Исследование и верификация скоростных моделей земной коры методами математического моделирования и активной сейсмологии

Представлены результаты сравнения теоретических сейсмограмм для двух скоростных моделей земной коры и данных о временах вступлений Р-волн на экспериментальных вибрационных сейсмограммах на 400-километровом участке профиля Байкал – Улан-Батор. Теоретические сейсмограммы получены методами математического моделирования волновых полей для скоростных моделей земной коры, построенных по данным экспериментов BEST и PASSCAL. Вибрационные сейсмограммы получены при измерении волнового поля вибратора ЦВО-100 Южно-Байкальского полигона СО РАН. Экспериментальные значения времен вступлений в группе Р-волн на вибрационных сейсмограммах соответствуют значениям на теоретических сейсмограммах для волн большой амплитуды. Cравнение теоретических сейсмограмм эксперимента BEST и данных о временах вступлений Р-волн на экспериментальных вибрационных сейсмограммах на 400-кило­метровом участке профиля Байкал – Улан-Батор показывает, что экспериментальные времена вступлений волн максимальной амплитуды соответствуют теоретическим годографам волн со скоростью 6.25–6.80 км/с скоростной модели эксперимента BEST. Вместе с тем экспериментальные данные не содержат времен вступлений, соответствующих продольным волнам со скоростью Vp=7.25 км/с, связанных с предполагаемым слоем мощностью более 10 км в нижней коре в скоростной модели эксперимента BEST. Экспериментальные значения времен вступлений волн в группе Р-волн вибрационных сейсмограмм находятся в области времен вступлений волн на теоретических сейсмограммах эксперимента PASSCAL на всем протяжении 400-километрового профиля. Это свидетельствует о надежном определении средних значений скоростей волн в скоростной модели эксперимента PASSCAL. Следует отметить, что экспериментальные значения времен вступлений первой волны в группе Р-волн согласуются с временами первых вступлений на годографах теоретических сейсмограмм для скоростной модели эксперимента PASSCAL в диапазоне расстояний от 65 до 380 км от источника.

1. Alekseev A.S., Chichinin I.S., Korneev V.A., 2005. Powerful low-frequency vibrators for active seismology. Bulletin of the Seismological Society of America 95 (1), 1–17. https://doi.org/10.1785/0120030261.

2. Alekseev A.S., Glinsky B.M., Kovalevsky V.V., Mikhailenko B.G., 1997. Problems of active seismology. In: K. Fuch (Ed.), Upper mantle heterogeneities from active and passive seismology. Nato ASI Series, vol. 17, p. 123–130.

3. Ammon C.J., Randall G.E., Zandt G., 1990. On the nonuniqueness of receiver function inversions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 95 (B10), 15303–15318. https://doi.org/10.1029/JB095iB10p15303.

4. Burdick L.J., Langston C.A., 1977. Modeling crustal structure through the use of converted phases in teleseismic body-wave forms. Bulletin of the Seismological Society of America 67 (3), 677–691.

5. Фатьянов А.Г. Полуаналитический метод решения прямых динамических задач в слоистых средах // Доклады АН СССР. 1990. Т. 310. № 2. С. 323–327.

6. Fatyanov A.G., Terekhov A.V., 2011. High-performance modeling acoustic and elastic waves using the parallel Dichotomy Algorithm. Journal of Computational Physics 230 (5), 1992–2003. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2010.11.046.

7. Gao S.S., Liu K.H., Chen C., 2004. Significant crustal thinning beneath the Baikal rift zone: New constraints from receiver function analysis. Geophysical Research Letters 31 (20), L20610. https://doi.org/10.1029/2004GL020813.

8. Караваев Д.А. Параллельная реализация метода численного моделирования волновых полей в трехмерных моделях неоднородных сред // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 6 (1). С. 203–209.

9. Karavaev D., Glinsky B., Kovalevsky V., 2015. A technology of 3D elastic wave propagation simulation using hybrid supercomputers. In: CEUR workshop proceedings of the 1st Russian conference on supercomputing. (Supercomputing Days Moscow, Russia, September 28–29). Moscow, p. 26–33.

10. Kosarev G.L., Petersen N.V., Vinnik L.P., Roecker S.W., 1993. Receiver functions for the Tien Shan analog broadband network: Contrasts in the evolution of structures across the Talasso‐Fergana fault. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 98 (B3), 4437–4448. https://doi.org/10.1029/92JB02651.

11. Kovalevskiy V., Chimed O., Tubanov Ts., Braginskaya L., Grigoruk A., Fatyanov A., 2017. Vibroseismic sounding of the Earth’s crust on the profile Baikal–Ulaanbaatar. In: Proceedings of the International conference on astronomy & geophysics. Ulaanbaatar, p. 261–265.

12. Kovalevsky V.V., Braginskaya L.P., Grigoryuk A.P., 2016a. An information technology of verification of Earth's crust velocity models. In: 13th International Scientific-Technical Conference APEIE 2016 Proceedings, Vol. 2, p. 443–446.

13. Ковалевский В.В., Фатьянов А.Г., Караваев Д.А. Верификация скоростных моделей земной коры Байкальского региона, построенных по данным экспериментов BEST и PASSCAL // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2016. Т. 4. № 2. С. 3–7.

14. Крылов С.В., Голенецкий С.И., Петрик Г.В. Согласование данных сейсмологии и ГСЗ о строении верхов мантии в Байкальской рифтовой зоне // Геология и геофизика. 1974. Т. 15. № 12. С. 61–65.

15. Mishen'kin B.P., Mishen'kina Z.R., Petrik G.V., Shelud'ko I.F., Mandel'baum M.M., Seleznev V.S., Solov'ev V.M., 1999. Deep seismic sounding of the Earth's crust and upper mantle in the Baikal rift zone. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 35 (7–8), 594–611.

16. Mordvinova V.V., Artemyev A.A., 2010. The three-dimensional shear velocity structure of lithosphere in the southern Baikal rift system and its surroundings. Russian Geology and Geophysics 51 (6), 694–707. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2010.05.010.

17. Mordvinova V.V., Deschamps A., Dugarmaa T., Déverchère J., Ulziibat M., Sankov V.A., Artem’ev A.A., Perrot J., 2007. Velocity structure of the lithosphere on the 2003 Mongolian-Baikal transect from SV waves. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 43 (2), 119–129. https://doi.org/10.1134/S1069351307020036.

18. Mordvinova V.V., Vinnik L.P., Kosarev G.L., Oreshin S.I., Treusov A.V., 2000. Teleseismic tomography of the Baikal rift lithosphere. Doklady Earth Sciences 372 (4), 716–720.

19. Мордвинова В.В., Зорин Ю.А., Гао Ш., Дэвис П.М. Оценки толщины земной коры на профиле Иркутск–Улан-Батор–Ундуршил по спектральным отношениям объемных сейсмических волн // Физика Земли. 1995. № 9. C. 35–42.

20. Nielsen C., Thybo H., 2009. Lower crustal intrusions beneath the southern Baikal rift zone: evidence from full-waveform modelling of wide-angle seismic data. Tectonophysics 470 (3–4), 298–318. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.01.023.

21. Owens T.J., Zandt G., Taylor S.R., 1984. Seismic evidence for an ancient rift beneath the Cumberland Plateau, Tennessee: A detailed analysis of broadband teleseismic P waveforms. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 89 (B9), 7783–7795. https://doi.org/10.1029/JB089iB09p07783.

22. Недра Байкала (по сейсмическим данным) / Ред. Н.Н. Пузырев. Новосибирск: Наука, 1981. 105 с.

23. Puzyrev N.N., Mandelbaum M.M., Krylov S.V., Mishenkin B.P., Krupskaya G.V., Petrick G.V., 1973. Deep seismic investigations in the Baikal rift zone. Tectonophysics 20 (1–4), 85–95. https://doi.org/10.1016/0040-1951(73)90098-X.

24. Puzyrev N.N., Mandelbaum M.M., Krylov S.V., Mishenkin B.P., Petrik G.V., Krupskaya G.V., 1978. Deep structure of the Baikal and other continental rift zones from seismic data. Tectonophysics 45 (1), 15–22. https://doi.org/10.1016/0040-1951(78)90219-6.

25. Селезнев В.С., Тибо Г., Перчук Э., Еманов А.Ф., Суворов В.Д., Соловьев В.М., Татьков Г.И., Лисейкин А.В., Анненков В.В., Мишенькина З.Р. Использование новой технологии глубинных сейсмических исследований при изучении глубинного строения юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны // Проблемы сейсмологии III тысячелетия: Материалы международной геофизической конференции (15–19 сентября 2003 г., г. Новосибирск). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. С. 324–329.

26. Suvorov V.D., Mishenkina Z.M., Petrick G.V., Sheludko I.F., Seleznev V.S., Solovyov V.M., 2002. Structure of the crust in the Baikal rift zone and adjacent areas from deep seismic sounding data. Tectonophysics 351 (1–2), 61–74. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(02)00125-7.

27. Татьков Г.И., Тубанов Ц.А., Базаров А.Д., Толочко В.В., Ковалевский В.В., Брагинская Л.П., Григорюк А.П. Вибросейсмические исследования литосферы Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий // Отечественная геология. 2013. № 3. С. 16–23.

28. Ten Brink U.S., Taylor M.H., 2002. Crustal structure of central Lake Baikal: Insights into intracontinental rifting. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 107 (B7), 2132. https://doi.org/10.1029/2001JB000300.

29. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками / Ред. Г.М. Цибульчик. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. 387 с.

30. Vinnik L.P., 1977. Detection of waves converted from P to SV in the mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors 15 (1), 39–45. https://doi.org/10.1016/0031-9201(77)90008-5.

31. Zhao D., Lei J., Inoue T., Yamada A., Gao S.S., 2006. Deep structure and origin of the Baikal rift zone. Earth and Planetary Science Letters 243 (3–4), 681–691. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.01.033.

32. Zorin Y.A., Kozhevnikov V.M., Novoselova M.R., Turutanov E.K., 1989. Thickness of the lithosphere beneath the Baikal rift zone and adjacent regions. Tectonophysics 168 (4), 327–337. https://doi.org/10.1016/0040-1951(89)90226-6.

33. Zorin Y.A., Mordvinova V.V., Turutanov E.K., Belichenko B.G., Artemyev A.A., Kosarev G.L., Gao S.S., 2002. Low seismic velocity layers in the Earth's crust beneath Eastern Siberia (Russia) and Central Mongolia: receiver function data and their possible geological implication. Tectonophysics 359 (3–4), 307–327. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(02)00531-0.

34. Zorin Y.A., Turutanov E.K., Mordvinova V.V., Kozhevnikov V.M., Yanovskaya T.B., Treussov A.V., 2003. The Baikal rift zone: the effect of mantle plumes on older structure. Tectonophysics 371 (1–4), 153–173. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(03)00214-2.