Исследования сейсмичности и глубинного строения Центральной и Северной Якутии

В связи с проведением по внебюджетной деятельности полевых сейсморазведочных работ методом ОГТ-2D летом 2018 года на р. Лена на участке от устья р. Тикян до устья р. Алдан, появилась возможность провести дополнительные исследования по изучению сейсмичности и глубинного строения данного участка. Проведение дополнительных исследований целесообразно, так как позволит получить новые знания о сейсмичности и глубинному строению районов Центральной и Северной Якутии. Малая изученность этих районов связана с труднодоступностью и, следовательно, высокой затратностью работ по установке необходимых для исследований сейсмологических станций, а выполнение таких исследований, как ГСЗ, вообще нереализуемо. При проведении в этих районах полевых сейсморазведочных работ, в которых принимали участие сотрудники Сейсмологического филиала, появилась возможность без существенных затрат эти исследования провести. С этой целью, вдоль р. Лена, на участке работ длиной в 1050 км, устанавливались временные сейсмостанции, на которых проводилась непрерывная регистрация фоновой сейсмичности. Эти исследования важны для получения данных о слабых сейсмических событиях, которые не регистрируются региональной сетью Якутского филиала ФИЦ ЕГС РАН. В дальнейшем предполагается использовать полученные данные о микросейсмических колебаниях для развития метода сейсмоэмиссионной томографии в части возможности исследования активных разломов Земной коры.

Кроме этого, были сделаны пробные исследования, нацеленные на изучение глубинного строения земной коры и верхней мантии данного региона. С этой целью, при регистрации колебаний от пневмоисточников, была увеличена длительность записи до 15-23 с (вместо 6 с, требуемых техническим заданием), т.к. ожидаемое двойное (вертикальное) время пробега отраженной волны до поверхности М составляет порядка 13 с. Также, была увеличена дальность регистрации до 10-20 км (все сто требуемых 8 км) с целью получения длинных годографов преломленных волн.

Выбор интерпретационный модели очень важная и ответственная часть обработки сейсмического материала. Если интерпретационная модель выбрана не верно, то, несмотря на высокую точность топографических параметров, точную временную привязку и т.д., могут возникнуть значительные модельные ошибки. Чтобы избежать этого, на отдельных точках профиля при проведении стандартных работ ОГТ с регистрацией Z-составляющей волнового поля, была проведена трехкомпонентная регистрация (которая также не предусматривалась техническим заданием). Полученная информация позволит изучить полное волновое поле и определить наличие или отсутствие анизотропии в разных местах профиля и правильно выбрать интерпретационную модель. Так как глубина отражающих границ вдоль разреза изменяется от нескольких метров до 15 км, то и модельная ошибка, которая может возникнуть, если существует анизотропия скоростей в разрезе, может достигать 1 км. Такая точность построения параметров разреза явно неприемлема. Чтобы избежать этого, на 8 участках профиля была проведена трехкомпонентная регистрация и получено по 132 сейсмограммы общего пункта приема на X, Y и Z – компонентах, т.е. всего 396 сейсмограмм ОПП. Полученная информация позволит определить наличие или отсутствие анизотропии скоростей вдоль профиля и правильно выбрать интерпретационную модель. 

 

            На рисунках 1 и 2 показаны схемы проведения исследовательских работ. Сейсморазведочный профиль МОГТ-2D длиной 1050 км (по сглаженной траверсной линии) проходит по руслу р. Лена от устья р. Тикян (ближайший нас. пункт – п. Кюсюр) до устья р. Алдан. Проходит через несколько крупных тектонических структур (рисунок 2 – Тектоническая карта по данным [31]). Так, на участке 0-650 км – это Предверхоянский краевой прогиб, причем на участке 400-540 км, судя по тектонической схеме, профиль проходит по границе между прогибом и Анабарской антеклизой и на этом участке, возможно, близко к поверхности подходит кристаллический фундамент. Участок профиля 650-840 км – проходит по Линденской впадине. Участок 840-930 км проходит по зоне складчато-надвиговых дислокаций Верхоянской цепи. Участок 930-1020 км – Лунгхинско-Келинский мегапрогиб и с 1020-1030 км до конца профиля – участок выхода на поверхность кристаллического фундамента. Таким образом, в тектоническом отношении территория исследований достаточно разнообразная и, при этом, практически не изучена сейсмическими методами (в литературных источниках отсутствуют сведения о глубинном строении именно этого участка, есть только данные профилей ГСЗ, проходящих севернее и южнее рассматриваемой территории).

            Еще на этапе опытных работ, возле г. Якутска, мы установили, что при суммировании по методу ОГТ большого числа сейсмограмм (несколько тысяч), на временном разрезе проявляются отражающие глубинные границы, расположенные намного глубже, чем выделяемые по стандартной сейсморазведке МОГТ, вплоть до границы Мохоровичича. Поэтому, с целью получения данных о ее строении и учитывая, что время двойного пробега отраженной близвертикально волны PотрМ составляет, в среднем, около 13 с, была увеличена длительность регистрации до 15-23 с (по техническому заданию она составляла 6 с). Кроме этого, была увеличена и дальность регистрации – до 10-20 км (вместо заданных 8 км) с целью получения длинных годографов преломленных волн. Необходимо отметить, что наличие сейсмограмм с такими удалениями приводит к дополнительному увеличению количества зондирований (а значит, увеличению соотношения сигнал/шум), что должно положительно отразиться на качестве суммирования сейсмограмм.

            Рисунок 1 – Обзорная схема речного сейсморазведочного профиля

Рисунок 2 – Схема речного сейсморазведочного профиля на физической и тектонической  топооснове

На рисунке 3 показан пример типичной сейсмограммы, получаемой при речных сейсморазведочных работах, с применением АРУ, до фильтрации и после полосовой фильтрации, в районе 246 км профиля. Видно, что целевые отраженные волны наблюдаются на временах около 1 с; на больших временах видны другие волны (поверхностные, звуковые). Как видно из представленного на рисунке 3в фрагменте временного разреза, лишь до этих времен получаются отражающие горизонты, ниже ничего нет.

На рисунке 4 показана сейсмограмма, полученная с расширенными по времени и расстояниям параметрами регистрации. Видно, что весь набор сейсмических волн наблюдается до времен в первые секунды. На больших временах мы видим лишь некоррелированный шум и воздушную звуковую волну со скоростью 340 м/c. Рассмотрим теперь, что можно получить из этого сейсмического материала после суммирования.    

Рисунок 3 – Пример сейсмического материала, получаемого при сейсморазведке МОГТ-2D в соответствии с техническим заданием. (а) – исходная сейсмограмма; (б) – после полосовой фильтрации 8-16-40-60 Гц; (в) – фрагмент получаемого временного разреза

Рисунок 4 – Пример сейсмического материала, полученного с целью изучения глубинного строения. (а) – исходная сейсмограмма; (б) – после полосовой фильтрации 3-5-10-12 Гц

На рисунке 5 показаны два разреза – построенный по результатам стандартной методики сейсморазведки МОГТ-2D (рисунок 5а) и результат обработки сейсмограмм увеличенной до 23 с длительности с целью получения отражений от глубинных слоев земной коры вплоть до поверхности Мохоровичича (рисунок 5б). Отличия в разрезах для верхней части (1-2 с) связано с различиями в параметрах цифровой обработки сейсмограмм (таблица 1).

Прежде всего, значительно отличается частотный состав – для получения отражений от глубинных горизонтов, использовалась низкочастотная часть записи (5-12 Гц). По этой причине, верхняя часть получаемого разреза не является кондиционной (в большей мере на сейсмограммах остаются низкочастотные поверхностные волны). При стандартной обработке сейсморазведочных материалов, частотный диапазон выше, в целом, от 10 Гц до 40 Гц. Поэтому верхняя часть (осадочный чехол до границы фундамента) строится достаточно хорошо, а отраженные волны от более глубинных границ (даже если рассматривать до 6 с), не суммируются, т.к. подавляются данными фильтрами.

Еще одно отличие – это увеличенная до 2000-4000 кратность. Такая высокая кратность нужна для достижения необходимого соотношения сигнал/шум на получающемся временном разрезе. Мы полагаем, что из-за очень низкой амплитуды PотрМ-волны при кратностях, например, меньше 1000 на разрезах почти ничего не видно. Высокая кратность достигается, в большей мере, за счет увеличенного до 100 м размера бина и, в меньшей мере, за счет использования в обработке увеличенных до 8-20 км удалений источник-приемник.

Скоростная модель в стандартной обработке сейсморазведочных материалов, как известно, подбирается на основе анализа спектров скоростей. При попытке определить скоростную модель для глубинных слоев, во-первых, не получается построить спектр скоростей из-за крайне низких амплитуд отраженных волн. Во-вторых, поскольку удаления источник-приемник меньше глубины до искомых границ и скорости сейсмических волн значительно выше, чем в осадочном чехле, годографы отраженных волн представляют практически горизонтальные линии, т.е. основная идея подбора скоростей для суммирования по методу ОГТ в данном случае не работает (суммирование с бесконечными кажущимися скоростями дает практически тот же результат).

Рисунок 5 – Фрагмент временного разреза, полученного по стандартной методике речной сейсморазведки МОГТ-2D (а) и в результате настоящего исследования (б)

Таблица 1 Основные параметры цифровой обработки сейсмических данных

Параметр

Значение для стандартная методика речной сейсморазведки МОГТ-2D (рисунок 6.5а)

Значение для обработки сейсмограмм с целью получения глубинного разреза до М (рисунок 6.5б)

1

Бин, м

25х2500

100х2500

2

Максимальные удаления ПП-ПВ, км

6000

8-20

3

Значения кратности

400-600

2000-4000

4

Скоростная модель для суммирования

Определялась по результатам анализа спектров скоростей и менялась вдоль профиля

0-1с: 4 км/с

2с – 6 км/с

7с – 6.2 км/с

13с – 6.5 км/с

15с и более – 6.6 км/c

5

Частотный фильтр

В целом, 10-40 Гц, с небольшими изменениями вдоль профиля

5-12 Гц

 

Таким образом, в результате экспериментальных полевых работ, выполненных сотрудниками СЕФ ФИЦ ЕГС РАН в 2018 году, получены материалы, которые могут быть использованы в дальнейшем для изучения глубинного строения на участке р. Лена от устья р. Тикян до устья р. Алдан.  Выполненная предварительная обработка дает основание полагать, что поставленная задача будет выполнена. В дальнейшем предполагается выполнить анализ (после получения результатов сводной обработки – каталогов землетрясений, зарегистрированных на территории Якутии) записей сейсмических событий на станциях, установленных вдоль сейсморазведочного профиля. Это даст информацию о скоростях сейсмических волн в среде, прежде всего, преломленных волн по поверхности Мохоровичича. Кроме этого, предполагается выполнить анализ трехкомпонентных сейсмических записей с целью изучения волн SV и SH и установления фактов присутствия анизотропных свойств геологической среды.