Файл: Левшин А.Л. Поверхностные и каналовые сейсмические волны [монография].pdf

И . П О В Е Р Х Н О С Т Н Ы Е В О Л Н Ы В З Е М Л Е

Г л а в а 5

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ В КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЕ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ

ЗЕМЛИ

Континентальная кора и подстилающая ее верхняя мантия яв­ ляются одними из главных объектов применения метода поверх­ ностных волн. Наиболее часто для определения скоростного раз­ реза этих частей Земли используют дисперсию основных гармоник волн Рэлея и Лява. Для исследования коры необходимы наблюде­ ния в диапазоне периодов 10—50 сеж; определяется либо групповая скорость на трассе эпицентр — станция, либо фазовая скорость между парой станций, лежащих примерно в одном и том же азиму­ те от эпицентра. При этом землетрясения и станции подбирают так, чтобы изучаемая трасса (или участок трассы) проходила через континентальный регион примерно однотипного строения: для регионального изучения коры иногда применяют методику дробления протяженных трасс на участки с разным строением коры с определением дисперсии групповой скорости на каждом участке по большому числу наблюдений [80, 162].

Для изучения верхней мантии до глубин 300—400 км исполь­ зуют дисперсию основных гармоник в диапазоне периодов 40 — 300 сек, при этом для периодов менее 100 сек применяют те же ме­ тоды, что и при изучении коры (обязательно только наличие длиннопериодной аппаратуры); для наблюдений больших периодов пригодны только записи редких сильных землетрясений (М ^> 7.5). При этом трассы чаще всего оказываются смешанными, пересе­ кающими как океаны, так и разные континенты; извлечь из на­ блюденных данных сведения о дисперсии на чисто континенталь­ ном пути удается только косвенным путем, при некоторых допу­ щениях о свойствах трассы [20, 86, 123].

Для получения дисперсионных кривых применяется визуаль­ ный метод обработки записи, основанный на измерении координат экстремальных точек сигнала [77, 84, 124]; в некоторых случаях используется метод спектрального анализа зацифрованных запи­ сей на ЭВМ [84, 163]. Решение обратной задачи — определение скоростного разреза по наблюденной дисперсии — осуществля­ ется ручным [12, 35, 84], а в последнее время и машинными ме­ тодами подбора модели, для которой расчетная кривая в среднем

89

сейсмических волн; наиболее важные отличия моделей — разница в скоростях упругих волн непосредственно под корой и существо­ вание или отсутствие слоя пониженной скорости в верхней мантии. Хотя в последние годы предложен ряд других моделей, несколько лучше согласующихся с теми или иными выборками наблюденных

на волновую картину. Земная кора в обеих моделях представлена двумя однородными слоями одинаковой мощности. Распределе­ ние плотностей, сравнительно слабо влияющее на особенности поверхностных волн, выбрано согласно Буллену (А) [12] и оди­ наково в обеих моделях (табл. 6). Для выяснения эффекта влияния отдельных частей разреза (коры, верха мантии) на свойства волн

91

корой (рис. 17 и табл. 6). Для обеих моделей характерны сравни­

специально оценивался эффект частотной зависимости для интер­ вала глубин, соответствующего слою пониженной скорости (на рис. 17 эта область показана штриховкой).

Основные расчеты теоретических сейсмограмм производились для точечного вертикального и горизонтального воздействий. При этом предполагалось, что спектральная функция источника постоянна в интересующем нас диапазоне периодов и плавно убы­ вает до нуля вне этого диапазона. Выбор столь простой модели диктовался не ограничениями расчетного аппарата (как отмеча­ лось выше, можно ввести в расчет данные о весьма произвольном источнике), а отсутствием достаточно уверенных данных о свой­ ствах реальных источников. Казалось, предпочтительней модели-

92

ровать поле элементарного источника и затем оценить возможный эффект усложнения механизма источника, чем сразу задаваться какой-либо частной моделью очага. Предполагалось, что регистра­ ция производится на поверхности неискажающим трехкомпонентным приемником.

При проведении расчетов был принят ряд ограничений, обу­ словленных главным образом техническими соображениями. Диа­ пазон частот был ограничен максимальными значениями периода Т = 300 сек; волны с таким периодом при любом номере к захва­ тывают всю верхнюю мантию; при больших Т необходимо учиты-

~**Тзать эффект гравитации. Со стороны высоких частот расчетный диапазон был ограничен значением периода Т = 1 ~ 2 сек. Предполагалось, что нас интересуют такие удаления от источни­ ка, на которых более высокочастотные колебания в силу изби­ рательного поглощения сильно затухают.

Ограничения на число учитываемых гармоник необходимо вводить в связи с сильным возрастанием затрат машинного вре­ мени при расчетах полей высоких гармоник. Как правило, мак­ симальное к не превышало 10; во многих расчетах теоретических сейсмограмм, где исследовался интервал времен регистрации, со­ ответствующий групповым скоростям меньше 4,5 кмісек, число учитываемых гармоник ограничивалось тремя-четырьмя.

Максимальные эпицентралыіые расстояния г в наших задачах не превышали 10 ООО км, что вполне достаточно для изучения волн на чисто континентальных трассах; для расчета сейсмограмм

;на больших удалениях при разумных затратах машинного времени "^необходимо сузить расчетный диапазон со стороны высоких

частот.

Большая часть расчетов волн Рэлея выполнена для плоских моделей, все расчеты волн Лява проведены для сферических моде­ лей; мы в дальнейшем всюду используем индексы L и В для волн Лява и Рэлея вне зависимости от того, учитывался или нет эф­ фект сферичности.

Днсііерси і скоростей. Волны Лява. Дисперсионные кривые Vhh {Т) и Chh (Т) для первых восьми гармоник волн Лява в моде­ лях Г и Д приведены на рис. 18, 19. При оценке влияния на харак­ тер волновой картины параметров разреза помимо самих диспер­ сионных кривых удобно использовать графики частных произ­ водных фазовой скорости по этим параметрам. На рис. 20 приве-

Ч дены примеры таких графиков для модели Г, к = 1, 2; в качестве

япараметров выбраны скорости поперечных волн на верхних гра­ ницах слоев, заключенных в нескольких интервалах глубин в коре и мантии.

отличающиеся поведением дисперсионных кривых и, следователь­ но, характером волновой картины. На эти же участки можно раз­ делить и теоретические сейсмограммы волн Лява.

93