Особенности строения верхней мантии западной части Восточно-Европейской платформы и центральной части Западной Европы по данным о скоростях поверхностных волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Фарафонова, Юлия Германовна

• Фарафонова, Юлия Германовна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фарафонова, Юлия Германовна

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Геолого-геофизические сведения о строении Европейского континента

1.2. Методы построения кривых групповых и фазовых скоростей по данным поверхностных волн

1.2.1. Определение фазовых скоростей по фазовым спектрам сейсмограмм

1.2.2. Фазовое выравнивание

1.3. Общая постановка одномерной обратной задачи сейсмологии о восстановлении скоростного разреза по дисперсионной кривой поверхностной волны

1.4. Поверхностно-волновая томография 26 Выводы к главе

Глава 2. Исходные данные и методики их обработки

2.1 Регион исследований и исходные данные. Западная часть Восточно-Европейской платформы и центральная часть Западной Европы

2.2 Построение дисперсионных кривых фазовой скорости поверхностных волн

2.3 Построение дисперсионных кривых групповой скорости поверхностных волн

2.4 Использование фазового выравнивания при построении дисперсионных кривых фазовой скорости поверхностной волны

2.5 Восстановление скоростных разрезов по дисперсионным кривым волн Лява и Релея

Выводы к главе

Глава 3. Результаты томографического восстановления трехмерной структуры западной части Восточно-Европейской платформы и центральной части Западной Европы

3.1 Поверхностно-волновая томография

3.2 Западная часть Восточно-Европейской платформы

3.3 Центральная часть Западной Европы

3.4 Обсуждение результатов

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности строения верхней мантии западной части Восточно-Европейской платформы и центральной части Западной Европы по данным о скоростях поверхностных волн»

Актуальность проблемы

Одной из важнейших нерешенных проблем геофизики остается проблема динамики верхней мантии. Именно движения в верхней мантии приводят к формированию и эволюции континентов, накоплению тектонических напряжений в земной коре, и как следствие - к возникновению землетрясений. Движения же мантии в значительной степени обуславливаются ее структурой - распределением латеральных неоднородностей упругих и реологических характеристик мантийного вещества, приводящих к тепловой и гравитационной конвекции. Это объясняет усилившийся в последние годы интерес к изучению строения верхней мантии как в глобальном масштабе, так и на региональных уровнях. Такие исследования проводятся в основном при использовании методов сейсмической томографии.

Однако, хотя региональные исследования верхней мантии проводятся уже довольно давно, отдельные регионы остаются малоизученными. К таким регионам, в частности, следует отнести области, характеризующиеся слабой сейсмичностью и находящиеся вдали от тектонических поясов. Наиболее ярким примером является западная часть Восточно-Европейской платформы (ВЕП), и что более важно, - область перехода от зоны Альпийской складчатости в Западной Европе к стабильной Восточно-Европейской платформе, строение верхней мантии которых детально практически не изучалось. Переходная зона, выделяющаяся на поверхности зоной Тессейра-Торквиста, является глубинным верхнемантийным разделом. По нему происходит резкое изменение свойств литосферы Европы -разогретая, менее плотная и соответственно более подвижная литосфера Западной Европы контактирует с холодной стабильной литосферой докембрийской ВЕП, характеризующейся повышенной в целом скоростью сейсмических волн и плотностью.

В настоящее время наиболее перспективным и экономичным сейсмическим методом исследования верхней мантии представляется томографическая реконструкция сейсмических скоростей по данным поверхностных волн, поскольку эти волны распространяются в верхней толще Земли и соответственно несут информацию об ее строении. Этот метод позволяет воссоздать целостную картину строения региона, необходимую для геодинамических построений.

Имеющиеся к настоящему времени данные о глубинном строении ВЕП весьма скудные. Практически известно только, что верхняя мантия ВЕП характеризуется более высокими скоростями сейсмических волн, чем область активизированной Западной Европы. Этот пробел в знаниях объясняется в первую очередь практическим отсутствием до последнего времени сейсмических станций современного типа (широкополосных, цифровых с широким динамическим диапазоном) на территории ВЕП. Для ликвидации этого пробела совместными усилиями Нидерландов (Утрехтский университет), России (МНТП РАН, Санкт-Петербургский Государственный Университет), Украины (Институт геофизики Украины) и Белоруссии (Центр геофизического мониторинга Национальной академии наук Белоруссии) в 1995 году была установлена сеть цифровых широкополосных станций с автономной регистрацией ЫАЯБ-ВЕЕР с целью накопления данных, достаточных для исследования верхней мантии этой территории при использовании записей поверхностных волн от удаленных землетрясений. Одновременно происходило обновление и усовершенствование и других сейсмических станций. Таким образом, к настоящему времени накопилось достаточно данных для проведения исследований структуры верхней мантии в данном регионе.

Имеющиеся к настоящему времени сведения о структуре верхней мантии Западной Европы несмотря на достаточно густую сеть станций, также недостаточны для построения полной картины происходящих в ней процессов. Только в отдельных зонах проводились структурные исследования, результаты которых интерпретируются с точки зрения распределения сейсмичности.

Все вышеизложенное говорит о том, что поставленная в работе задача -исследование структуры верней мантии в западной части Восточно-Европейской платформы и центральной части Западной Европы является актуальной.

Цель и задачи работы

Целью работы являлось получение новых сведений о строении верхней мантии по данным сейсмических поверхностных волн по обе стороны зоны Тессейра-Торквиста, поэтому в ходе исследования решались следующие задачи:

1. Построение дисперсионных кривых фазовой и (по возможности) групповой скорости волн Лява и Релея дифференциальным методом по записям пар станций, расположенных на одной дуге большого круга с эпицентром.

2. Построение осредненных вдоль трасс, расположенных на ВЕП и в Западной Европе, вертикальных скоростных разрезов поперечных волн по дисперсионным кривым фазовых скоростей волн Лява и Релея, полученных дифференциальным методом, выявление вертикальной анизотропии (различии скоростей SV и SH волн).

3. Построение трехмерного распределения скорости и анизотропии путем картирования скоростей на фиксированных глубинах методом двумерной сейсмической томографии; визуализация этого распределения путем построения двумерных вертикальных разрезов вдоль выбранных профилей.

4. Интерпретация полученных результатов с точки зрения геотектоники.

Исходный материал

В качестве исходных данных были использованы цифровые записи восьми сейсмических станций, расположенных в западной части ВЕП, три из которых: Санкт-Петербург (NE51), Псков (NE52) и Нарочь (NE53) принадлежат сети NARS-DEEP, станции Сувалки (SUW), Пулково (PUL) и Тарту (TRTE) - сети GEOFON, и Киев (KIEV) и Обнинск (OBN) - сети IRIS GSN, а также записи девяти сейсмических станций, расположенных в Западной Европе: WLF (Люксембург), DPC (Чехия), PSZ (Венгрия), BNI (Италия), GRFO, BFO и STU (Германия), ЕСН и SSB (Франция). Все станции сети NARS-DEEP оснащены трехкомпонентной широкополосной аппаратурой включающей в себя сейсмометры SL-210 и SL-220, устройство сбора и накопления сейсмических данных разработанное Утрехтским Университетом CSD-20. Остальные станции оснащены трехкомпонентный широкополосной аппаратурой включающей в себя сейсмометр STS-1 (OBN, BFO) или STS-2 (PSZ, STU, SUW, TRTE, WLF, PUL), устройство сбора и накопления сейсмических данных Quanterra (США).

Научная новизна

Построены дисперсионные кривые фазовой скорости вдоль коротких трасс станция-станция, пересекающие западную часть ВЕП и центральную часть Западной Европы, по которым восстановлены вертикальные скоростные разрезы, соответствующие средним значениям вдоль отдельных трасс. По полученным средним скоростям вдоль трасс на отдельных глубинах получены достаточно детальные карты распределения скоростей поперечных волн. На основании этих распределений сделаны выводы о латеральных неоднородностях строения верхней мантии в этих районах. Построены вертикальные разрезы вдоль профилей до глубины порядка 250 км, и выявлено различие скоростей SV и SH. Обнаружено высокоскоростное включение на территории ВЕП на глубине 150-250 км, которое скорее всего является древним мантийным плюмом. В верхней мантии Альпийской зоны Западной Европы выявлены области пониженной и повышенной скоростей на глубинах 100-150 км, и показано, что сейсмическая активность в коре коррелирует с повышенной скоростью в мантии.

Практическая значимость

1. Полученные дисперсионные кривые фазовой скорости волн Лява и Релея вдоль трасс станция-станция на территории ВЕП и Западной Европы могут быть включены в базу данных о фазовых скоростях для глобальных структурных исследований и для исследований строения Европейского континента.

2. Выявленные аномалии скоростей поперечных волн в верхней мантии западной части ВЕП и центральной части Западной Европы могут быть использованы при построении геодинамических концепций и при определении областей, характеризующихся повышенной сейсмической опасностью.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 4-й Международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург,

Петергоф, 2002), Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов «Геофизика-2001» (Новосибирск, 2001) и «Геофизика-2003» (Санкт-Петербург, Петергоф, 2003), Молодежной конференции Третьи Яншинские чтения «Современные вопросы геологии» (Москва, 2003) и итоговом семинаре по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 2001 года для молодых ученых Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2002). По теме работы опубликованы 2 статьи и 5 тезисов докладов.

Защищаемые положения

1. Инверсия в глубинные разрезы дисперсионных кривых фазовых скоростей на трассах между станциями с последующей томографической реконструкцией скоростей на фиксированных глубинах является эффективным методом изучения скоростного строения верхней мантии на территориях, обладающих даже не слишком густой сетью цифровых сейсмических станций.

2. Западная часть ВЕП характеризуется наличием высокоскоростного включения на глубинах 100-250 км в интервале широт 53-57°с.ш., а также высокими положительными значениями коэффициента анизотропии на глубинах до 100 км, близкими к нулю и даже малыми отрицательными значениями этого коэффициента на больших глубинах.

3. В верхней мантии Альпийской зоны Западной Европы наблюдаются области как пониженных, так и повышенных скоростей на глубинах 100-150 км,- и распределение сейсмической активности в коре коррелирует с повышенной скоростью в мантии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации - 109 страниц машинописного текста, и в том числе 39 рисунков и шесть приложений на 16 страницах. Список литературы включает 49 наименований на русском и английских языках.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Фарафонова, Юлия Германовна

Выводы к главе 3:

1. В результате исследования верхней мантии Европейского континента получено существенное различие значений скоростей поперечных волн по разные стороны от зоны Т-Т, что подтверждает различное строение. Для ВЕП характерны значительно более высокие скорости, чем для Западной Европы.

2. Главными структурными особенностями на территории ВЕП является наличие высокоскоростного включения на глубинах 100-250 км в интервале широт 5357° с.ш., а также высокое положительное значение коэффициента анизотропии на глубинах до 100 км, близкие к нулю и даже малые отрицательные значения этого коэффициента на больших глубинах. Обнаруженное высокоскоростное включение, скорее всего, является древним мантийным плюмом.

3. В верхней мантии Альпийской зоны Западной Европы наблюдаются области как пониженных, так и повышенных скоростей на глубинах 100-150 км, и распределение сейсмической активности в коре коррелирует с повышенной скоростью в мантии. Область высоких скоростей, обнаруженная в верхней мантии под Альпами, скорее всего, является холодной литосферной плитой с повышенной скоростью и плотностью, которая в результате коллизии Европейской и Африканской плиты оказалась погруженной и «законсервированной» в верхней мантии на глубинах до 200 км.

Заключение

В ходе работы исследовались глубинные особенности строения верхней мантии западной части ВЕП и центральной части Западной Европы по дисперсионным кривым фазовой и (по возможности) групповой скорости волн Лява и Релея. По дисперсионным кривым фазовых и групповых скоростей, измеренных дифференциальным методом на трассах между парами станций, расположенных на одной дуге большого круга с эпицентром, определялись скоростные одномерные разрезы по данным для каждой пары станций раздельно для волн Лява и Релея. По полученным скоростям поперечных волн на фиксированных глубинах, средним по каждой трассе, методом двухмерной томографии строились двухмерные распределения скоростей БН и БУ, что, в конечном счете, определило трехмерное распределение скоростей этих волн в исследуемых областях. Для визуализации результаты представлены в виде двумерных вертикальных разрезов средней скорости поперечных волн 8=(8У+8Н)/2 и коэффициента анизотропии а=(8Н-8У)/8 вдоль профилей, секущих исследуемые регионы.

Основные методические выводы работы состоят в следующем:

1. Применение метода фазового выравнивания для записей, где хорошо выделяется цуг поверхностной волны, позволяет уменьшить разброс получаемых значений фазовой скорости;

2. Для определения групповых скоростей на трассе между станциями наиболее эффективно использовать вначале дифференциальный метод, а затем полученные значения для отдельных периодов аппроксимировать полиномом с учетом среднеквадратичных ошибок для индивидуальных периодов.

3. Для определения трехмерной структуры среды по данным поверхностных волн, в случае малого числа трасс, следует использовать метод, отличающийся от традиционного метода двумерной томографии, порядком построения решения. Вначале для каждой трассы решается одномерная обратная задача о восстановлении вертикального скоростного разреза, а затем с помощью двухмерной томографии на каждой из фиксированных глубин определяется сглаженное двумерное распределение скорости, тогда как в случае традиционного подхода вначале определяются латеральные вариации скоростей вдоль различных трасс, а затем по полученным локальным дисперсионным кривым восстанавливают вертикальные скоростные разрезы.

В результате применения указанной методики к обработке записей поверхностных волн на группах станций в Восточной и Западной Европе и инверсии, измеренных скоростей в скоростные разрезы, были получены трехмерные распределения скоростей поперечных волн, которые позволили сделать следующие заключения о строении верхней мантии в западной части ВЕП и юго-западной части Альпийской зоны Западной Европы:

1. Главными структурными особенностями на территории ВЕП является наличие высокоскоростного включения на глубинах 100-250 км в интервале широт 5357° с.ш., а также высокое положительное значение коэффициента анизотропии на глубинах до 100 км, близкие к нулю и даже малые отрицательные значения этого коэффициента на больших глубинах. Обнаруженное высокоскоростное включение, скорее всего, является древним мантийным плюмом.

2. В верхней мантии Альпийской зоны Западной Европы наблюдаются области как пониженных, так и повышенных скоростей на глубинах 100-150 км, и распределение сейсмической активности в коре коррелирует с повышенной скоростью в мантии. Область высоких скоростей, обнаруженная в верхней мантии под Альпами, скорее всего, является холодной литосферной плитой с повышенной скоростью и плотностью, которая в результате коллизии Европейской и Африканской плиты оказалась погруженной и «законсервированной» в верхней мантии на глубинах до 200 км.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фарафонова, Юлия Германовна, 2003 год

1. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология // М., Мир, 1983. 880 стр.

2. Аплонов C.B. Геодинамика // СПб: Изд-во СПбГУ, 2001. 352 стр.

3. Артемьев М.Е., Кучериненко В.А., Кабан М.К. Плотностные неоднородности подкорового слоя северной Евразии // Докл. АН СССР, 1991. С. 616-619.

4. Гизе П., Павленкова Н.И. Структурные карты земной коры Европы // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли, 1988, №10. С.3-14.

5. Гарецкш Р.Г., Г.И. Каратаев, Ж.П. Хотъко и др. Глубинное строение и динамика земных недр территории Белоруссии // Минск, Навука i Тэхнжа, 1991.-317 стр.

6. Гейко B.C., Цветкова Т.А. и др. Региональная 3-D Р-скоростная структура мантии северо-западной Евразии I. Европа. 1. // Геофизический журнал, №3, Т.20,1998. С. 67-91.

7. Глазко В.Б., Саваренекий Е.Ф., Шечков Б.Н. Данные о фазовых и групповых скоростях поверхностных волн // Изв.АН СССР, сер. геофиз., №10, 1963. С. 1486-1493.

8. Дитмар П.Г., Яновская Т.Е. Обобщение метода Бэйкуса-Гильберта для оценки горизонтальных вариаций строения Земли // Изв.АН СССР, сер.Физика Земли, 1987, №6. С.30-40.

9. Егорова Т.П., Старостенко В.И. Строение переходной зоны от Западной Европы к Восточно-Европейской платформе по результатам гравитационного моделирования // Физика Земли, 1998, №6. С.19-36.

10. Егорова Т.П. Трехмерная плотностная модель литосферы Европы. I // Физика Земли, 2001, №5. С. 1-16.11 .Егорова Т.П. Трехмерная плотностная модель литосферы Европы. II // Физика Земли, 2001, №5. С. 17-29.

11. Ильченко Т.В., Степаненко В.М. Скоростная модель земной коры и верхов мантии Донбасса и ее геологическая интерпретация // Геофизический журнал, №2, Т.20, 1998. С. 95-105.

12. Кизима Е.С., Яновская Т.Б. и Антонова JJ.M. Строение коры Черноморского бассейна и прилегающих областей по данным поверхностных волн // Вопросы геофизики. Вып. 35. СПб., 1998. (Ученые записки СПбГУ; №433). С. 68-77.

13. Краснопевцева Г.В., Щукин Ю.К. Объемная глубинная модель земной коры Восточно-Европейской платформы по данным региональных сейсмических исследований//Региональная геология и металлогения, №10, 2000. С.73-84.

14. Островский A.A. Новый тектонический пояс на Балтийском щите // Физика Земли, 1998, №6. С. 3-18.18.0ровецкий Ю.П. Эндогенно-геодинамическая модель развития ВосточноЕвропейской платформы в докембрии. 1 // Геофизический журнал, т. 15, №6, 1993. С. 44-53.

15. Поверхностные сейсмические волны в горизонтально-неоднородной Земле, под ред. В.И.Кейлис-Борока, М.: Наука, 1986. -277 стр.

16. Рундквист Д.В., Гатинский Ю.Г. и др. Территория России в современной структуре Евразии: геодинамика и сейсмичность // Вычислительная сейсмология. Вып. 32. 2001. С.266-277.

17. Саваренский Е.Ф. Об определении групповой и фазовой скорости из наблюдений // Изв. АН СССР. Сер. Геофизическая. 1959. С. 1550-1559.

18. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики // М.: МГУ, 1995. -480 стр.

19. Яновская Т.Е. Проблемы сейсмической томографии // Проблемы геотомографии: Сб. научн. тр./ Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН М.: Наука, 1997. С. 86-98.

20. Яновская Т.Е. Оценка разрешения в задачах сейсмической лучевой томографии // Изв. РАН. Физика Земли. 1997.№9. С. 76-80.

21. Яновская Т.Е., Порохова JI.H. Обратные задачи геофизики. JL: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. -212с.

22. Aoudia A., Ismail-Zadeh А.Т., Panza G.F. Evidence for lithospheric delamination and buoyancy-driven deformations in the central Apennines // 7th Workshop non-linear dynamics and earthquake prediction, Miramare Trieste, 2003.

23. Babusha V., Plomerova J., Granet M. The deep lithosphere in the Alps: a model inferred from P residuals I I Tectonophysics. 1990. V. 176. P. 137-165.

24. Backus G., Gilbert F. The resolving power of gross Earth data // Geophys. J. Roy. Astron. Soc. Amer. 1968. Vol. 16. P. 169-205.

25. Bank C.-G., Bostok M.G., Ellis R.M., Cassidy J.F. A reconnaissance teleseismic study of the upper mantle and transition zone beneath the Archean Slave craton in NW Canada // Tectonophysics. 2000. V. 319. P. 151-166.

26. Cermak V. Regional distribution of heat flow in Europe: derived deep temperature and Moho heat flow patterns // Ermitting der Terperaturverteilung im Erdinnern. Bunterbarth G. Inst. f. Geophysik. 1984. TU Clausthal. Germany. P.4-7.

27. Dziewonski A., Anderson D. Preliminary reference Earth model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 25 (1981). P. 297-356.

28. Kissling E. Deep structure of the Alps what do we really know? // Phys. Earth Planet. Inter. 1993. V.79. P. 87-112.

29. Marquering H., Snieder R., Nolet G. Wave form inversion and significance of surface-wave mode coupling // Geophys.J.Int., 1996, V.124, P.258-278.

30. Marquering H., Snieder R. Shear-wave velocity structure beneath Europe, the northeastern Atlantic and western Asia from waveform inversions including surface-wave mode coupling // Geophys. J. Int. 1996. V.127, P.283-304.

31. Mueller St., Panza G.F. The lithosphere-asthenosphere system in Europe // Galson D.A. and Mueller St. (eds). 1st EGT Workshop, the Northern Segment. European Science Foundation, 1984, Strasbourg, France, P. 23-26.

32. Nolet G. Partitioned waveform inversion and the two-dimensional structure under the network of autonomously recording seismographs // J.Geophys.Res., 1990. V.95, P.8499-8512.

33. Paige C.C., Saunders M.A. ISQR: An algorithm foe sparse linear equations and sparse least squares // ACM Trans. Math. Softw. 1982. V.8. P.43-71.

34. AX.Pasyanos M.E., Walter W.R. Crust and upper-mantle structure of North Africa, Europe and the Middle East from inversion of surface waves // Geoph.J.Int., 2002, V. 149, P. 463-481.

35. Paulssen H., Bukchin B.G., Emelianov A.P., Lazarenko M., Muyzert E.J., Snieder R., Yanovskaya T.B. //Tectonophysics, 1999, V.313, P. 1-8.

36. Shapiro N.M., Ritzwoller M.H. Monte-Carlo inversion for a global shear velocity model of the crust and upper mantle. // Geophys.J.Int., 2002, v.151, No.l, P.88-105.

37. Snieder R. Large-scale waveform inversions of surface waves for lateral heterogeneity II: Application to surface waves in Europe and Mediterranean // J. Geophys. Res. 1988, №93, P. 12067-12080.

38. Spakman W., Van der Lee, Van derHilst R. Travel-time tomography of the European-Mediterranean mantle down to 1400 km // Phys. Earth Planet Inter. 1993, №79. P. 374.

39. A6.Tarantola A., Inverse Problem Theory. 1987. Elsevier Publishing Company. New-York.

40. Trampert J., Woodhouse J.H. Global phase velocity maps of Love and Rayleigh waves between 40 and 150 seconds // Geophys. J. Int. (1995), №122. P. 675-690.

41. Yanovskaya T.B., Kozhevnikov V.M. 3D S-wave velocity pattern in the upper mantle beneath the continent of Asia from Rayleigh wave data // Phys. Earth Planet Inter. 2003, №138. P. 263-278.

42. Zielhus A. and Nolet G. Shear-wave velocity variations in the upper mantle beneath central Europe // Geoph.J.Int., 1994. V.l 17. P.695-715.

43. Координаты используемых станций, расположенных в западной части ВЕП.1. Станция Координаты 1. Широта, Долгота, °Е

44. ЫЕ 51 59.881 29.826 Санкт-Петербург, Россия2. риь 59.767 30.317 Пулково, Россия

45. ЫЕ52 57.819 28.390 Псков, Россия4. №53 54.904 26.793 Нарочь, Белоруссия

46. К1ЕУ 50.694 29.208 Киев, Украина

47. ТЯТЕ 58.3786 26.7205 Тарту, Эстония

48. ОВК 55.1138 36.5687 Обнинск, Россия

49. БШУ 54.0125 23.1808 Сулково, Польша