Введение к работе
Актуальность морских сейсмических и сейсмологических работ связана со все более интенсивным проникновением человека в океан. В настоящее время наметился новый подъем донной сейсмологии. Он обусловлен планами по созданию сети постоянных пунктов сейсмологических наблюдений на дне океанов, в связи с тем, что сейсмичность Земли не может быть правильно оценена лишь на основе континентальных наблюдений. Такие пункты будут оборудованы постоянно действующими сейсмостанциями с характеристиками аналогичными тем, которые применяются на суше. Осуществляются планы по применению вышедших из употребления трансокеанских телефонных кабелей для .передачи донной сейсмологической информации. Все эти проекты нуждаются в предварительной информации об условиях донной сейсмологической регистрации: природе и свойствах донных сейсмических шумов (ДСШ).
В настоящее время построение региональных тектонических моделей океанского дна во многом основывается на данных сейсмических и сейсмологических экспериментов. Метод морского глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) в последнее время переживает подъем, благодаря применению его в комбинации с методами сейсмического профилирования. В связи с этим существенно повысилась эффективность сейсмоэкспериментов, и были получены новые модели сейсмического строения литосферы на профилях во многих районах Земли. Эффективное использование новых мощных пневмоисточников (ПИ) является единственно возможным способом
преодоления трудностей, связанных с экологическими запретами на проведение традиционных химических взрывов. Применение донных сейсмографов и пневмоисточников часто позволяет получать более качественные сейсмические результаты по сравнению с экспериментами, использующими сухопутное оборудование.
Целью работы явилось решение крупной научной проблемы повышения эффективности донных сейсмологических наблюдений. Для этого в диссетрации исследовались природа и основные характеристики сигналов, регистрируемых при морских сейсмических и сейсмологических экспериментах, проводимых с применением донных сейсмографов. Задачей работы являлось также последующее применение полученных данных для повышения эффективности изучения литосферы Земли во время морских работ методом ГСЗ и при изучении сейсмичности океанского дна.
Научная новизна. В настоящей диссертации впервые получены данные об основных характеристиках сейсмических шумов на дне в более, чем шестидесяти различных точках Мирового океана.
Предложен способ и выполнено приведение ранее опубликованных спектров к единому представлению, что позволило провести сопоставление всех имеющихся данных о сейсмических шумах на дне океана- Впервые получена и сопоставлена с последующими результатами обобщенная спектральная модель (максимальный, минимальный и статистически-средний спектры мощности) для сейсмических шумов на дне.
Выделено и исследовано влияние на уровень и спектральный состав донного шума таких факторов, как сезон измерений, глубина океана, геологические параметры дна, гидрометеорологические условия в океане.
В работе приводятся новые данные, касающиеся деталей процесса генерации низкочастотных донных сейсмических помех - штормовых микросейсм. Выведена и экспериментально проверена формула, позволяющая оценивать соотношение между первичными и вторичными микросейсмами при излучении их в прибрежной зоне, а также уточнять местоположение зон их генерации.
В результате анализа записей землетрясений получены новые, данные о сейсмической обстановке в центральной части Индийского океана. Построены обобщенные спектры записей сейсмических волн от землетрясений в северо-западной части Тихого океана. Для этого же района оценена добротность литосферы.
Проанализирована природа микротолчков на записях ДС, предложен и обоснован способ in situ оценки каплинг-характаристики ДС
В результате сейсмического эксперимента на профиле ГСЗ в Балтийском море достигнуты рекордные дальности регистрации, и впервые на Балтике получены отражения сигналов ПИ от сейсмических
границ, залегающих на глубинах 45 и 60 км. Двумерное сейсмическое моделирование позволило выявить ранее неизвестные особенности строения границы Мохоровичича (Mj) под Балтийским морем. Впервые в регионе зарегистрированы отражения пневмоизлучений от мантийной границы (М2), позволившие выявить новые важные черты строения литосферы под Балтикой: наличие неизвестной ранее тектонической зоны под центральной частью Балтийского моря.
Получены наивысшие дальности выделения сигналов ПИ при экспериментах по сейсмическому накоплению. Впервые, благодаря накоплению, откорректи-рован сейсмический разрез.
Научная обоснованность и достоверность. Достоверность положений и выводов работы подтверждается сравнением полученных результатов с материалами наблюдений и исследований, выполненных другими авторами и другими методами. Некоторые результаты нашли подтверждение в более поздних исследованиях. Достоверность численных оценок обеспечивается их сопоставлением с результатами анализа экспериментальных данных.
Практическая ценность. Изучение донных шумов - необходимый этап в развитии сейсмических и сейсмологических исследований в морях и океанах. При помощи получешшх в настоящей работе данных можно более точно оценивать ожидаемый уровень шума в различных районах Мирового океана. Это позволяет выбирать оптимальные параметры аппаратуры регистрации, увеличивая ее эффективную чувствительность, а также оптимизировать параметры источников сейсмических волн, что, в конечном счете, даст возможность рационально планировать сейсмические и сейсмологические эксперименты в океане.
Полученные в работе сейсмические модели позволят уточнить тектоническую историю исследуемых районов, что даст возможность более точно предсказывать наличие там полезных ископаемых.
Применение мощного одиночного пневмоисточника на профиле ГСЗ в Балтийском море позволило отказаться от экологически небезопасных взрывов и дало возможность провести глубинное зондирование литосферы без использования дорогостоящих специальных сейсморазведочных судов, сократив расходы в дестки раз.
Использование результатов экспериментов по накоплению сейсмических сигналов способно значительно повысить дальность регистрации при ГСЗ и тем самым повысить эффективность исследований тектонического строения изучаемых регионов.
Возможность выделения каплинг-искажений сигналов,
регистрируемых ДС, позволяет точнее определять спектральные параметры этих сигналов и, следовательно, более точно анализировать свойства среды распространения, видоизменяющей их начальные спектры.
Знание природы и параметров микротолчков на записях ДС дает возможность эффективнее бороться с ними, уменьшая число ложных срабатываний у ДС триггерного типа.
Основные поло кения, выносимые на защиту, состоят в следующем:
-
Адекватность полученных обобщенных и специфических характеристик донных сейсмических шумов.
-
Эффективность предложенных методик по увеличению возможностей донных сейсмонаблюдений.
3. Приоритетность и научная значимость результатов, полученных
при применении нгкопленного методического опыта.
Основные результаты диссертации:
-
Исследованы спектральные характеристики и условия происхождения фоновых колебаний дна при морских сейсмологических наблюднениях. Получена обобщенная спектральная модель донного сейсмического іщма Мирового океана, являющаяся эффективным прогностическим и опорным уровнем при анализе результатов донных сейсмологических наблюдений.
-
Проведено исследование каплинг-характеристик донных сейсмографов. Предложена обоснована и опробована новая методика in situ оценки частотной характеристики перехода дно-прибор, позволяющая устранять спектральные искажения сигналов, регистрируемых при донных сейсмологических наблюдениях.
3. Исследованы процессы энергопереноса при генерации штормовых
микросеисм. Теоретически обоснована и практически опробована
экспериментальная методика выявления зон генерации штормовых
микросеисм по соотношению энергий первичных и вторичных
микросеисм с периодами морских волн.
-
Выдвинута и обоснована гипотеза о возможности активизации сейсмогенных разломов штормовыми микросеймами за счет усталостного разрушения. Показано, что эффективность усталостного воздействия у микросеисм выше, чем у приливов или атмосферных флуктуации.
-
Исследованы и проанализированы основные характеристики и условия распространения сигналов от донных землетрясений при морских сейсмологических наблюдениях в северо-западной части Тихого океана. Получены обобщенные и специфические спектральные характеристики сейсмических волн от землетрясений, а также новые данные о добротности литосферы региона.
6. Усовершенствована и развита методика сейсмического
накопления. При применении накопления получены рекордные
дальности выделения сигналов от пневмоисточника.
7. На основании накопленного методического опыта по повышению
эффективности донных сейсмологических наблюдений получены
оригинальные фактические результаты по сейсмичности центральной
части Индийского океана и строению литосферы под Балтийским
морем. В Индийском океане выявлена неизвестная ранее зона сейсмичности, а на Балтике получена лучшая в мире дальность регистрации сигналов пневмоисточішка и впервые в регионе зарегистрированы отражения пневмоизлучений от сейсмических границ, залегающих на глубинах 45 и 60 км, позволившие выявить новые важные черты строения литосферы: наличие неизвестной ранее тектонической зоны под центральной частью Балтийского моря.
Личный вклад автора. Автор участвовал в экспериментальных исследованиях, проводившихся во время 21-го рейсі НИС "Дмитрий Менделеев" (северо-запад Тихого океана), 32-го рейса НИС "Академик Курчатов" (Индийский океан), 31-го рейса НИС "Дмитрий Менделеев" (Атлантический и Индийский океаны), 15-го рейса НИС "Профессор Штокман" (Баренцево море), 42-го рейса НИС "Дмитрий Менделеев" (северо-запад Тихого океана), а также возглавлял 23-й рейс НИС "Профессор Штокман" (Балтийское море) и одну и:і экспедиций ИО РАН на Каспийском море.
Статистическая обработка записей догашх шумоз была проведена автором как по материалам некоторых из этих экспедиций, так и с использованием данных, полученных в других экспедициях ИО РАН, включавших в себя работы с применением донных сейсмографов.
Вся обработка и интерпретация записей ДС, на которых основаны результаты этой работы, проводилась непосредственно автором диссертации.
Материалы диссертации доложены на мноп-х российских и международных конференциях. В том числе: в 1980 г. - на ГУ Всесоюзной школе по морской геологии в Геленджике; в 1986 г. на III Всесоюзной конференции молодых ученых в Суздале; в 1987 г на XIX Генеральной Ассамблее Международного Союза Геодезии и Геофизики в Ванкувере (Канада) и на 1-й Всесоюзной конференции по морской геофизике в Мардакьяны (Азербайджан); в 1989 г. ш 26-ом Ежегодном Собрании Американского Общества Инженерных Наук в Энн Арборе (США) и (в 1989 г.) на XXV Генеральной Ассамблее Международной Ассоциации Сейсмологам и Физики Недр Земли в Стамбуле (Турция); в 1990 г. на XV Генеральной Ассамблее Европейскою Геофизического Союза в Копенгагене (Дания) и на 12-ом Международном симпозиуме по нелинейной акустике в Остине (США), а также в 1990 г. на XXII Генеральной Ассамблее Европейской Сейсмологической Комисии в Барселоне (Испания); в 1991 г. на XVI Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза в Вейсбадене (Германия) и на XX Генеральной Ассамблее Международного Союза Геодезии и Геофизики в Вене (Австрия); в 1993 г. на XVIII Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза в Вейсбадене 'Германия); в 1994 г. на XXVII Генеральной Лес .мблее Международной Ассоциации Сейсмологии и Физики Недр Земли в Веллингтоне (Новая Зеландия) и на XXIV Генеральной Ассамблее Европейской Сейсмологической
Комисии в Афинах (Греция); в 1995 г. на XX Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза в Гамбурге (Германия).
Результаты работы докладывались на семинарах Лаборатории сейсмических исследований земной коры и верхней мантии по океанами ИО РАН в 1977-1993 гг., на семинаре Лаборатории глубинных сейсмических исследований ОИФЗ РАН (1993 г.), а так же на семинарах Института Сейсмологии Университета Хельсинки (1987, 1989, 1991, 1994 гг.), Института Геофизики Университета Техаса (1990 г.), Института Геофизики Университета Гамбурга (1992 г.) и Центра Морских Геоисследований в г. Киль (1993 г.).
По теме диссертации опубликована 61 работа. 58 из 61 публикации написаны полностью автором. В работах, частично написанных автором [Левченко и Островский, 1982; Levchenko and Ostrovsky, 1992], его вклад не ниже 50%, в работе [Непрочное и др., 1986] - не ниже 20%.
Диссертация состоит из' Введения, 9 глав, объединенных тремя разделами, и Заключения. Общий объем - 409 страниц, включая 7 таблиц и 139 иллюстраций. Список литературы содержит 336 наименований.