книги из ГПНТБ / Вольвовский И.С. Сейсмические исследования земной коры в СССР

Чрезвычайно широкое развитие глубинные сейсмические иссле­

шло иными путями, чем в СССР: оно основывалось на идеях и методах сейсмологии. В связи с этим изучение строения земной коры в зару ­ бежных странах в большинстве случаев осуществляется менее де­ тально, чем в СССР.

В социалистических странах наибольшее развитие эти исследова­ ния получили в Венгрии и Чехословакии . В Венгрии изучение земной коры при помощи специальных взрывов было начато в 1955—1956 го­ дах [93]. Первые работы проводились с применением среднечастотной аппаратуры (фиксируемые частоты 20 Гц и выше) и основыва­ лись на регистрации докритических отраженных волн. В 1958 году

(низкая чувствительность аппаратуры, слишком высокие частоты регистрируемых колебаний, невозможность взрывать заряды весом

носных 12 - канальных сейсмических станций (по своим параметрам они близки к советским серийным сейсмостанциям СС-30/60 К М П В ) . В настоящее время в Венгрии разработана и успешно применяется методика глубинных исследований, основанная на регистрации отраженных волн в области начальной точки, а т а к ж е докритических отраженных (вблизи пункта взрыва) и частично преломленных волн.

Проведенные по у к а з а н н о й методике в 1964—1966 годах в рамках международной программы [140] исследования позволили устано­

20

взрывов были начаты в 1956—1958 годах. В 1961 — 1963 годах прово­ дились работы по регистрации специальных взрывов в к а р ь е р а х [151]. Максимальное удаление точек наблюдения от пунктов взрыва при этом достигало 200 км [168]. В 1964 году начаты систематические исследования по ГСЗ в рамках международной программы [140]. Проводятся они по системе продольного непрерывного профилиро­ вания с использованием советской серийной аппаратуры (сейсмостанции СС-30/60 К М П В , сейсмографы СПЭН-1 и НС-3). Большое развитие в Чехословакии получили теоретические и модельные ис­

профилям, я в л я ю щ и м с я , ка к правило, составной частью междуна ­ родных маршрутов [140]. Работы эти выполняются по системе про­ дольного непрерывного (реже кусочно-непрерывного) профилирова­ ния с широким использованием опыта, накопленного в Советском Союзе.

В Г Д Р , кроме работ на общих международных профилях, широ ­ кое развитие при сейсморазведочных исследованиях получила по­ путная регистрация глубинных отраженных волн [321. С целью

циальных взрывов. Совместная интерпретация материалов позволила оценить глубину залегания границ раздела в земной коре и общую мощность ее, среднестатистическое значение которой дл я территории

[86].

ВСША основной объем исследований в эти годы приходится на три направления работ: а) трансконтинентальные сечения централь ­ ной части Североамериканского континента; б) изучение строения земной коры и верхней мантии в районе оз. Верхнее; в) детальное изучение земной коры восточного побережья США между Аппалачами

21

дильерами, значительного увеличения мощности земной к о р ы под

Северного Ледовитого океана, а т а к ж е разрез в западной части арктического архипелага с центром на о. Принс - Патрик . И з площадных исследований следует отметить к р у п н ы й эксперимент на оз. Верх ­

поглощенней сейсмических волн . В 1968 годы начаты детальные исследования земной коры в северо-восточной части провинции Квебек.

Итальянскими и западногерманскими геофизиками проводятся глубинные сейсмические исследования в Альпах [38, 167]. Здесь применяются различные сейсмические методы. Н а и б о л ь ш и й интерес представляют результаты регистрации сетью сейсмических станций больших промышленных взрывов и специальных взрывов в озерах, в море и в скважинах.. Наиболее подробно изучена зона Ивреа в За­ падных Альпах . Здесь по серии поперечных профилей выявлены глубокие «корни» гор (50—55 км, в прилегающих ю ж н ы х и северных предгорьях — 35—40 км), установлены волноводы в земной коре, самый н и ж н и й из которых, располагающийся непосредственно над границей Мохоровичича, характеризуется аномально низкими значениями скоростей (5 км/с) .

Глубинные сейсмические исследования во Франции проведены в основном в ее юго-восточной части, примыкающей к Альпам . Д л я этой территории французскими геофизиками построена схема глубин зале­ гания поверхности Мохоровичича [167]. В районе Лиона мощность земной коры немного больше 20 км (I). Столь т о н к а я кора на кон ­ тиненте была известна только в Паннонской впадине [157].

Работы типа ГСЗ проведены т а к ж е на Пиренейском полуострове [160], в Финляндии [160], на Британских островах [167].

22

В Японии изучение строения земной коры при помощи промы­

Д л я различных районов составлены модели земной коры и построены геолого-геофизические разрезы по р я д у региональных профилей [163].

Все перечисленные зарубежные исследования проводятся, ка к правило, по системе точечных зондирований или кусочно-непре­ рывного . (пунктирного) профилирования с получением неполных систем годографов глубинных волн при расстоянии между точками наблюдений от 5—10 до нескольких десятков километров. Пр и таких интервалах наблюдений не всегда удается достаточно надежно осуществить корреляцию глубинных волн. Часто используется методика, основанная на передвижных пунктах взрыва при непо­ движных точках наблюдений (США). Зарубежные геофизики счи­ тают, что изменение положения пункта взрыва более удобно, чем

При глубинных сейсмических исследованиях длина получаемых го ­ дографов в среднем не превышает 300—350 км (за исключением работ с использованием специальных промышленных и ядерных

пускания сейсморегистрирующего канала находится в диапазоне

их коэффициент электромеханической связи изменяется в пределах 0,5—1,0 в / с м / с . Уровень внутренних шумов аппаратуры и ее чув ­ ствительность обеспечивают регистрацию минимальных колебаний

почвы с амплитудой порядка 0,5—1,0 Â (1Â = 10~8 см), что пример ­ но соответствует 0,1—0,2 мк В — уровню внутренних шумов регист­ рирующего канала, приведенных ко входу усилителя . Пр и регист­

Вбольшинстве случаев регистрация осуществляется аналоговым

способом на магнитную пленку с частотной модуляцией сигналов. П р и перезаписи с целью достижения наиболее благоприятных усло ­ вий ведения полезных сигналов производится самая разнообразная трансформация сейсмических колебаний, которая включает в себя

23

ввода в ЭВМ д л я применения машинных способов выделения полез ­ ных сигналов.

В последние годы в США, Англии, Ф Р Г , Италии, Японии и дру ­ гих странах большое значение придается использованию динамиче ­ ских характеристик регистрируемых сейсмических сигналов. В с в я з и с этим повышенные требования предъявляются к идентичности реги ­ стрирующей аппаратуры п к ее калибровке — определению абсолют­ ной частотной характеристики сейсморегпстрирующго канала, что позволяет по видимым амплитудам волн па сейсмограммах опреде­ лять соответствующие им амплитуды колебания почвы. Это открывает новые возможности при проведении полевых наблюдений и интер­ претации экспериментальных материалов. Калибровка осуществляется по методике, аналогичной методике, применяемой в Советском Союзе (используются специальные генераторы калиброванных по амплитуде

ичастоте сигналов и вибрационные платформы высокой точности)

[126].

тальных материалов выполняется на разе использования ЭВМ и ста­ тистических методов обработки информации.

Определенными специфическими особенностями отличаются глу ­

ных колонок (разрезов) в отдельных пунктах . Морские работы в СССР

вдоль профилей. Техника наблюдений развивалась и в СССР и за рубежом примерно одинаково.

Общая особенность методики морских сейсмических исследова­ ний (и ее отличие от наземных) заключается в использовании не ­ подвижных (дрейфующих) регистрирующих станций и передвижного пункта взрыва, в применении точечных систем наблюдений и преиму­

мы встречных и нагоняющих годографов; взрывы (с постоянной вели­

2\

ю щ ая аппаратура устанавливается на корабле, гидрофон погру­

вающими и регистрирующими. Взрывные интервалы и величина

В Англии применяется методика работ с одним кораблем и радио ­

методики по сравнению с использованием двух кораблей заключается в дешевизне, отсутствии корабельных шумов и в возможности полу ­ чения многоточечных систем регистрации.

В СССР принципиально сходные конструкции радиобуев разра ­

В последние годы в СССР, Англии, США разработаны и начинают применяться автономные буи, содержащие аппаратуру дл я записи сейсмических волн без передачи информации на корабль по радио.

вещества дальность регистрации при использовании буев 70—100 км . Сухопутно-морские наблюдения проводятся в основном в мелко­

в СССР при проведении исследований ГСЗ на Каспийском (1956 год) и Черном (1961 год) морях и в районе Приморья (1964 год). Д а л ь ­ ность регистрации на суше морских взрывов (вес заряда 135 кг) достигала 250—300 км. Это большая дальность, чем при регистра­ ции взрывов на море. Аналогичная методика была использована при проведении глубинных сейсмических исследований в Канаде, в США (район оз. Верхнее), в Италии (на юге Адриатического моря) и др . В ряде случаев в п о л я р н ы х морях наблюдения осуществлялись на плавучей льдине с помощью нейтрального взвешенного гидрофона, опущенного через л у н к у , при этом взрывающий корабль передви­ гался по профилю [167].

Первые опыты по регистрации сейсмических колебаний на дне моря были проведены в США (1935—1937 годы). В настоящее время донные сейсмические наблюдения выполняются в СССР, США и Японии . Донные наблюдения (по сравнению с наблюдениями в толще воды) позволяют регистрировать наряду с продольными и поперечные волны; они меньше зависят от погоды и прочих локальных помех. Донные сейсмографы и специальные лаборатории в настоящее время дают возможность проводить сейсмические исследования на дне морей и океанов с толщиной водного слоя до 5—6 ійи. Существуют различные типы донной аппаратуры: от опускаемых на дно и

25

ХА Р А К Т Е Р И С Т И К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х

СЕ Й С М И Ч Е С К И Х М А Т Е Р И А Л О В

МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ ПРИ ГСЗі

Возбуждение колебаний

Эффективность взрывов обусловливает дальность регистрации волн, что определяет глубинность исследований. Пр и среднем (нор­ мальном) фоне микросейсм (10—100 Â) удается при взрывах 1—3 т взрывчатого вещества получить годографы преломленных волн длиной 200—300 км, что позволяет осветить глубину до 40—50 км. При большем фоне микросейсм (100 Â и более) 'требуется значительное загрубление чувствительности регистрирующей аппаратуры, которое не удается компенсировать величиной заряда [88]. В особо благо­ приятных условиях при малом фоне микросейсм (до 1—10 Â) , на­ пример, в таких районах, как К а р а к у м ы , Тянь - Шань, при тех ж е величинах зарядов или д а ж е меньших, удается повысить дальность регистрации до 400—600 км, а глубину исследования — до 70— 120 км [127]. В этом случае получают данные о строении не только

в группах с к в а ж и н [95]. Общий объем бурения при этом может до­ стигать десятков тысяч метров на одном профиле. В некоторых районах большое развитие получили взрывы в водоемах и шурфах . Однако эффективность их значительно меньше по сравнению со взрывами в с к в а ж и н а х [95] . Величина заряда для возбуждения колебаний на одних и тех ж е интервалах наблюдений может су ­

с целью оценки полноты полученных материалов и их сопоставимости между отдельньши профилями и районами. Более полно методика наблюдений при ГСЗ

27

и характер залегания пород, в которых производится взрыв, их обводненность и трещыноватость, уровень микросейсм и т. п. Б о л ь ­ шое влияние на эффективность взрыва при регистрации глубинных волн оказывают глубинные сейсмогеологические условия и, в част­ ности, мощность осадочных (рыхлых) отложений х . Во многих райо ­ нах на суше дл я регистрации колебаний на удалении в 250—350 км требуется взрывать до 1,5—3 т взрывчатых веществ; в отдельных районах вес заряда на максимальном удалении достигает 5 и даже

сейсмогеологических условиях при большом фоне помех, нѳ позво­ ляющем реализовать большие усиления аппаратуры . Пр и работах методом ГСЗ на море эффективность сравнительно небольших з а р я ­ дов (100—150 кг) значительно больше, чем на суше, при практиче­ ски полной тождественности заложения зарядов . Здесь можно по­ вышать эффективность взрыва примерно в 1,5—2,0 раза, подбирая величину заряда и глубину его погружения так, чтобы осуществля­ лось почти синфазное наложение колебаний, возбужденных взры­ вом, их отражением от поверхности моря, -и колебаний, возбуждае ­ мых повторным ударом [55, 66]. Таким образом, на море при зарядах

и т. п. Выбор оптимальных параметров систем наблюдений при этом

для среднестатистической модели континентальной коры . Пр и дли ­

т. е. в интервале регистрации внутрикоровых волн. Эти соотношения, конечно, различны в разных районах и зависят от мощностей слоев, соотношения границ, значений скоростей, частот регистрации, дли ­ тельности записи групп волн и т. д.

Регистрация волн проводится вдоль протяженных профилей. Обычно применяется продольное профилирование, при котором пункты взрыва располагаются непосредственно на линии наблюде­ ний. В случае трассирования глубинных аномальных зон или при пространственном расположении структур используется т а к ж е не-

1 На Балтийском щите, лишенном рыхлых осадочных пород, даже при взры­ вах и водоемах для получения годографа длиной 200 км требуется взрывать не более 100—300 кг взрывчатых веществ [75].

28

продольное профилирование [26]. В этом случае пункты взрыва располагаются в стороне от линии профиля . В равнинных малонасе­ ленных районах наблюдения вдоль профиля проводят непрерывно с расстоянием между сейсмографами 100—200 м. Обычно эти работы

[43]. Расстояния между пунктами взрыва при ГСЗ составляют

опорных коровых и мантийных преломленных волн [36]. В районах со сложным рельефом наблюдения ставятся только на отдельных участках профилей (кусочно-непрерывное профилирование) ил и в от­ дельных точках (точечные зондирования). Особенности применения перечисленных систем наблюдений подробно рассмотрены н и ж е .

Системы н а б л ю д е н и й 1

Основным преимуществом метода ГСЗ по сравнению с сейсмоло­ гическими методами изучения земной коры является возможность осуществлять желаемые системы наблюдений дл я прослеживания волн, связанных с любой из глубинных границ . Это позволяет ре ­ шать задачи изучения глубинного строения земной коры с необходи­ мой детальностью. Однако в связи со сложностью изучаемого объекта,

1 Раздел написан совместно с Н. Н. Пузыревым и И. П. Косминской.

29