Затухание сейсмических волн в литосфере Байкальского рифта по данным подземных ядерных взрывов

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Иркутской области, проект № 17-45-388049.

В течение 1976–1987 гг. в бывшем Советском Союзе на территории Иркутской области и Забайкальского края (Восточная Сибирь) и республики Саха было произведено 10 мирных подземных ядерных взрывов (рис. 1) [5]. Взрывы на территории Иркутской области и Забайкальского края были произведены с научной целью, они вошли в состав сверхдлинных профилей глубинного сейсмического зондирования «Рифт» и «Метеорит» (3 взрыва) [6]. Остальные 7 взрывов, локализованные на юго-западе республики Саха, имели коммерческое применение (увеличение добычи нефти, строительство нефтехранилища и пр.) [7]. Мощность взрывов варьировала от 3.2 до 15.0 кт (1 килотонна (кт) ТНТ = 4.184·1012 Дж).

01

Рисунок 1. Положение эпицентров подземных ядерных взрывов (звездочки) и сейсмических станций Байкальской сети (треугольники). Сибирская платформа выделена темным. Положение сверхдлинных сейсмических профилей «Рифт» и «Метеорит» показано желтыми линиями. Цифры: 1 – граница между Сибирской платформой и Саяно-Байкальской складчатой областью, 2–4: разломы: 2 – сбросы, 3 – сдвиги, 4 – взбросы и надвиги.

В период проведения ядерных взрывов сейсмический мониторинг на исследуемой территории проводился на базе Института земной коры Сибирского отделения Академии наук СССР Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедицией (в настоящее время – Байкальский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук»). В период 1976–1987 гг. сеть состояла из 20 постоянных и 12 временных аналоговых сейсмических станций (рис. 1). Станции сети были оснащены короткопериодной (СКМ, СКМ-3, СМ3, ВЭГИК) и долгопериодной (СКД,) аппаратурой. Регистрация сейсмических событий велась в непрерывном режиме с фиксацией на фотобумагу, скорость развертки в зависимости от типа прибора составляла 1 и 2 мм/с (рис. 2). Расстояния от эпицентров взрывов до сейсмических станций варьируются в пределах 250–1410 км.

02

Рисунок 2. Пример аналоговой сейсмограммы, взрыв «Нева 2-1», сейсмическая станция Неляты, эпицентральное расстояние 580 км. Пунктиром показаны времена прихода основных сейсмических фаз: Pn, Pg, Sn и Sg.

Аналоговые записи ядерных взрывов предварительно сканировались с разрешением не менее 600 dpi и при необходимости корректировались и очищались от загрязнений, возникших в результате длительного хранения. Для оцифровки сейсмограмм использовалась программа «WaveTrack 1.0», разработанная Новосибирским региональным центром геоинформационных технологий (рис. 3).

03

Рисунок 3. Пример оцифрованной записи ядерного взрыва «Ока», станция Монды, D~1300 км (вверху) и ее СВАН-диаграмма (внизу). На врезке показан частотный состав записи.

Оцифровка графиков амплитудно-частотных характеристик приборов выполнялась в программе GetData Graph Digitizer. Полученные цифровые сейсмограммы и амплитудно-частотные характеристики приборов в дальнейшем будут использованы для расчета сейсмической энергии и магнитуд взрывов, а также для детального спектрального анализа.

В рамках проведенных работ начато формирование базы данных, включающей в себя каталоги, бюллетени и оцифрованные волновые формы подземных ядерных взрывов, произведенных в течение 1976-1987 гг. в бывшем Советском Союзе на территории Иркутской области и Забайкальского края (Восточная Сибирь) и республики Саха и зарегистрированных Байкальской региональной сетью сейсмических станций.

В ряде публикаций, а также на сайте Международного сейсмологического центра приводятся координаты и глубины подземных ядерных взрывов, определенные разными способами: геодезическим [5], сейсмическим (по телесейсмическим данным сейсмологических агентств мира), поиск мест взрывов (шахт) на местности [9], а для взрывов, входящих в состав сверхдлинных профилей «Рифт» и «Метеорит» (см. рис. 1), также по архивным данным [6]. Для каждого взрыва имеется от 6 до 9 различных определений параметров очага. Координаты эпицентров и глубины, время в очаге, а также магнитуды событий могут очень сильно различаться (различия в координатах могут составлять несколько градусов, а глубины варьируются от 0 до 38.3 км).

Для исследуемых взрывов по аналоговым сейсмограммам определялись времена прихода основных региональных сейсмических фаз: Pg, Pn, Sg и Sn. Полученные времена прихода использовались для релокализации эпицентров взрывов. В настоящей работе релокализация эпицентров выполнялась с помощью программы «HYPOICENTER» [10], использовались скоростные модели, полученные для Сибирского кратона и складчатой области на сверхдлинных профилях «Рифт» и «Метеорит» [6]. Для взрывов на территории республики Саха релокализация проводилась по данным всех станций сети, а также с учетом времен приходов сейсмических волн только на станции, локализованные на северо-восточном фланге. При расчете глубины гипоцентров фиксировались к глубинам, приведенным в [5]. В результате релокализации эпицентров взрывов получены координаты и время в источнике. Отклонение по времени варьируется в пределах от 0.5 до 5.2 секунд, смещение координат эпицентра в отдельных случаях может достигать ~40 км относительно координат, опубликованных в каталоге [5].

Значительные отклонения во времени в очаге и ошибки в определении эпицентров, полученные при релокализации подземных ядерных взрывов по данным Байкальской региональной сети станций, могут объясняться как односторонним расположением и удаленностью сейсмических станций, так и неудовлетворительной скоростной моделью среды, выбранной для расчетов. Сопоставление реальных времен прихода сейсмических волн от ядерных взрывов на территории республики Саха с теоретическими показало, что для коровых продольных волн Pg наблюдается запаздывание во временах прихода, в то время как для верхнемантийных волн Pn и Sn, наоборот, наблюдаются более ранние приходы (рис. 4). Для волны Sg теоретические и наблюдаемые времена прихода совпадают. Это также свидетельствует о том, что реальная скоростная структура на трассе от эпицентров взрывов до Байкальского рифта может значительно отличаться от выбранной модели.

04

Рисунок 4. Наблюдаемые и теоретические (толстые прямые) времена прихода продольных (слева) и поперечных (справа) сейсмических волн от ядерных взрывов. По вертикали – время пробега волны до сейсмической станции в сек., по горизонтали – расстояние в км.

Проблема выбора модели осложняется тем, что трасса «источник – приемник» проходит через две тектонические структуры – консолидированный Сибирский кратон и Саяно-Байкальскую складчатую область, отличающуюся высокой степенью неоднородности. Возможным решением проблемы с выбором скоростной модели может быть инверсия невязок времен прихода сейсмических волн от взрывов с использованием заверенных на местности координат и глубин взрывов по данным [9].

Для определения годографа также использовались данные о временах прихода сейсмических волн на региональные станции. Построение региональных годографов и расчет средних скоростей сейсмических волн были выполнены по временам прихода основных сейсмических волн (прямые и отраженные от границы Мохо продольные и поперечные объемные волны – Pg, Pn, Sg, Sn). На рисунке 5 показан полученный годограф для всего исследуемого региона. Согласно этим данным, средние скорости сейсмических волн в коре составляют для продольных волн VPn = 8.25±0.03 км/с, VPg = 6.12±0.03 км/с, а для поперечных – VSn = 4.57±0.03 км/с, VSg = 3.58±0.02 км/с.

Структурами первого порядка на территории исследуемого региона являются архей-протерозойский Сибирский кратон и Саяно-Байкальская складчатая область. Кайнозойская Байкальская рифтовая система накладывается на обе эти древние структуры (см. рис. 1). Вместе со Алдано-Становой подвижной областью Байкальской рифтовой системы представляет активную внутриплитную границу между Евразийской и Амурской литосферными плитами. Исследования скоростного строения коры и верхней мантии методами глубинного сейсмического зондирования выявили существование низкоскоростного слоя в верхней коре Байкальского рифта [11]. Согласно данным глубинного сейсмического зондирования [11], область с аномально низкой скоростью на поверхности мантии (VР=7.6–7.8 км/с, VS=4.3 км/с) наблюдается на обширной территории под Саяно-Байкальской складчатой областью, под Сибирским кратоном расположена нормальная мантия со скоростями сейсмических волн VР=8.0–8.1 км/с, VS=4.55 км/с. По результатам инверсии невязок времен пробега Р-волн на станциях региональной сети под северо-восточным флангом Байкальского рифта также наблюдается понижение скоростей сейсмических волн, обусловленное тепломассопереносом из-под Сибирского кратона [12]. Согласно результатам глубинного сейсмического зондирования [11] и результатам интеграции данных сейсмической томографии [13], толщина земно коры варьируется в пределах 35–42 км под Байкальской впадиной, 43–55 км под горными поднятиями северо-восточного фланга Байкальского рифта и 36–43 км под Сибирским кратоном.

05

Рисунок 5. Годограф региональных фаз сейсмических волн на основе данных подземных ядерных взрывов.

В целом, скорости сейсмических волн в коре и верхней мантии региона, полученные в настоящей работе, достаточно хорошо согласуются с результатами исследований скоростного строения Байкальского рифта и окружающих территорий. В частности, полученные значения скоростей продольных волн в верхней мантии (VPn=8.25 км/с) достаточно хорошо соответствуют значениям скоростей на границе Мохо (8.0 км/с), определенным по результатам сейсмического профилирования в Байкальском рифте (сверхдлинные профили «Рифт» и «Метеорит») [6]. Скорости поперечных Sn волн хорошо согласуются с результатами инверсии приемных функций – VS=4.4–4.5 км/с [12]. Пониженные значения скоростей в мантии Байкальской рифтовой системы относительно кратона отражают результаты проявления активных деформаций литосферы в зоне современной межплитной границы между Евразией и Амурской плитой.

По записям подземных ядерных взрывов, полученным на региональных сейсмических станциях Якутской сети (серия «Нева»), ранее в работах предшественников были определены скорости P и S волн в коре и верхней мантии Сибирского кратона: Pn=8.313 км/с, Pg=6.158 км/с, Sn=4.695 км/с и Sg=3.594 км/с [7] и Pn=8.27 км/с, Pg=6.20 км/с, Sn=4.67 км/с и Sg=3.55 км/с [14]. Видно, что значения скоростей сейсмических волн в верхней мантии, полученные в настоящей работе для тех же событий по станциям Байкальского региона, значительно ниже: на ~0.2–0.8 % для Р волн и на ~0.4–2.7 % для S волн, а в коре, напротив, выше – ~0.6–1.3 %. Такое пространственное распределение скоростей сейсмических волн хорошо согласуется с моделью SibCrust: для территории Сибирского кратона скорости Рn волн равны ~8.2 км/с, средняя кора характеризуется пониженными скоростями Р-волн (до 5.2 км/с), в кристаллическом коровом фундаменте VPg=6.6 км/с; для Саяно-Байкальской складчатой области отмечается понижение сейсмических скоростей в мантии до 8.1 км/с, а в коре и фундаменте, наоборот, повышение – VPg=5.8–6.7 км/с [13].

Низкая скорость сейсмических волн указывает на существование региональной низкоскоростной аномалии под корой. Ранее, существование аномально низкой скорости сейсмических волн под границей Мохо было установлено по данным глубинного сейсмического зондирования [11]. Также, слой с высоким затуханием сейсмических волн под корой северо-восточного фланга Байкальского рифта наблюдается согласно результатам расчетов сейсмической добротности [15]. Существование такого слоя может быть связано с возможным частичным плавлением материала под корой северо-восточного фланга Байкальской рифтовой системы [16].

В результате первичной обработки аналоговых сейсмограмм подземных ядерных взрывов, зарегистрированных Байкальской сетью сейсмических станций на расстояниях от 249 до 1407 км, получены данные о временах прихода сейсмических волн Pn, Pg, Sn и Sg. Выполнена релокализация эпицентров ядерных взрывов с использованием региональных скоростных моделей. Построены региональные годографы прямых и отраженных от границы Мохо продольных и поперечных волн, которые могут быть использованы в дальнейшем для локализации региональных землетрясений и промышленных взрывов на севере региона. Определены скорости сейсмических волн в коре и мантии. По полученным данным хорошо фиксируются пониженные скорости в верхней мантии и высокие – в коре.

Использованная литература

  1. Добрынина, А.А. Добротность литосферы и очаговые параметры землетрясений Прибайкалья / А.А. Добрынина, В.В. Чечельницкий, В.А. Саньков СПб: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 192 с.
  2. Hammond, W.C. Upper mantle seismic wave velocity: Effects of realistic partial melt geometries / Hammond W.C., E.D. Humphreys // Journal of geophysical research. 2000. V. 105(B5). P. 10975–
  3. Romanowicz, B. On the measurement of anelastic attenuation using amplitudes of low frequency surface waves / Phys. Earth Pla Int., 1994. № 84. Р. 179–192.
  4. Копничев, Ю. Ф. Новые данные о строении верхней мантии Байкальской рифтовой системы / Ю. Ф. Копничев // ДАН. 991. Т. 325. № 5. С. 944–949.
  5. Sultanov, D.D. A seismic source summary for Soviet peaceful nuclear explosions / D.D. Sultanov, J.R. Murphy, Kh.D. Rubinstein // Bull. Seismol. Soc. Am. 1999. V. 89 (3). P. 640–647.
  6. Pavlenkova, G.A. Upper mantle structure of the Northern Eurasia from peaceful nuclear explosion data / G.A. Pavlenkova, N.I. Pavlenkova // Tectonophysics. 2006. № 416. Р. 33–52.
  7. Mackey, K.G. Seismic characterization of Northeast Asia and analysis of the Neva peaceful nuclear explosions / K.G. Mackey, K. Fujita, H.E. Hartse, L.K. Steck, R.J. Stead // The 27th Seismic Research Review: Ground-Based Nuclear Explosion Monitoring Technologies. 2005. P. 61–
  8. Быкова, В.В. О частотной характеристике сейсморегистрирующей системы: нули и полюса передаточной функции / В.В. Быкова, С.С. Арефьев // Сейсмические приборы. Т. 30. С. 15-21
  9. Mackey, K.G. Improvement of GT classification of Soviet PNEs / K.G. Mackey, K. Fujita, A. Abishev, E. Bergman // NNC RK Bulletin. № 2(66). P. 123–127.
  10. Lienert, B. HYPOCENTER: An earthquake location method using centered, scaled, and adaptively least squares / B. Lienert, E. Bery, L.N. Frazer // Bull. Seism. Soc. Am. 1986. V. 76. P. 771–783.
  11. Крылов, С.В. Недра Байкала (по сейсмическим данным) / С.В. Крылов, M.M. Мандельбаум, Б.П. Мишенькин, З.Р. Мишенькина, Г.В. Петрик, В.С. Селезнев. Москва: Наука, 1981. 105 с.
  12. Мордвинова, В.В. Строение земной коры и верхней мантии Центральной Азии на основе телесейсмических объемных волн / В.В. Мордвинова. Афтореферат на соискание степени доктора геол.-мин. наук, Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 2009. 50 с.
  13. Cherepanova, Y. Crustal structure of the Siberian craton and the West Siberian basin: An appraisal of existing seismic data / Y. Cherepanova, I.M. Artemieva, H. Тhybo, Z. Chemia // Tectonophysics. 2013. № 609. Р. 154–183.
  14. Burkhard, K.M. Peaceful Nuclear Explosion Seismogram Analysis: Constraining the Velocity Structure of Eastern Siberia / K.M. Burkhard, Z.T. Eriksen, K.G. Mackey // 2016 AGU Fall Meeting. 2016. T43B-3047. (http://abstractsearch.agu.org/meetings/2016/FM/T43B-3047).
  15. Добрынина, А.А. Новые данные о затухании сейсмических волн в литосфере и верхней мантии северо-восточного фланга Байкальской рифтовой системы / А.А. Добрынина, В.А. Саньков, В.В. Чечельницкий // Доклады академии наук. 2016. Т. 468, № 1. С. 88–92.
  16. Pospeev, A.V. The velocity structure of the upper mantle and regional deep thermodynamics of the Baikal rift zone / A.V. Pospeev // Geodynamics & Tectonophysics. 2012. № 3(4). Р. 377–383.
  17. Engdahl, E.R. Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures / E.R. Engdahl, R.D. van der Hilst, R. Buland // Bull. Seis. Soc. Amer. 1998. V. 88. Р. 722–743.

 

Список публикаций по проекту

Добрынина А.А., Чечельницкий В.В., Саньков В.А. Предварительные результаты анализа сейсмограмм мирных ядерных взрывов в Восточной Сибири и республике Саха на основе данных Байкальской сети сейсмических станций // Актуальные проблемы науки Прибайкалья. Выпуск 2. 2017 г. / Отв. ред. И.В. Бычков, А.Л. Казаков. – Иркутск: Изд-во Ин-та географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2017. – С. 98–102.

Dobrynina A.A.,  Sankov V.A., Chechelnitsky V.V. Peaceful nuclear explosions in Eastern Siberia and the republic of Sakha on the base of Baikal regional seismic data // Abstracts of the Forth International Conference on Continental Earthquakes “Continental Earthquakes: Living with Sesimic Risk” with the 12th General Assembly of Asian Seismological Commission. № 0000000191. 2018.

Dobrynina A., Sankov V. and Chechelnitsky V. Peaceful nuclear explosions in Eastern Siberia and the republic of Sakha on the base of Baikal regional seismic data // Geophysical Research Abstracts. Vol. 20, EGU2018-2150, 2018. EGU General Assembly 2018.

Dobrynina A., Sankov V. and Chechelnitsky V. Velocity structure of the Siberian platform on the base of the peaceful nuclear explosion data // Abstracts of the 36th General Assembly of European Seismological Commission. ESC2018-S8-63. 2018.