Хвильові поля і регіональні Годограф першим вступів P-і S-хвиль

А. И. Дубянський, Воронезький державний університет

Одним з активних в сейсмічної відношенні районів Східно-Європейської платформи є Воронезький кристалічний масив. В даний час розпочато регулярні інструментальні спостереження кількома станціями за сейсмічних режимом ВКМ. Вже перші результати показали, що в регіоні відбувається велика кількість сейсмічних подій тектонічного і техногенного походження. Інтерпретація сейсмологічних даних, одним з основних моментів якої є визначення таких важливих характеристик як відстань до епіцентру, час настання події в осередку і глибину вогнища [1,2,3], грунтується на співвідношенні часів реєстрації хвиль різних типів, зокрема Годограф перший вступів Р і S-хвиль. Для точного визначення цих параметрів необхідно враховувати регіональні особливості хвильового поля та будуть використані регіональні Годограф названих хвиль. Для інтерпретації місцевих подій стандартні Годограф мало придатні тому при їх розрахунку природно не врахована специфіка геологічної будови земної кори регіону.

При побудові регіональних Годограф необхідно з'ясувати в першу чергу характер хвильової картини перших вступів, тобто визначити області простежування хвиль і їхні динамічні параметри. Аналіз хвильового поля першим вступів поздовжніх і поперечних хвиль і побудова регіональних Годограф цих хвиль виконані за матеріалами глибинних сейсмічних досліджень на території ВКМ [4]. Методика цих робіт була заснована на використанні енергії промислових вибухів, які проводяться в кар'єрах КМА і в Павлівському гранітному кар'єрі. Реєстрація пружних хвиль здійснювалася уздовж профілів, радіально розходяться від кожного з кар'єрів. Крок за профілем записуючих станцій становив 5-10км, довжина розстановки одній станції - 750м. Реєструє апаратура - "Тайга-1" і "Тайга-2". Довжина кожного з профілів сягала 300-320км.

Використовувалися в основному вертикальні сейсмопріемнікі з власною частотою 5Гц.

В результаті польових спостережень, подальшої обробки та інтерпретації оцінені характеристики хвильового поля поздовжніх і поперечних хвиль, побудовані швидкісні моделі та сейсмічні розрізи земної кори уздовж 18 профілів. Ці профілі перетинають практично всі великі структурно-формаційні зони докембрійського фундаменту ВКМ, кожна з яких має свої характерні особливості будови земної кори і верхів мантії. Все це свідчить про достатньою показності наявного сейсмічного матеріалу.

В зв'язку з необхідністю побудови регіональних Годограф розглянемо характерні особливості хвильової картини вступів Р і S-хвиль, пов'язані з особливостями будови земної кори.

За кінематичними та динамічним ознаками Годограф перших вступів поздовжніх хвиль в інтервалі відстаней від 0 до 300км можна розділити на чотири фрагменти. Перший з них (початкова частина Годограф) характеризується, як правило, закономірним збільшенням часу приходу і зменшенням амплітуд коливань, що добре збігається з теоретичними Годограф рефрагірованних хвиль, розрахованими для лінійного закону зміни швидкості з глибиною (рис.1). Всі це говорить про те, що в початковій частині Годограф перших вступів стежити рефрагірованная хвиля Рg [4]. Величина інтервалу простежування цієї хвилі на різних профілях різна і коливається від 70-80км до 110-120км. Її удавана швидкість, яка біля пункту вибуху складає 5.8-6.1км/с, поступово збільшується з віддаленням від джерела і в кінці інтервалу досягає 6.15-6.40 км/с. Представлена хвиля Рg, як правило, двофазним імпульсом з видимою частотою 7-14 Гц, відносна інтенсивність якого менше, ніж у регулярних коливань наступних хвиль.

Під другий інтервалі, ширина якого становить 30-40км, відзначається регулярне зменшення уявній швидкості хвилі, що виходить в першу вступу. Спостережені Годограф перетинають теоретичні, розраховані для рефрагірованних хвиль, амплітуда коливань мінімальна і швидко згасає з відстанню. На рис.1 наводяться динамічні Годограф першого хвиль, які чітко показують зменшення уявній швидкості в інтервалі Годограф 115-140 км від пункту вибуху, позначеного Рd, а також різке зменшення інтенсивності коливань на цій ділянці. У правій частині Годограф хвилі Рg удавана швидкість складає 6.49км/с, а для хвилі Рd - 6 км/с.

В третьому інтервалі перших вступів на відстанях від 100 до 180-200км, іноді із запізненням у часі порядку 0.3-0.7с, реєструються коливання, амплітуди яких в початковій частині інтервалу в кілька разів перевищує амплітуду хвилі Рd (рис.1).

Рис.1. Динамічні Годограф хвиль, що виходять у першу вступу: 1 - спостережені динамічні Годограф; 2 - теоретичні Годограф, розраховані для лінійного зміни швидкості з глибиною (Vo = 6 км/c, значення градієнта швидкості наведені на малюнку). Масштаб часу редукований зі швидкістю редукції 6 км/с.

Рис.2. Регіональні Годограф Р-хвиль (а) і S-хвиль (б): 1 - хвиля Рg; 2 - хвиля Ротр М; 3 - хвиля Рn; 4 - хвиля Sg; 5 - хвиля Sn.

Четвертий інтервал, початок якого припадає на 180-200км від пункту вибуху, характеризується першими вступами двох типів. Перший тип представлений малоінтенсивне 3-4х фазною рефрагірованной хвилею Рn з видимою частотою 5-10 Гц. Її удавана швидкість на різних профілях складає 7.95-8.3км/с. У межах розглянутих інтервалів відстаней (до 300км) не відбувається помітне зміна V *, за винятком профілю Губкін-Павловськ, де з відстані 278км починає наступна хвиля Pn1 з уявною швидкістю 9.5км/с. Другий тип вступів відзначається тоді, коли в силу специфічних особливостей будови перехідної зони кора-мантія, хвиля Pn не реєструється. У цьому випадку в першому вступу виходять інтенсивні закритичні відбиття від розділів Конрада або Мохо з уявною швидкістю близько 7.0км/с.

Моделювання хвильового поля дозволило визначити можливу схему освіти названих хвиль, стежать в першу вступах. Побудовані в результаті інтерпретації сейсмічних матеріалів швидкісні моделі за профілями ГСЗ мають, як правило, в верхній своїй частині шар потужністю 6-11км, в якому відзначається лінійне збільшення швидкості з глибиною. Нижче цього шару відбувається або різке зменшення градієнта швидкості або виділяється хвилевід. Рефрагірованная хвиля Рg, досягаючи шар з меншим градієнтом швидкості або хвилеводу, відкидається вниз і перестає простежуватися в першому вступах. тобто утворюється зона тіні. Зона відсутності хвилі Рg заповнюється діфрагірованной хвилею Рd або відбитими хвилями від внутрікорових кордонів. Судячи за значеннями що здається швидкості хвилі Рd (V *= 6км/с) основну роль у формуванні цього коливання грають хвилі діфрагірованние від області перетину останнім променем кордону фундамент-осадовий чохол, за якою діфрагірованная хвиля поширюється як квазіголовная.

Як вже зазначалося хвиля Рn має уявну швидкість близько 8 км/с, що вказує на її приуроченість до порід верхів мантії. Моделювання показало, що ця хвиля поширюється вздовж кордону Мохо як головний або слаборефрагірованная. У тих випадках, коли розділ корамантія представлений перехідним шаром з пластової швидкістю 7,15-7,70 км/с хвиля Рn на кордоні М не утворюється. В залежності від потужності цього шару, тобто від глибини кордону, нижче якій швидкість зростає до мантійних значень, хвиля Рn реєструється з деякою тимчасовою затримкою або взагалі відсутній на розглянутих видалення вибух-прилад (200-300км). В останньому випадку в першу вступу виходять закритичні відбиття від розділу М.

Поле S-хвиль в цілому аналогічно за структурою хвильовому полю поздовжніх коливань. За кінематичними та динамічним ознаками першого вступу поперечних хвиль у інтервалі від 0 до 300км поділяються на три області. У першому з них (0-120км) реєструються рефрагірованние хвилі Sg, представлені, як правило, двофазним імпульсом з видимою частотою от6 до 10Гц. Інтенсивність цих коливань у два-три рази перевищує інтенсивність їх поздовжніх аналогів. Які видаються швидкості коливаються від 3,36-3,59 км/с на початку Годограф до 3,63-3,65 км/с в кінці. У другій області (120-200км) першого вступу S-хвиль представлені закритичні гілками поперечних хвиль, відбитих від внутрікорових кордонів. У третьому області (200-300км) простежується хвиля Sn, що несе інформацію про швидкостях у верхах мантії. Представлена ця хвиля відносно слабким коливанням з видимою частотою 5-8Гц. Удавана швидкість складає в середньому 4,5 км/с.

При обробці записів сейсмологічними станціями без інформації про епіцентральних відстанях практично неможливо визначити природу хвиль, що утворюють перший вступу, а ця інформація міститься у співвідношенні часів приходу різних хвиль. Тому видається цілком виправданим побудова єдиних регіональних Годограф Р і S-хвиль в інтервалі від 0 до 200 км. Це підтверджується також моделюванням хвильового поля, яке показало [5], що Годограф рефрагірованних хвиль Рg і Sg за умови наявності градієнта швидкості в шарі від 0 до 30км, простежуються в першу вступах до 200км і добре апроксимуються як Годограф власне рефрагірованних хвиль, так і закритичні праві гілки Годограф відбитих хвиль, що формують першу вступу в інтервалі 120-200км від пункту вибуху. Різка зміна кінематичних параметрів Годограф перших вступів Р і S-хвиль в інтервалі від 200 і до 300км, пов'язане з виходом хвиль Рn і Sn, робить необхідним побудову окремих регіональних Годограф цих хвиль, а також закритичній гілки відбитої хвилі Ротр М.

Регіональні Годограф всіх даних хвиль будувалися шляхом осредненія спостережені значень на базі в 10км і обчислення апроксимуючої залежності (рис.2). Годограф хвиль Рg і Sg апроксимувати параболою другого ступеня, а Годограф хвиль Рn, Sn і Ротр М - лінійною залежністю t (Х).

Отримані Годограф є першим наближенням до реального хвильовому полю при нульовій глибині Гіпоцентр. Ці Годограф можуть бути використані як для першого етапу інтерпретації сейсмологічних даних, так і для порівняння з результатами вирішення прямої задачі для регіональної швидкісної моделі ВКМ.

Список літератури

1. Саваренская Е. Ф., Кирнос Д.П. Елементи сейсмології і сейсмометри. -М., 1955. -543 С.

2. Ріхтер Ч.Ф. Елементарна сейсмологія. -М., 1963. -670 С.

3. Інструкція про порядок виробництва й обробки спостережень на сейсмічних станціях єдиної системи сейсмічних спостережень СРСР. -М., 1981. -272 С.

4. Дубянський А.І. Глибинне будова Воронезького кристалічного масиву за даними вибуховий сейсмології: Автореф. дис. ... канд. геол.-мінерал. наук. -Свердловськ, 1984. -21 С.

5. Tarkov A.P., Basula I.P., Generalov V.G., Dubiausky A.I., Chernykh V.V. Composite travel times of seismic waves and general velosity models of the Voronezh Shield crast and upper mantle //Geophys J. R. astr. -Soc. 67. -1981. -P. 240-246.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.vestnik.vsu.ru