое моделирование 151
3.1.2. Центральная Ява, пассивные и активные данные... 158
А.) Описание данных 158
Б.) Результаты инверсии 160
В.) Тестирование 165
3.1.3. Реализация Алгоритма LOTOS-06 в других регионах: 171
Вулкан Кракатау и его окружение 171
Кальдера Тоба, северная Суматра 177
Южные Анды 182
Коста-Рика 184
3.2. Томографический алгоритм LOCOMOTIVE Центральные Анды 188
3.2.1. Описание данных 188
3.2.2. ID и 3D стартовые модели 189
3.2.3. Тест с четными и нечетными номерами событий... 196
3.2.4. Синтетические тесты 198
3.2.5. Результаты инверсии для Vp и Vs 201
3.2.6. Результаты инверсии для Vp и Vp/Vs 206
3.2.7. Результаты инверсии для Qp 207
3.2.8. Результаты инверсии для петрофизических параметров 209
3.3. Результаты, полученные телесейсмическим алгоритмом 215
3.3.1. Район Мертвого моря 215
3.3.2. Районы Пуна и Альтиплано (Центральные Анды).. 228
3.3.3. Планирование установки сейсмических сетей 240
3.4. Инверсная Томографическая Схема (ИТС) 246
3.4,1. Памир-Гиндукуш 246
Описание данных 246
Результаты инверсии 249
Тест с четными и нечетными источниками 254
Синтетические тесты 256
3.4.2. Иран 261
А.) Изучаемый регион 261
Б.) Данные 263
В.) Результаты 265
Г.) Синтетическое моделирование 269
3.4.3. Европа-Средиземноморье 275
3.4.4. Зоны субдукции 286
3.4.5. Плюмы (Африканский и Исландский) 293
3.4.6. Южная Сибирь 304
3.5. Региональная томографическая схема для изучения земной коры 313
3.5.1. Малая Азия и восточное Средиземноморье 313
3.5.2. Байкальский регион 334
4. Обсуждение результатов, полученных соискателем с помощью сейсмотомографии в различных регионах 347
4.1. Сибирь 347
4.1.1. Морфология Байкальского рифта 347
4.1.2. Проявления кайнозойского вулканизма 351
4.1.3. Геофизическая изученность БРЗ и сопредельных
территорий 352
4.1.4. Геодинамическая интерпретация мантийных аномалий 362
4.1.5. Концепции активного и пассивного рифтинга для БРЗ 363
4.2. Районы Гиндукуша, Памира и Тянь-Шаня 371
4.2.1. Изучаемый регион и его изученность 371
4.2.2. Сопоставление результатов томографии с геологическими структурами 374
4.2.3. Интерпретация аномалии под Гиндукушем 377
4.2.4. Застывший слэб под Тянь-Шанем? 386
4.3. Восточно-Африканский рифт 391
4.4. Анды 400
4.5. Дуга Сунда 416
5. Заключение 431
Список литературы
- Сейсмические модели Земли, полученные с помощью СТЕИ
- Описание основных шагов алгоритма
- Центральная Ява, пассивные данные
- Проявления кайнозойского вулканизма
Введение к работе
Объект исследования
Объектом исследования настоящей работы является распределение сейсмических параметров в коре и мантии Земли и их связь с геологическими процессами. В работе рассматриваются структуры различного масштаба и типа:
• зоны субдукцин, на примерах Тихоокеанского пояса, Анд, Дуги Сунда и пр.;
• плюмы, на примерах, Афарского тройною сочленения, Исландии и пр.;
• зоны внутриконтинентальиой коллизии, на примерах Памира, Гипдукуша, Тянь-Шаня, Загроса и пр.:
• рифтовые зоны, па примерах Байкала, Восточной Африки и пр.;
• особенности коры в районах трансформных разломов, на примере Мертвого моря:
• активные вулканические комплексы, на примерах вулканов на Центральной Яве (влк. Мерани и др.). Кракатау и пр.;
Районы, которые исследовались соискателем в рамках настоящей работы, показаны на Рисунке 0.1.
Рисунок 0.1. Расположение районов, которые изучались автором различными алгоритмами. Цифрами указаны номера разделов диесертщщи, в которых приводится описание дай результатов в указанных областях. NP - области, которые были изучены соискателем, но не включены в диссертацию
Актуальность исследований.
Понимание причин и движуших сил формирования современных геологических структур представляет собой одну из наиболее актуальных задач геодинамики. Изучение глубинного строения Земли является необходимым элементом для достижения этой задачи.
Сейсмическая томография, использующая естественные источники (СТЕИ), является одним из наиболее эффективных методов для изучения структуры коры и мантии Земли. СТЕИ представляет собой молодой и активно развивающийся в настоящие дни метод. В приложении к реальным сейсмологическим данным для изучения земных недр СТЕИ начинает применяться с начала 70-х годов. Вместе с тем, как будет показано в обзоре, только в последнее десятилетие результаты томографии приобрели осмысленный вид, который можно сопоставлять с реальными геологическими структурами. Интерпретация результатов, полученных с помощью СТЕИ до 1995, напоминает скорее «гадание на кофейной гуще», чем серьезные научные исследования. В последние годы кардинально выросла мощность компьютеров, добавилось множество новых данных высокого качества, а также пришло осознание того, что задача верификации моделей не уступает по важности получению самих моделей. В настоящий момент в разных научных центрах идет активная работа по интерпретации новых данных и ревизии старых, что отражает актуальность задачи развития СТЕИ в мировой практической сейсмологии.
Вместе с тем, как будет показано в обзоре, большинство исследователей использует существующие алгоритмы томографии, как «черный ящик» и лишь немногие работают над созданием новых алгоритмов. На настоящий момент не существует «идеального» томографического алгоритма. Все существующие коды обладают определенными слабыми местами. Задача создания алгоритма, который позволял бы «выжать» максимум возможной информации из имеющихся наборов данных и одновременно мотивированно показывать степень достоверности результатов, является актуальной на сегодняшний день. По нашему мнению, такого уровня сложно добиться с чужими отчуждаемыми программами, используемыми, как «черный ящик». Поэтому в своих работах мы создаем собственные алгоритмы, которые не уступают, а во многом, превосходят существующие аналоги.
К сожалению, как будет показано в обзоре, на настоящий момент, исследования российских ученых по практическому применению СТЕИ занимают лишь малую часть в мировом потоке работ на эту тему. Одну из своих актуальных миссий мы видим в создании группы российских алгоритмов, которые вышли на лидирующие позиции среди зарубежных аналогов и использовались во всем мире. Данная работа, суммирующая все наши достижения за последние годы, является важным шагом в этом направлении.
Цель исследований состоит в создании геодинамических моделей различных региональных геологических структур на базе построения максимально детальных и тщательно верифицированных сейсмотомографических моделей коры и мантии.
Научные задачи исследований. Цель исследований достигается путем решения четырех, следующих друг за другом задач:
1. Создать собственные алгоритмы СТЕИ, предназначенные для обработки различных наборов данных: локальных, телесейсмических, региональных и общемировых.
2. Получить на базе этих алгоритмов с использованием различных наборов данных сейсмические структуры коры и/или верхней мантии под различными регионами.
3. Выработать критерии для проверки достоверности полученных результатов. Реализовать различные тесты, после которых можно будет уверенно сказать, что представляемые карты действительно отражают структуры внутри Земли.
4. Провести сопоставление полученных томографических картин с наблюдаемыми геологическими структурами. Дать интерпретацию сейсмических аномалий и предложить геодинамические модели, которые объясняли процессы динамики глубинных недр и не противоречили имеющимся наблюдениям.
Фактический материал и методы исследований
Данные для исследований, представленные в работе, представляют собой времена прихода сейсмических лучей от естественных событий - землетрясений, предоставляемые общемировыми, региональными и локальными сетями сейсмических станций. В отдельных случаях, помимо времен использовались амплитудно-фазовые характеристики, которые использовались для восстановления структуры сейсмической добротности.
Для интерпретации результатов использовалась информация об основных геологических структурах, взятая из литературы. Также активно использовались данные по другим геофизическим исследованиям (сейсмика с искусственными источниками, гравитационные данные, GPS наблюдения, тепловой поток, магнитотеллурическое зондирование и пр.), взятые их мировых баз данных и личного общения со специалистами. Кроме того, результаты томографии сопоставлялись с численными моделями геодинамических процессов (например, группой С.В.Соболева), что явилось удачным примером междисциплинарного сотрудничества.
В работе были использованы следующие методики СТЕИ для изучения различных по масштабу структур с использованием различных систем наблюдения:
- Региональная томография на базе Инверсной Томографической Схемы (ИТС). В этом методе используются времена по лучам от источников, расположенных в изучаемой области, зарегистрированные всеми возможными станциями мировой сети. Помимо построения Р и S скоростных аномалий, данный метод обеспечивает переопределение координат и времен источников. Инверсия осуществляется внутри круговой области (напр., с диаметром 1500 км), внутри которой наблюдается достаточное количество землетрясений. Расчет скоростных неоднородностей в нескольких областях и их последующее сведение в одну модель позволяет получать сейсмические структуры под обширными сейсмически активными областями.
- Региональная томография на базе короеых волн (алгоритмы MOLOTOC, ANITA). В некоторых регионах, где зарегистрировано достаточное количество фаз коровых волн (Pg, Sg, Pn, Sn) можно осуществлять изучение структуры коры и верхов мантии, а также глубину границы Мохо. Соискателем был разработан алгоритм MOLOTOC для реализации этой схемы. Совместно с А.Яковлевым этот метод был расширен на класс моделей с горизонтальной анизотропией (алгоритм ANITA).
- Локальная томография на местных источниках (алгоритмы LOCOMOTIVE, LOTOS-06). В рамках работы разработаны два алгоритма томографии с локальными источниками, которые применимы для случаев, когда и станции, и используемые источники расположены внутри изучаемой области. Данный метод представляется наиболее сложным среди всех схем СТЕИ. Соискателем были созданы два алгоритма, LOCOMOTIVE и LOTOS-06. Первый позволяет задавать весьма сложные начальные модели и основан на более сложных, и более корректных вычислительных схемах. Второй алгоритм, базируется на несколько более упрощенных принципах и направлен на эксплуатацию сторонним пользователем.
- Телесейсмическая томография. В случае, когда требуется изучать сейсмические аномалии на больших глубинах под локальными сейсмическими сетями, используют телесейсмический метод, который основывается на временах прихода сейсмических лучей на станции сети от далеких событий (обычно, более 20° эпицентрального расстояния). Данная схема является самой простой в практической реализации, однако разрешение получаемой в ней модели, не слишком высоко. Соискателем создан собственный алгоритм для реализации телесейсмической томографии, который был обкатан на данных по сетям в районе Мертвого моря и Центральных Анд.
Защищаемые положения
Основное защищаемое положение: Сейсмическая томография, использующая естественные источники, (СТЕИ) - это инструмент, который дает достоверную информацию о глубинной структуре земных недр. С использованием СТЕИ возможно восстанавливать или уточнять количественные картины процессов, происходящих в коре и верхней мантии Земли.
Из этого основного защищаемого положения следуют другие, более конкретные защищаемые положения:
- В зоне коллизии в центральной Азии (Памир, Тянь-Шань и пр.) обнаружены линейные высокоскоростные аномалии в верхах мантии. Предполагается, что эти аномалии отражают следы погружения в мантию остатков индийской литосферы, и/или процесс деламинации (опускание измененного вследствие фазовых переходов и имеющего повышенную плотность материала из низов аномально утолщенной коры).
- По различным данным под юго-западной частью Байкальской рифтовой зоны в верхах мантии обнаружена низкоскоростная аномалия, форма которой почти идеально совпадает с распределением кайнозойского вулканизма. Предполагается, что источником этой аномалии является плюм средней мощности, расположенный под Сибирской плитой. В остальных частях верхняя мантия под югом Сибири и Монголии представляется однородной. Это говорит о том, что если плюмы там существуют, то они маломощные и/или молодые и находятся ниже разрешающей способности наших методов.
- Под Аффарским тройным сочленением и Танзанийским кратоном на глубине существуют два примерно равнозначных по мощности плюма. Однако их проявления на поверхности различны. Аффарский плюм подходит к относительно тонкой литосфере и раскалывает ее на три сегмента. Рифтовые проявления там чрезвычайно сильные. Танзанийский плюм выходит к подошве толстого Танзанийского кратона и обтекает его по периметру, что вызывает появление кольцевой структуры рифтовых впадин с активными проявлениями вулканизма.
- В районе вулкана Мерапи (Ява, Индонезия) обнаружена беспрецендентная по амплитуде и размерам аномалия, достоверность которой доказана многочисленными тестами. Эта аномалия, вероятно, играет важную роль в подпитке активных вулканов Центральной Явы.
- В Центральных Андах мы наблюдаем сложные процессы, обусловленные субдукцией и региональным сжатием. Вулканизм основной дуги обусловлен понижением температуры плавления в мантийном клине за счет выброса флюидов из слэба. Задуговой вулканизм связан с перегретыми участками мантии с низким содержанием флюидов. Низкотемпературная аномалия в центральной части, возможно, отражает процесс деламинации коры и литосферы Бразильского щита.
Научная новизна, личный вклад
В настоящей работе представлены алгоритмы СТЕИ, полностью разработанные соискателем. Все программные коды по этим алгоритмам от первого до последнего оператора написаны соискателем (за исключением программы ANITA, в создании которой участвовал А.Яковлев и алгоритма LSQR для инверсии больших разреженных матриц, при написании которого использовались коды Г.Нолета). Созданные соискателем алгоритмы содержат множество методических решений, которые ранее не использовались. Среди нововведений соискателя можно выделить следующие:
• принцип Инверсной томографической схемы, который в чистом виде применен соискателем впервые;
• способ параметризации с использованием сетки, узлы в которой устанавливаются внутрии изучаемого объема в зависимости от густоты лучей. В некоторых случаях возможно определение двойных точек на границах раздела для моделирования скачка скорости;
• способ оценки значений свободных параметров для инверсии на базе синтетического моделирования;
• способ задания трехмерных синтетических моделей и моделирования различных реалистичных ситуаций;
• способ определения реалистичных значений амплитуд аномалий на базе вторичного восстановления скоростного поля;
• способ определения глубины Мохо по данным совместного анализа времен Pg, Pn, Sg, Sn волн;
• способ прямой инверсии для температуры и других петрофизических параметров (в кооперации с С.В.Соболевым);
• способ локализации источников на базе минимизации целевой функции. Форма целевой функции предложена соискателем;
• способ выявления и отбраковки ошибок в данных.
В результативной части работы получены важные достижения, многие из которых предоставили новый материал о глубинной структуре под различными регионами. Среди наиболее важных открытий соискателя можно выделить следующее:
- Найдена беспрецендентно интенсивная крупная низкоскоростная аномалия (30% для Р скоростей и 36%) для S скоростей и размером 80x30 км) в коре под центральной Явой, которая расположена в непосредственной близости к активным вулканам Мерапи и Лаву;
- Обнаружена яркая высокоскоростная аномалии в верхней мантии под
Памиром и Гиндукушем, которая совпадает с ареалом глубинной сейсмичности. Эта аномалия может отражать процесс субдукции и/или деламинации вещества из нижней части аномально утолщенной коры и литосферы Индийской плиты.
- Впервые произведена инверсия региональных данных в Байкальском регионе алгоритмом, учитывающем анизотропные свойства среды. Получена модель, согласующаяся с результатами других исследований, согласно которой под корой в юго-западной части Байкальской рифтовой зоны наблюдается область пониженных скоростей, совпадающая с распространением кайнозойского вулканизма.
- Получена структура Афарского плюма. В центральной части плюма, на фоне доминирующих пониженных скоростей, наблюдается локальная высокоскоростная область. Она может быть обусловлена либо вертикальной анизотропией внутри плюма, либо проникновением глубинного более высоко скоростного материала, либо возвратным нисходящим потоком. Аналогичные структуры обнаружены под срединно-океаническими хребтами.
Впервые произведена прямая томографическая инверсия для температуры и величины флюидонасыщенности в мантии по временам пробега от локальных источников в Центральных Андах. С помощью полученной модели были выявлены механизмы возникновения различных типов вулканических комплексов в Центральных Андах.
Теоретическое и практическое значение.
Алгоритмы томографии по различным схемам, созданные соискателем, используются различными группами исследователей в различных странах для обработки данных пассивных (то есть с естественными источниками) сейсмических экспериментов. Среди пользователей программы LOTOS-06 можно выделить следующих исследователей: Др. Н. Динк-Акдоган и Д. Вагнер (университет Киля, Германия), Т. Юдистира (Технологический Институт, Бандунг, Индонезия), А. Манцанарез (ГеоФоршунгЦентрум, Потсдам) и др. Программой телесейсмической инверсии соискателя пользуется Др. Б.Хайт (ГеоФоршунгЦентрум, Потсдам). Программу ИТС использует в своих исследованиях Др. А. Алинаги (Университет Копенгагена, Дания). Сейчас мы работаем над существенным расширением круга пользователей наших программ.
Благодаря такому сотрудничеству появляются результаты, которые вносят ощутимый вклад в понимание процессов в коре и мантии в наиболее интересных, с тектонической точки зрения, районах мира. На основании этих результатов строятся или уточняются геодинамические модели, с помощью которых возможно лучше понять суть современных геодинамических процессов.
Алгоритмы для восстановления координат источников в трехмерной среде, разработанные соискателем, могут оказаться полезными для мониторинга сейсмичности, а также для контроля над производством мощных искусственных взрывов.
Алгоритмы локальной томографии, созданные соискателем, показали свою устойчивость в условии очень контрастных аномалий в коре. Поэтому можно надеяться, что они смогут быть использованы, например, для изучения внутренней структуры вулканов и их мониторинга, что является важной практической проблемой оценки вулканического риска.
Публикации и аппробация работы
Работа производилась согласно планам НИР Института геологии СО РАН, согласно программы СО РАН 26.2. по научному проекту "Разработка геодинамических моделей формирования ключевых аккреционно-коллизионных структур Центральной Азии на основе геолого-геохимических, палеомагнитных и геофизических данных". Исследования были поддержаны грантами различных фондов: гранты РФФИ №94-05-16544, 1994-1996 (участник), №96-05-65963, 1996-1998 (руководитель), № 00-05-65192, 2000-2002 (руководитель), № 00-05-65461, 2000-2002 (участник), Молодежные проекты ВМТК "Томография", 1994-1996 (участник), "Динамика мантии", 1996-1998 (руководитель), индивидуальный проект по программе "Молодые лидеры СО РАН" (1997-1999). В 1997 получил грант на проведение исследовательских работ в течение одного года в Geoscience Azur, Вильфранш (Франция). Работы соискателя были поддержаны в рамках Международных проектов SFB 267, 2002-2004 (Германия) и MERAMEX, 2005-20 (Германия). С 2002 по 2006 год являлся научным руководителем проекта МНТЦ №2142.
Работы соискателя были отмечены: первой премией на конкурсе работ молодых ученых СО РАН (1999 г.), Золотой Медалью Российской Академии Наук, 2000 год, первой премией в конкурсе научных статей ИГМ СО РАН, 2006 год.
Подходы и результаты, изложенные в диссертации, были представлены в более чем 40 докладов на различных крупных международных и всероссийских совещаниях: на ежегодных Ассамблеях EGS, затем EGU, (Ницца, Вена) с 1994 по 2006 год, конференциях EUG в Страсбурге (1995, 1997), международном сейсмологическом конгрессе в Потсдаме (2004). Соискатель представлял результаты своих работ на семинарах в различных научных центрах: Университет Бандунг (Индонезия), 2006, Университет Киля (Германия) 2006, Университет Франкфурта на Майне, 2006, Технологический институт Дармштадта, 2006, ЕТН, Цюрих, Швейцария, 2004, Университет Копенгагена, 2003, Институт геофизики, Университет Рима, 2003, Сеульский Университет, 2001, Принстонский университет, 2001, Ecole Normale de Paris, (2000), Geoscience Azur Center, Sophia Antipolis, France (1997, 2000,2005), и многих других.
Фактический материал и основные выводы диссертации изложены в 21 публикациях в зарубежных и отечественных периодических изданиях, из которых 7 - в журналах по Перечню ВАК, а также в тезисах конференций (45), отчетах по проектам РФФИ, интеграционных проектов СО РАН и по проекту МНТЦ 2142.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 407 наименований. Полный объем диссертации составляет 473 страницы, включая 243 рисунка и 25 таблиц.
Структура диссертации строилась таким образом, чтобы максимально объективно предоставить алгоритмы и результаты, честно указывая на сильные и слабые стороны, чтобы читатель мог сам составить собственное мнение о достоверности полученных моделей. Для того чтобы оценить уровень исследований соискателя на фоне мировых достижений, в первой главе приведен подробный обзор различных глобальных, региональных и локальных моделей, а также алгоритмов томографической инверсии, существующих в мире. Во второй главе приведены подробные описания алгоритмов, созданных соискателем, имеющих отношение к теме диссертации. В третьей главе описаны результаты применения этих алгоритмов к реальным данным для изучения структуры коры и/или мантии в различных регионах. Структурирование этой главы производится по типу алгоритмов и регионам. Описание каждого раздела включает описание данных и результатов. Особое внимание в каждом случае уделяется проблеме верификации полученных результатов. Весьма подробные описания во второй и третьей главах направлены на то, чтобы убедить скептиков, главным образом из круга геофизиков, что томографические алгоритмы, действительно, способны предоставлять надежные модели, отражающие реальные структуры в Земле. Наконец, в четвертой главе на базе полученных сейсмических моделей дается геодинамическая интерпретация для различных регионов. В данной главе строятся новые и уточняются существующие геодинамические модели для различных по масштабу и природе объектов: зон коллизии, плюмов, субдукционных комплексов, вулканов.
Благодарности
Данная диссертация посвящается светлой памяти Сергея Анатольевича Тычкова, в лаборатории которого была получена большая часть представленных результатов. Без его дружеской и бескорыстной поддержки данная работа была бы невозможна.
Автор выражает особую благодарность академику Н.Л.Добрецову за благоприятные условия в Институте геологии СО РАН и постоянную поддержку проводимых соискателем исследований. Плодотворные беседы с ним позволили более глубоко понять суть геодинамических процессов, затрагиваемых в работе, а также выстроить общую структуру диссертации. Автор выражает благодарность заведующему лабораторией, в которой были завершены последние шаги по подготовке диссертации, члену корреспонденту РАН В.А.Верниковскому, за помощь в выработке общей концепции работы, а также за всестороннюю поддержку при решении технических проблем.
Автор благодарен коллегам из группы, в которой он работал в течение многих лет, А.Н.Василевскому, Н.А.Бушенковой, А.К.Кинеловской, В.В.Червову и А.Яковлеву, за большую помощь в выполнении работ по диссертации.
Значительная часть данной работы была выполнена в GeoForschungsZentrum в Потсдаме (Германия). Автор выражает свою глубокую благодарность С.В.Соболеву, А.Петрунину, А.Бабейко, А.Попову за активное обсуждение результатов с точки зрения геодинамического моделирования, а также за постоянную дружескую поддержку в течение пребывания в Германии. Результаты, полученные в работе, бьши бы невозможны без активного участия М.Вебера, Р.Кинда, Б.Люра, Г.Аша и многих других коллег из GFZ.
Особая благодарность выражается семье за терпение и понимание в течение непростого периода написания диссертации.
Сейсмические модели Земли, полученные с помощью СТЕИ
Как уже было указано, в большинстве работ с использованием СТЕИ решение ищется в терминах отклонения искомых параметров (скоростей, коэффициента затухания) от некоторой референтной модели. Определение абсолютных значений в такой модели представляет собой отдельную задачу, которая по сложности не уступает трехмерной инверсии. В подавляющем большинстве случаев в качестве референтной модели выбирается одномерное распределение (горизонтально слоистое или сферически симметричное).
Не следует недооценивать сложность задачи определения одномерной модели, которая представляет собой существенно нелинейную задачу. Действительно, конфигурация лучей, по которым определяются абсолютные скорости, сильно зависят от этих скоростей. К тому же, вариации градиентов скорости с глубиной и наличие границ со скачком скорости могут приводить к образованию каустик и теней, которые довольно сложно промоделировать. Кроме того, существующая неоднозначность между неизвестными параметрами источников (координат и времени) и скоростной модели приводит к тому, что различные скоростные модели могут обеспечивать примерно одинаковое объяснение наблюдаемых данных.
Обзор по основным достижениям в области определения скоростного распределения в Земле следует начать с модели Джеффриса-Буллена (Jeffreys, Bullen, 1940). Полученная в тридцатые годы, эта модель является, пожалуй, одним из самых великих достижений в исследовании строения Земных недр. Она явилась своего рода каркасом, на который в последствии накладывались все новые модели одномерные и трехмерные. Очевидно, для получения этой модели, не обладая никакой точкой опоры, авторам пришлось проявить незаурядные творческие качества и интуицию. Даже спустя почти 70 лет можно констатировать, что в основном, эта модель ложится в современные представления о структуре земных недр.
Среди более современных сферически симметричных моделей Земли можно выделить модели РЕМ и PREM, выполненные с участием А.Дзевонского (Dziewonski et al., 1975, Dziewonski, Anderson, 1981). При получении этих моделей была использована не только информация об объемных волнах, но также и поверхностные волны Лява и Рэллея. Так, из понижения фазовых скоростей на дисперсионньк кривых на периодах более 100 секунд был сделан вывод о наличие на глубине 100-150 км слоя пониженных скоростей, который с помощью объемных волн выделить не удавалось. Модели РЕМ представлены в виде трех различных модификаций для различных типов литосферы, различающиеся друг от друга в верхних 200 км: РЕМ-С - континентальная, РЕМ-0 - океаническая и РЕМ-А -переходная. Помимо значений сейсмических скоростей, модели РЕМ и PREM предоставляют распределения множества других параметров: модулей упругости, давления, плотности, ускорения силы тяжести и пр. Все параметры в этих моделях записаны в параметрическом виде внутри отдельных слоев с использованием полиномов от нулевого до третьего порядка. Это позволяет быстрый ввод этой модели в компьютер и эффективное ее использование при расчетах.
Помимо указанных, существует ряд одномерных моделей, которые принципиально не отличаются друг от друга: IASP91, (Kennett, Engdahl, 1991), модель А.Морелли (Morelli, Dziewonski, 1993), АК135 (Kennett et al., 1995). Последняя модель наиболее часто в настоящий момент используется в глобальных и региональных томографических исследованиях. Эта модель была также использована для получения улучшения локализации землетрясений из мирового каталога данных ISC (Engdahl et al., 1998). Этот каталог использовался в последствии для построения различных глобальных и региональных томографических моделей.
В этом разделе необходимо также упомянуть проблему построения референтной модели в локальной томографии. Во многих работах по локальной томографии для определения оптимальной одномерной модели используется алгоритм VELEST, созданный Эди Кисслингом (Kissling et al., 1994). Он основан на минимизации невязок между наблюдаемыми и модельными временами при одновременной локализации источников. Практическая его реализация осуществляется путем итеративного перебора различных моделей. Оптимизация скоростей производится внутри тонких слоев путем применения линеаризованного подхода инверсии. Следует, однако, отметить, что данная задача является чрезвычайно неустойчивой: сильные вариации скоростей в отдельных слоях Раздел 1 приводят к малым изменениям вариации невязок. Поэтому мы относимся достаточно скептически к тонкослоистым одномерным моделям, полученных с помощью этого алгоритма, приводимых во множестве работ по томографии. В некоторых случаях, таких, как при реализации эксперимента в Центральных Андах (Раздел 3.2.2), данная программа дает абсолютно нереалистичные значения скоростей.
В качестве альтернативного подхода предлагается задавать одномерные и трехмерные референтные модели коры и верхней мантии на базе имеющихся петрофизических соотношений (напр. Sobolev et al., 1996), а также другой априорной информации (например, результатов глубинного сейсмического зондирования). В этом случае в результате инверсии получаются разумные значения абсолютных скоростей, по которым можно сделать количественные выводы о температуре, составе и других важных петрофизических параметрах. В настоящей диссертации такой подход исследуется в приложениях к локальным и телесейсмическим алгоритмам томографии.
Глобальные исследования по выявлению мантийных неоднородностей впервые приобретают количественный характер в 1973 году в работе (Julian, Sengupa, 1973), в которой даны оценки значений нижнемантийных сейсмических неоднородностей на основе анализа времен пробега по мировой сейсмологической сети. В этой работе был показан регулярный характер распределения временных невязок по земному шару, что доказывает, что нижняя мантия содержит крупные неоднородности. Количественное описание этих аномалий приведено в (Sengupa, Toksoz, 1976).
Параллельно с этими работами разрабатывается алгоритм, основанный на использовании поверхностных волн. Наряду с упоминавшимися уже работами Бабич (1961), Бабич и др. (1976), следует упомянуть работы Woodhouse (1974), который успешно разработал технику для практической реализации алгоритма томографии на поверхностных волнах, реализованный им впоследствии в работах, упомянутых ниже.
Описание основных шагов алгоритма
Одна из ключевых проблем данного шага заключается в разработке быстрого и устойчивого алгоритма построения лучей. Были разработаны два альтернативных алгоритма лучевого трассирования, основанных на методе пристрелки (shooting method) и методе изгиба (bending method). В рамках комплекса LOTOS-06 используется трассирование методом изгиба, как обеспечивающее более устойчивое решение, что представляется особенно важным при создании отчуждаемого программного продукта, каковым является комплекс LOTOS-06. Вместе с тем, метод пристрелки был реализован в рамках нелинейного алгоритма LOCOMOTIVE, который использовался для оценки состава и температуры, описанный в Разделе 2.2. Там же и приводится его подробное описание.
Принцип работы метода изгиба трассирования лучей (bending method).
Метод изгиба основывается на принципе Ферма, заключающегося в том, что сейсмический луч следует вдоль траектории, соединяющей точки приемника и источника, и которая обеспечивает минимум времени пробега (в общем случае, локальный экстремум). Таким образом, задача сводится к поиску траектории с Раздел 2.1 минимальным временем из всех возможных кривых, соединяющих точки приемника и источника. При этом время вычисляется следующим образом: T=\\IV{S)ds [2.1.1] где у - траектория луча, V - скорость в точке на луче.
Принцип работы метода изгиба в программе LOTOS-06. Синие точки показывают узлы, где кривая зафиксирована, красные - точки максимального смещения при «эластичной» деформации.
В алгоритме WTOS-06 эта задача решается согласно принципу, проиллюстрированному на Рисунке 2.1.3. Рассмотрим луч между парой источник-приемник (S-R, соответственно). Вначале луч аппроксимируется прямой линией (б одной из версии алгоритма начальная аппроксимация задается в виде луча в одномерной модели, наиболее близкой к заданной скоростной модели). Начальная траектория показана тонкой линией на Рисунке 2.1.3. После этого эта траектория начинается изгибаться "эластичным" образом в двух ортогональных направлениях, перпендикулярных лучу в центральной точке (точка 1 па рисунке А). "Эластичность" обеспечивается тем, что в этой кривой фиксируются две точки (R и S), а смещение точек между ними подчиняется кубической зависимости с максимальным значением в точке 1. Исследуя все возможные смещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях находятся значения, при которых время пробега согласно формуле 2.1.1 минимально. После того, как такая кривая найдена, на следующем шаге мы фиксируем три точки, как показано на рисунке Б и Раздел 2.1 деформируем два участка до достижения минимального времени. Далее - на трех участках, как на рисунке В, и так далее. Размер минимального отрезка определяется исходя из частоты сигнала (мы выбираем его равным одной длине волны).
Алгоритм поиска целевой функции (ЦФ) в трехмерном пространстве.
На данном шаге ЦФ имеет точно такую же форму, как и в случае локализации источников в одномерной модели, описанной выше (Шаг 0). Вместе с тем, реализация поиска экстремума ЦФ путем перебора узлов в трехмерной сетке представляется чрезвычайно ресурсозатратной в случае, если каждое время пробега необходимо определять путем трехмерного трассирования. Поэтому на данном этапе применяется метод градиентного спуска, который предполагает, что смещение источника при локализации не слишком большое. Направление максимального уменьшения целевой функции определяется путем решения системы линейных уравнений для четырех неизвестных параметров источника: dx, dy, dz, dt. Pixdx + Piydy + P,zdz + dt=dti i = L..Mgood f2121 Где Р ,Р?,P - направления /-го луча (вектор медленности) в точке источника, Ь/Р00 - количество «хороших» лучей, невязки по которым не превышают верхнее пороговое значение. {Следует отметить, что в действительности решение данной системы не в полной мере отражает изменение целевой функции, чье представление несколько более сложное, чем простая минимизация невязок. Вместе с тем, среднеквадратичное уменьшение невязок в результате дайной оптимизации, как правило, приводит к возрастанию целевой функции). Согласно полученным поправкам производится смещение гипоцентра источника и вычисляется новое значение ЦФ. Если оно хуже, чем в предудущем случае, то возвращаемся назад на пол-шага и производим новый расчет. Процедура останавливается, когда длина шага становится меньше некоторого предопределенного значения (напр. 0.5 км).
В рамках программы LOTOS-06 параметризация осуществляется посредством поиска скоростных аномалий в узлах трехмерной сетки, Раздел 2.1 распределенных внутри изучаемого объема в соответствии с плотностью лучей. В целом, основные принципы параметризации тс же самые, что и в случае региональной томографии (Разделы 2.4 и 2.5). Вместе с тем есть некоторые особенности. Пример построения сетки для района Коста-Рики в рамках алгоритма LOTOS-06 показан на Рисунке 2.1.4.
Пример построения узлов параметризациейной сетки в соответствии с плотностью лучей для района Коста-Рики. Показаны горизонтальные (левый столбец) и вертикальные сечения (правый столбец) для Р и S моделей (верх и низ, соответственно). Цвета на рисунке отражают нормализованную величину суммарном длины лучей в блоке 10x10x10 км, І в шкале соответствует среднему значению плотности лучей. Желтый цвет показывает области, гле плотность лучей выше Среднего. Положение профи.и! дли вер шкального сечения нокашно на горизонтальных сечениях. Крупные точки на вертикальном сечении показывают проекции гипоцентр" 1 землетрясений. Синие треугольники п
В данном алгоритме узлы располагаются на вертикальных линиях. В горизонтальной проекции зги линии расположены равномерно с постоянным шагом. Распределение узлов на вертикальных линиях производится в соответствии с плотностью лучей. Чтобы избежать избыточной плотности точек в областях с аномально высокой плотностью лучей, фиксируется минимальное расстояние между узлами (как правило, оно имеет близкое значение, что и горизонтальное расстояние между линиями, чтобы сетка образовывала более или менее изометричные блоки). Распределение скорости между узлами аппроксимируется линейным образом путем разбиения изучаемого объема на блоки-тетраэдры. Чтобы уменьшить эффект влияния базовой ориентации сетки, инверсия производится для нескольких различно ориентированных сеток (например, с углами 0, 22, 45, 67 градусов). Конечная модель получается путем суммирования результатов инверсии во всех этих случаях. Это, а также тот факт, что расстояние между узлами выбирается так, чтобы оно было существенно меньше, чем размер ожидаемых аномалий, приводит к тому, что результат практически не зависит от параметров сеток. При этом разрешение модели определяется не расстоянием между узлами, а параметрами сглаживания и регуляризации при инверсии матриц.
Центральная Ява, пассивные данные
Соискатель принял активное участие в получении и обработке уникального набора данных, полученного в рамках проекта MERAMEX, направленного на изучение глубинного строения коры и верхов мантии под центральной Явой, Индонезия. А.) Описание данных В рамках проекта MERAMEX, инициированного немецким институтом GeoForschungsZentmm, Potsdam, была установлена временная сейсмологическая сеть, которая функционировала в течение 150 дней с мая по октябрь 2004 года. Данная сеть покрывала территорию центральной Явы размером 150x200 км. Всего сеть состояла из 134 непрерывно регистрирующих станций, которые включали в себя 106 короткопериодных сейсмометров, 14 широкополосные станции, а также 8 подводных гидрофонов и 6 донных сейсмостанций (Рисунок 3.1.1).
Короткопериодные станции были оборудованы трехкомпонентными сейсмометрами типа Mark L43D или Guralp CMG40T, которые регистрировали сигнал с частотой дискретизации 100 Гц. Широкополосные станции базировались на сейсмометрах типа CMG3T and CMG3ESP. Часы на станциях регулярно сверялись с международным единым временем с помощью автоматизированной системой GPS. Среднее расстояние между станциями для расстановки на суше составляет 20 км. Две дополнительные станции были установлены на двух маленьких островах, принадлежащих группе Каримунава примерно над расположением кластера глубоких источников на глубине 600 км. Донные станции функционировали в течение 18 недель. Расстояние между ними составляло 40-90 км. В результате эксперимента было зарегистрировано более 500 Гбайт сейсмологических данных.
Пример сейсмических сигналов от относительно слабого события, зарегистрированных некоторыми станциями. Событие, помечено красной звездоцквЯ, расположено на глубине 284 км под центральной Явой, Станции, регистрации с которых показаны на рисунке, обозначены красными буквами. Данный рисунок показывает зону повышенного затухания сейсмического сигнала в центре изучаемой области непосредственно к северу от вулканической дуги.
Пример реальных сейсмограмм от относительно слабого события, расположенного на глубине 284 км под центральной частью острова, покачан на Рисунке 3.1.2. На этом примере ясно видна разница между качеством регистрации на различных станциях. Можно видеть, что хотя источник и расположен под центральной частью острова, наиболее четкие записи наблюдаются на станциях, расположенных в южных и северных частях Явы. Непосредственно над источником затухание сигнала самое сильное. Такое предварительное рассмотрение сейсмограмм на качественном уровне показывает, что под центральной Явой имеет место некоторая явно выраженная аномальная зона, что будет в последствии подтверждено результатами томографической инверсии.
В данном исследовании была использована информация от 292 наиболее ярких локальных событий, которые были зарегистрированы по ходу функционирования сети. В общей сложности были вручную определены 13800 времен пробега от этих событий (8000 Р-фаз и 5800 S-фаз). (Здесь следует выразить особую благодарность /, . I Пенку ноной из ГС. СО РАИ, которая проделала большую часть этой работы). Расположение локализованных событий после пяти шагов итеративной томографической инверсии показано на вертикальных и горизонтальных сечениях на Рисунке 3.1.3.
Можно видеть, что на вертикальном сечении события выстраиваются вдоль линии, которая протягивается вдоль зоны Беньоффа. Толщина пояса землетрясений оценивается как 30-40 км. Они маркируют верхнюю границу погружающегося слэба, которая имеет изменяющийся угол погружения. На протяжении 150 км на север от желоба или га продвигается практически горизонтально. Между 250 и 450 км вдоль профиля А-В угол погружения становится около 45 градусов. К настоящему моменту информация о глубоких событиях (600 км) в обработанных данных отсутствует. Однако, если мы возьмем положения таких гипоцентров из ISC каталога, можно оцепить датънейшую форму слэба. Так можно видеть, что на интервале глубин от 250 до 600 км слэб погружается под гораздо большим углом - примерно 70 градусов.
В интервале глубин от 40 до 130 км часть землетрясений выстраивается вдоль второй линии, которая следует вдоль границы слэба, постепенно приближаясь к ней на больших глубинах. Характерное расстояние между этими поясами сейсмичности составляет 20-30 км. Аналогичные двойные сейсмические зоны наблюдаются и в других зонах субдукции (напр., в Японии [Okada and Hasegawa, 2000; Nakajima et al, 2001], Новой Зеландии [Okaya et al, 2002] и др.). Предполагается, что двойная сейсмическая зона связана с фазовым переходом голубых сланцев в эклогит [Peacock, 1993, 2001, Gill, 1981]. В этом смысле, двойная сейсмическая зона показывает изотерму внутри погружающегося слэба.
Проявления кайнозойского вулканизма
Общая стратегия синтетического тестирования Хотя основные аномалии в данной работе и кажутся достаточно ясными, необходимо дополнительно исследовать следующие вопросы:
1. Можем ли мы определить реалистичное значение амплитуды аномалий? Вследствие неоднозначности при определении сглаживающих и регуляризационных параметров инверсия реальных данных автоматически не дает надежных значений амплитуды аномалий. Вместе с тем, специальные синтетические тесты позволят внести определенность в этот вопрос.
2. Может ли сильная аномалия МЛА, которую мы наблюдаем во всей коре быть результатом вертикального размазывания слоя в самой верхней части (осадки и слабоконсолидированные вулканические отложения)?
3. Может ли аномалия, которую мы наблюдаем в мантийном клине, быть обусловлена "размазыванием" аномалий в коре.
Эти и другие важные вопросы исследуются в этом разделе.
Наш алгоритм позволяет задавать различные синтетические модели, которые определяются как периодически повторяемые чередующиеся аномалии (шахматная доска) или формами, произвольно нарисованными в горизонтальной или вертикальной плоскости. Времена пробега для синтетического теста вычисляются путем трехмерного трассирования лучей через трехмерные аномалии, используя метод изгиба. При этом конфигурация источников и приемников остается точно такой же, как и в случае инверсии реальных данных. К вычисленным временам добавляется случайный шум, величина которого определяется таким образом, чтобы сокращение невязок после инверсии было таким же, как и в случае инверсии реальных данных. Эти времена являются входными данными для полной процедуры инверсии, включающей шаг предварительной локализации источников, который используется для инверсии реальных данных. Все свободные параметры остаются такими же, что и в реальном случае.
Чтобы оценить разрешающую способность в различных частях изучаемого объема, обеспечиваемую имеющейся системой наблюдения, производится тест "Шахматная доска". Исходная синтетическая модель определяется во всей области как периодические аномалии размером 30 км, остающиеся неизменными по глубине. Амплитуда скоростного контраста для Р и S модели составляет ±7%. В этом тесте добавляется случайный шум с дисперсией 0.2 и 0.5 для Р и S данных, соответственно. скоростные аномалии, %
Рисунок 3.1.12. Результаты ннссташшлеиии rt cra "Шахматная лоска" с использованием реальной системы наблюдения. Исходная конфигурация аномалий (±7% амплитуды) покачана на первой карте. Дисперсия случайного шума в данных составляет 0.2 и 0к 5 секунд для Р и S данных, соответственно. Прош . ра шкхіанои.илшн осуществлялась абсолютно тем же образом, что и в случае реальных данных.
Результаты реконструкции Р и S моделей для полной томографической инверсии, состоящей из пяти шагов, показаны на Рисунке 3.1.12. Можно видеть, что наилучшее разрешение в коре достигается на суше, где установлено большинство станций. Для морской части геометрия лучей не обеспечивает достаточного разрешения для восстановления аномалий меньше 30 км. Этот тест не подтверждает достоверность крупной низкоскоростной аномалии, наблюдаемой на юго-западной окраине изучаемой области.
В верхах мантии удовлетворительное разрешение достигается только в центральной части изучаемой области пол южным побережьем о. Явы.
Аналогичная стратегия, которая была применена в данном разделе, использовалась для моделирования реальных ситуаций. Ниже приводится несколько примеров такого моделирования.
Эффект поверхностной аномалии velocity anomalies, % Рисунок 3.1.13. Синтетический тест для оценки эффекта, оказываемого приповерхостной аномалией на скоростное распределение в коре. Исходная аномалия с амплитудой 50% задана в интервале глубин от 0 до 5 км. Добавлен шум с дисперсией 0.1 с. Результат восстановления показывет некоторое «размазывание» аномалии вниз, однако его не достаточно, для того, чтобы объяснить наблюдаемую р і.іі.иукі с і рук і уру аномалий.
