Углы выхода

Аннотация

Геофизические методы разведки в Арктике, вып. 9. Л., изд. НИИГА, 1974, c..96-101.

По материалам станций «Арктическая» и «Хейс» определены углы выхода продольных волн землетрясений и выявлена зависимость их от периода регистрируемых волн, которая объясняется влиянием поверхностного слоя пород различной мощности. Получены два значения поверхностной скорости. Сравнение скоростей с имеющимися данными о геологическом строении района показывает, что мощность влияющих слоев равна длине волны.

Таблиц 1, иллюстраций 3, список литературы - 8 назв.

Определения углов выхода сейсмических волн для изучения глубинного строения Земли была начаты Б.Б. Голицыным [2] и продолжены в работах ряда других сейсмологов [6-8]. Е.Ф. Саваренский предложил дифференциальный метод, в котором производная годографа заменяется отношением конечных приращений времени и расстояния. Используя это отношение, а также значения углов выхода волн, по формуле Бенндорфа можно определить «поверхностную» скорость V_о, а затем, по формуле Вихерта-Чибисова рассчитать зависимость скорости от глубины. При наличии землетрясений или взрывов на расстояниях от нескольких десятков до тысяч километров этот способ позволяет получить скоростной разрез от верхних слоев земной коры до ядра 3емли.

Важной задачей является выяснение влияния поверхностной части разреза на углы выхода волн и величину «поверхностной» скорости. Совершенно очевидно, что вопрос о минимальной мощности влияющего слоя нельзя рассматривать в отрыве от длин регистрируемых воли. Спектр подходящих к станции колебаний хотя и имеет какие-то преобладающие частоты, но достаточно широк, и приборы с разными частотными характеристиками будут выделять волны различной длины. Соответственно должна меняться мощность влияющего слоя, что отразится на величине V_о и е_р. Б.Б. Голицын в своих расчетах пользовался значением V_о = 7,17 км/сек; Е.Ф. Саваренский, применив дифференциальный метод, получил значение V_о = 6,I5 км/сек. Это значение больше скорости в «гранитном» слое и несколько меньше скорости в «базальтовом» слое. Е.Ф. Саваренский пришел к выводу, что на величину угла выхода волн и «поверхностную» скорость тонкие поверхностные слои почти не оказывают воздействия. В работах Б.Б. Голицына и Е.Ф. Саваренского использованы записи низкочастотных сейсмографов, и для большинства землетрясений периоды продольных волн Тр имеют значения 5-10 сек. Таким о6разом, длины волн превышают 25-30 км, что значительно больше мощностей поверхностных отложений. Поэтому вполне естественно, что не обнаружено значительного влияния поверхностных слоев на углы выхода, не выявлена зависимость е_р от периода вступлений, а также получено значение V_о = 6,I5 км/сек. К.В. Пшенников [6], обработав материалы станций При6айкалья, не выявил какой-либо связи между углами выхода ё_р и периодом волны Тр. Он использовал записи сейсмографов Кирноса «СК», периоды волн были 5-8 сек. Таким образом, и в этом случае длины волн значительно превосходят мощности поверхностных слоев. Полученная К.В. Пшенниковым скорость V_оs = 3,3-3,4 км/сек примерно соответствует скорости поперечных воли в «гранитном» слое. В заключение К.В. Пшенников делает вывод о том, что под скоростью у поверхности следует понимать среднюю скорость сейсмических волн в верхнем слое значительной мощности. Тогда эта величина будет зависеть от мощности коры и ее слоев и окажется различной для отдельных районов.

Для выяснения зависимости углов выхода волн и величины «поверхностной» скорости от строения верхней части разреза необходимы новые наблюдения над землетрясениями, причем важно иметь возможность вести регистрацию на широком диапазоне частот.

Для изучения углов выхода сейсмических воли и определения «поверхностной» скорости V_о автором были рассмотрены материалы экспедиционной сейсмической ст. «Арктическая», организованной институтом геологии Арктики, а также материалы станции «Хейс». Сейсмическая станция «Арктическая» была оборудована двумя комплектами аппаратуры. Первый комплект состоял из сейсмографов УСФ-3М и гальванометров ГБ-IУ-С-10, а второй - из сейсмографов ВЭГИК и гальванометров ГБ-IУ-С-10. Оба комплекта имели столообразную частотную характеристику с увеличениями 5,5 х I0⁴ (I комплект) и 0,8-I,2 х 10⁴ (2 комплект) на диапазоне периодов от 0,05 до 0,8 сек (рис. I). Отсчет времени велся по контактному морскому хронометру, показания которого контролировались 5 раз в сутки на пульте управления сигналами по радио. Точность отсчета времени по сейсмограмме составляла 0,1 сек; раз в сутки регистрировались контрольные импульсы от генератора МГПА или источника постоянного тока.

На ст. «Хейс» работают два комплекта аппаратуры: сейсмографы СК и гальванометры ГК-VII, а также сейсмографы СК-М и гальванометры ГК- VII. Первый комплект имеет увеличение 700-1100 на периодах 2-10 сек, а второй комплект - 2,7 х 10⁴ на периодах 0,25-1 сек. Точность отсчета времени на сейсмограмме составляет 0,2 сек. Таким образом, названные станции образуют пару станций, оборудованных аппаратурой с разными полосами пропускания, с достаточно точной службой времени и надежным контролем частотных характеристик. Это обстоятельство позволяет с доверием относиться к измерениям, проведенным с использованием материалов этих станций.

Было отобрано около 60 записей землетрясений на обеих станциях, определены кажущиеся углы выхода ё_р (см. таблицу) и построены графики зависимости ё_р от эпицентрального расстояния (рис. 2). Так как эпицентральные расстояния значительно превосходят расстояние между станциями (200 км), можно считать незначительной величину изменения угла выхода за счет разности эпицентральных расстояний станций.

Как видно из таблицы и рис. 2, значения углов выхода по приборам УСФ-3М и СК-М, а также периоды регистрируемых волн для одних и тех же землетрясений практически совпадают. Это показывает, что в грубом приближении строение земной коры под обеими станциями одинаково. Поэтому углы выхода, подсчитанные по приборам УСФ-3М на ст. «Арктическая» и СК-М на ст. «Хейс», были нанесены на один график. Несмотря на имеющийся разброс значений углов, вызванный погрешностями измерений, точки графиков уверенно осредняются плавными кривыми, отмечающими постепенное увеличение углов выхода с увеличением эпицентрального расстояния. Значения углов, полученных на приборах УСФ-3М и СК-М, осреднены одной кривой и в дальнейшем, при расчете «поверхностной» скорости, берется либо среднее значение угла по двум комплектам (когда было два определения), либо то значение, которое имеется. Таким образом, существует зависимость углов выхода от величины периода колебаний: на одних и тех же эпицентральных расстояниях углы выхода больше для короткопериодных приборов. Полученные зависимости е_р = f(D°) послужили основой для расчета «поверхностной» скорости V_о. Координаты эпицентров взяты из оперативных бюллетеней Сети сейсмических станций СССР. Расстояния рассчитаны по формуле:

Е.Ф. Саваренский расширил формулу Бенндорфа для случая конечных приращений расстояния dD и времени dt [7]. Однако для расстояния между станциями в 200 км поправочный член мал, и им можно пренебречь, т.е. считать dD/dt = V* (кажущаяся скорость) и определять «поверхностную» скорость по формуле:

где Vp и Vs – скорости продольных и поперечных волн соответственно. При переходе от ё_рк е_р принимаем К = 1.8.

Отобрав свыше 100 наиболее удачных записей землетрясений с приповерхностными очагами, построили график зависимости V*· от эпицентрального расстояния D° (рис. 3).К сожалению, подавляющее большинство эпицентров расположено к востоку и юго-востоку от станций и трудно отметить зависимость V*· от азимута на эпицентр. Кажущиеся скорости по нескольким землетрясениям из противоположных направлений не отличаются резко друг от друга, поэтому нет оснований говорить о каком-либо существенном наклоне слоев горных пород в районе станций. Сравнения данных автора со значениями V* полученными по годографу Джеффриса-Буллена, не выявляют систематических отклонений в значениях скоростей.

По рассчитанным для каждого землетрясения значениям «поверхностной» скорости (см. таблицу) определили средние значения V_о для короткопериодных и длиннопериодных приборов: 4,3-4.4 и 5,7-5,8 км/сек соответственно. Наличие двух значений V_о подтверждает зависимость величины "поверхностной" скорости от длины регистрируемых волн. Используя углы выхода, рассчитанные по записям разнопериодных сейсмографов, получили скорости в поверхностных слоях различной мощности. Сложность состояла в том, чтобы определить мощность слоя, которому соответствовало 6ы полученное значение «поверхностной» скорости.

Л. Н. Малиновская [5] построила экспериментальные графики изменения кажущихся углов падения 90° - ё_р волны на свободную поверхность от соотношения длины волны λ в слое к мощности слоя h при различных углах падения на нижнюю границу слоя и различных скоростях волн в слое и полупространстве. Из этих графиков следует, что слой мощностью λ /h > 10 не оказывает влияния на волну, т.е. скорости таких слоев не будут сказываться на величине «поверхностной» скорости. С увеличением мощности слой все сильнее изменяет направление волны. Особенно резкое изменение происходит при λ/h = 2 - 6. При λ /h < 2 слой ведет себя как толстый, и изменение угла происходит по геометрической схеме преломления. Если принять для приборов УСФ-3М и СК-М среднюю длину регистрируемых волн 5-6 км, а для приборов СК - 25 30 км, то минимально возможная мощность влияющих слоев для полученных автором скоростей будет 500-600 м для V_о = 4,3 - 4,4 км/сек и 2,5-3 км для V_о = 5,7 - 5,8 км/сек.

Приборы ст. «Арктическая» смонтированы на базальтовом покрове мощностью 200-400 м. Скорости продольных волн в базальте превышают скорости волн в подстилающих породах в 1,8-2 раза. В случае чисто геометрической схемы преломления углы выхода волн на этой станции должны были бы резко уменьшиться. Однако этого не наблюдается, т.е. слой базальтов не влияет на регистрируемые волны. Влияние базальта будет сказываться на углах выхода волн с λ < 2 км, что имеет значение при регистрации близких и местных землетрясений, для которых этот слой является своеобразным экраном, отводящим сейсмические лучи от поверхности. Согласно выводам Л.Н. Малиновской, вероятнее всего скорость 4,3-4,4 км/сек определяется слоем с h > 2,5 - 3 км, а скорость 5,7-5,8 км/сек слоем с h > 13-15 км.

Для того чтобы получить более уверенное представление о мощности слоя, определяющего величину «поверхностной» скорости, необходимо иметь данные о скоростном разрезе, полученные другим, независимым путем.

Район станций относится к наименее изученным территориям Советского Союза, и сведения о скоростном разрезе очень неполны и отрывочны. По имеющимся геологическим и геофизическим данным, схематический разрез под станциями выглядит следующим образом. Сверху залегает слой терригенных отложений, прорванных базальтовыми лавами, мощность слоя 2 км, скорость продольных волн для таких пород можно принять 3-3,5 км/сек. Этот слой подстилается карбонатными породами, имеющими мощность 4-5 км, скорости продольных волн 4,5-5,2 км/сек и залегающими на «гранитном» слое. Мощность земной коры в данном районе 25-30 км [1, 3], скорость продольных волн в коре подобных районов 5,6-5,9 км/сек [3, 4]. Сравнение значений «поверхностной» скорости с таким разрезом позволяет грубо оценить мощность слоев, определяющих ее величину. 3начения скорости 4,3-4,4 км/сек создаются слоем осадочных пород, а значения 5,7-5,8 км/сек - всей толщей земной коры, т.е. слоями, мощность которых примерно равна длине волны. Вполне естественно, что для более надежного вывода необходимы более точные сведения о скоростном разрезе.

Для выяснения соотношения мощности влияющего слоя и длины сейсмической волны необходимо накопить сведения по регистрации землетрясений приборами с различными частотными характеристиками в районах с хорошо изученным разрезом. Получение такого соотношения позволит в первом приближении дать количественную оценку скоростного разреза в районах, где сведения о нем полностью отсутствуют.

Список литературы

1. Волк В. Э. Опыт использования данных аэромагнитной съемки для изучения земной коры в пределах Арктического бассейна. - "Советская геология", 1964, №11, С. 117-120.

2. Голицын Б.Б. Об углах выхода сейсмической радиации. Изв. Пост. сейсм. комиссии. С.-П., 1919, вып.VII, с.185-333.

3. Деменицкая Р. М. Кора и мантия Земли. М., «Недра», 1967, 280 с.

4. Косминская И.П. Метод глубинного сейсмического зондирования земной коры и верхов мантии. М., «Наука», 1968. 227 с.

5. Малиновская Л.Н. К вопросу о расчете теоретических сейсмограмм интерференционных колебаний - В кн.: Вопр. динамич. теории распространения сейсм. волн. Изд. ЛГУ, 1959, вып. III, с.356-378.

6. Пшенников К.В. Углы выхода продольных волн при удаленных землетрясениях (по на6людениям на сейсмических станциях Прибайкалья). - Геология и геофизика, 1970, № 5, с. 103-111.

7. Саваренский Е.Ф. По поводу дифференциального метода в сейсмологии и об углах выхода сейсмической радиации в Пулково - Труды Геофиз. ин-та АН СССР, 1948, №1 (128), с. 11-29.

8. Саваренский Е.Ф. Об углах выхода сейсмической радиации и некоторых смежных вопросах – Труды Геофиз. ин-та АН СССР, 1952, №15 (142), с. 1-109.