В связи со сказанным большое значение приобретают поверхностные волны, так как они равномерно на всем пути своего распространения от эпицентра землетрясения до регистрирующей станции характеризуют упругие свойства верхней мантии, в том числе и слоя-волновода. Точность, с какой поверхностная волна позволяет определять упругие свойства среды на некоторой глубине, пропорциональна амплитуде ее смещений на этой глубине. Как правило, эта амплитуда становится пренебрежимо малой ниже глубины, равной приблизительно длине волны (в горизонтальном направлении), и остается весьма существенной лишь до глубины, равной приблизительно половине длины волны. Эта особенность поверхностных волн характеризовать свойства среды в горизонтальном направлении делает их ценным орудием рекогносцировочных исследований и упрощает методику сбора сведений о региональных особенностях среды на малых глубинах по сравнению с использованием для этой цели объемных волн землетрясений. Методы изучения верхних слоев Земли с помощью поверхностных волн связаны в основном с использованием дисперсии. Дисперсия состоит в том, что компоненты разложения волны в ряд Фурье распространяются каждая со своей фазовой скоростью, примерно равной средней взвешенной скорости поперечных волн в том диапазоне глубин, который она характеризует в соответствии со своей длиной волны. Таким образом, поскольку скорость поперечных волн сильно изменяется с глубиной, то и скорость поверхностных волн сильно изменяется в зависимости от длины волны или периода соответствующей фазы. Данные, обсуждаемые в настоящей статье, получены при анализе сейсмограмм длиннопериодных инерционных сейсмографов Пресса — Юинга и деформометров Бениоффа. Данные о скоростях волн с разными периодами, необходимые для построения дисперсионных кривых, были получены путем измерения частоты (или фазы) и соответствующего времени вступления на сейсмограммах или на сейсмограммах с цифровой записью с помощью анализа Фурье. После этого для оценки изменений скорости поперечных волн была использована тесная теоретическая связь между параметрами дисперсии (зависимость фазовой скорости от периода) и изменениями скорости поперечных волн (зависимость скорости от глубины). Наттли [8], Оливер и Дорман [10], Болт [3], Андерсон [2] и Ковач [6] приводят в своих статьях списки литературы по общим свойствам волн Рэлея и Лява и методам сбора и интерпретации данных.
Данные
Автор не ставит своей целью продолжить работу по подытоживанию литературных данных. Представляется более целесообразным собрать сводные данные по фазовым скоростям (они представлены на фиг. 1—3) для такого диапазона глубин и периодов, который позволит качественно оценить существенные особенности верхней мантии во многих районах мира. Представленный на фиг. 1—3 диапазон периодов от 20 до 300 с примерно соответствует длинам волн от 70 до 1500 км. Длина этих волн достаточно велика, чтобы они имели заметные амплитуды в области К; в то же время самые длинные из них настолько коротки, что они быстро затухают в области С. Фиг. 1—3 основаны на данных уже опубликованных таблиц и графиков. Графический материал был преобразован с помощью цифровального координатного стола, на который помещались опубликованные графики. Координаты точек на столе переводились в масштаб фиг. 1—3 на ЭВМ, после чего с помощью специального графопостроителя их последовательно наносили вдоль оси графиков (фиг. 1—3). Погрешность нанесения точек была сочтена незначительной и, вероятно, в большинстве случаев была меньше ширины проставляемого условного знака. В основном эта погрешность связана с мелким масштабом или малой густотой координатной сетки на опубликованных дисперсионных кривых, использованных в данной работе. К счастью, чтобы перенести координаты точки используемого графика на координатный стол, было достаточно трех четких пересечений координатной сетки. Таким образом, построенные фигуры позволяют надежно сопоставлять данные из разных источников.
Данные автора представлены таким образом, чтобы облегчить обсуждение существенных региональных различий в геологическом строении и физических параметрах коры и верхней мантии для конкретных районов или тектонических провинций. Сводка данных о дисперсии, составленная Оливером [9], содержит сведения не только о фазовых, но и о групповых скоростях и для более широкого диапазона периодов, чем у поверхностных волн в верхней мантии. Однако кривые Оливера соответствуют средним значениям наблюдаемой дисперсии с указанием на интервал региональных изменений. Наши кривые отражают эти изменения более конкретно, поскольку всюду обозначено, какому району соответствуют приводимые данные. Сведения о групповых скоростях здесь не приводились, так как наносимые при этом точки, отличаясь большим разбросом, замаскировали бы явно выраженные особенности отдельных тектонических провинций, выявляемые с помощью данных о фазовых скоростях. Больший разброс групповых скоростей, вероятно, обусловлен более сложной связью между слоистой средой и дисперсией групповых скоростей. К сожалению, глобальные данные по фазовым скоростям менее полны, чем по групповым. Отсутствуют сведения для однородных участков океана, за исключением впадин Тихого океана; сведения по Азии, Африке и Южной Америке очень скудны. Тем не менее различные тектонические провинции представлены сравнительно хорошо. Данные, относящиеся к коротким периодам, нанесены отдельно, чтобы охарактеризовать однородные пути волн, т. е. пути, по возможности проходящие в пределах одной тектонической провинции.
Главные особенности дисперсионных кривых
Главные черты дисперсии поверхностных волн хорошо известны и отчетливо выражены на приводимых фигурах. В рассматриваемом интервале периодов фазовые скорости возрастают вместе с периодом вследствие общего возрастания жесткости коры и верхней мантии по мере увеличения глубины. Тем не менее в середине этого интервала, на периодах от 40 до 100 с для волн Рэлея и от 60 до 150 с для волн Лява, отмечается относительно медленное возрастание или даже медленное снижение скорости поперечных волн при увеличении глубин в области В. Крутой подъем дисперсионных кривых волн Рэлея и Лява на длинных периодах обусловлен быстрым нарастанием скорости поперечных волн в области С. Для периодов более 50 с фазовые скорости волн Рэлея в океанических и континентальных областях имеют близкие значения, что обусловлено сходным строением верхней мантии под океанами и континентами. Однако, как видно на фиг. 1, при меньших периодах фазовая скорость волн Рэлея под океанами почти постоянна, а под континентами резко диспергирует, что объясняется гораздо меньшей мощностью океанической коры. Дело в том, что под континентами по мере возрастания длины волны и соответственно периода фазовая скорость волн Рэлея постепенно приближается к скорости, характерной для верхней мантии. В то же время под океанами длина даже самых коротких волн Рэлея существенно больше мощности океанической коры, и потому их скорость все время близка к скорости поперечных волн в верхней мантии.
Некоторые другие важные черты дисперсионных кривых, выявленные на фиг. 1—3, не всегда заметны. Это, во-первых, больший разброс скоростей волн Рэлея под континентами, чем под океанами, где наблюдаемые при данном периоде значения скорости сосредоточены в узком интервале. На фиг. 1—3 благодаря региональному подбору данных эта особенность подчеркнута, но она, несомненно, существует. Правда, данные по океанам в основном относятся к стабильным территориям (хотя волны, пересекающие хребет острова Пасхи, также помечены знаком «юго-восток Тихого океана»), тогда как данные по континентам соответствуют многим различным тектоническим провинциям. Однако мы можем рассмотреть лишь древние стабильные континентальные области, такие, как щиты, зона Аппалачей, платформа центральной части Северной Америки и шельф Арктики, т. е. области, отличающиеся по высоте рельефа на несколько сотен метров, что вполне сопоставимо с различием в глубине океанических впадин. Но и в этом случае разброс скоростей у дисперсионных кривых составляет не менее 0,2 км/с, т. е. больше чем вдвое превышает разброс для океанических впадин.
Дисперсионные кривые ясно указывают, что разброс скоростей, наблюдаемых под континентами, не только велик, но остается большим и при очень длинных периодах волн. Разброс скоростей волн Рэлея максимален для периодов между 20 и 30 с (достигая 0,5 км/с), что обусловлено большим количеством данных для этого интервала. Для периодов, превышающих 30 с. имеется сравнительно мало сведений по Японии, Скалистым горам, Провинции бассейнов и хребтов и Перу. Согласно им, разброс скоростей волн Рэлея с периодами от 30 до 70 с повсюду составляет около 0,3 км/с. Нижняя граница этих скоростей характеризует данные о скоростях только на пути от Штутгарта до Оропы, Италия, который частично проходит через высокогорную область Альп. Поэтому можно с уверенностью считать, что новые наблюдения укажут на еще более низкие значения скоростей и, следовательно, на расширение полосы разброса. Сходная по ширине полоса разброса скоростей установлена и для всего наблюдаемого спектра волн Лява (от 20 до 80 с), даже если не придавать значения удивительно высоким значениям скоростей, наблюдавшимся Мак-Ивилли, и тому факту, что здесь проведено меньше наблюдений.
Наблюдения, указывающие на малый разброс скоростей у дисперсионных кривых океанических областей, свидетельствуют о примечательной горизонтальной однородности коры и верхней мантии под впадинами Тихого океана. Если эти блоки коры и верхней мантии формировались вдоль срединноокеанического хребта сравнительно недавно, как того требует гипотеза раздвигания ложа океанов, то такие блоки должны быть действительно очень однородными. Таким образом, данные поверхностных волн не противоречат этой гипотезе, хотя в равной мере они согласуются и с другим предположением, а именно, что эти блоки унаследовали свою однородность от первичной коры Земли, остатками которой они являются. Последнее предположение согласуется и с хорошо известным выводом о петрографической однородности верхней мантии под океаническими впадинами, который опирается на данные о величине теплового потока. В противоположность океаническим впадинам древние области континентов, упомянутые выше, отличаются гораздо большим разнообразием, если иметь в виду скорости поверхностных волн. Это может быть следствием большей неоднородности или региональных различий, обусловленных тем, что процесс дифференциации достиг в разных континентальных областях разной степени развития.
Устойчивый разброс значений скоростей на дисперсионных кривых для континентов, сохраняющийся вплоть до больших периодов, означает, что различие между строением древних (стабильных) и молодых (орогени-ческих) континентальных областей существует не только вблизи поверхности, но проявляется и на больших глубинах в виде не менее существенных различий физических параметров среды. Судя по периодам волн, свидетельствующих об этих различиях, они проявляются до глубины не менее 200 км. Во всяком случае ясно, что важные различия сейсмических параметров в тектонически стабильных и нестабильных областях не приурочены в основном к коре и не отражаются только на мощностях коры, а проявляются и на гораздо больших глубинах.
Сопоставление дисперсионных кривых для разных тектонических провинций континентов
В Альпах дисперсионные кривые с высокими, средними и низкими фазовыми скоростями отражают пути волн по профилям, пересекающим Альпы на разных высотах. Высокие скорости получены на северной окраине Альп по профилю, пересекающему Шварцвальд и относительно низкие высоты Рейнского грабена. Средние скорости характерны для профиля, проходящего южнее через те же структуры, низкие — для профиля, пересекающего Западные Альпы и заканчивающегося в Оропе.
В противоположность этому у трех групп дисперсионных кривых для Японии, представленных на фиг. 1, обратное соотношение между топографическим уровнем местности и фазовой скоростью не выдерживается. Правда, в округе Цубу отмечаются самые большие высоты и самые низкие фазовые скорости в Японии. Однако юго-западная часть округа Канто имеет самый низкий топографический уровень из трех японских районов и промежуточные значения фазовой скорости. Кроме того, данные по округу Тохоку примечательны тем, что по ним получаются как бы пересекающиеся дисперсионные кривые. Аналогичная тенденция проявляется при сопоставления данных для Альпийского пояса и районов, где кора более стабильна. По мнению Аки, это свидетельствует о невозможности построения единой модели скоростного разреза коры и верхней мантии, которая подходила бы для всех континентальных областей и предусматривала бы только региональные изменения глубины внутренних границ.
Самые высокие фазовые скорости для континентов отмечаются на Канадском щите. Скорости волн Рэлея в Фенноскандии (равномерно поднимающаяся линия квадратов на фиг. 1, начиная со скорости 3,62 км/с при 20 с) приближаются к значениям для Канадского щита по мере возрастания периодов. Это указывает на сходство строения верхней мантии в обоих районах.
Можно сопоставлять данные о волнах Рэлея и Лява для трех районов: Финляндии. Канадского щита и внутренних центральных штатов США. Дисперсионные кривые волн Лява для этих стабильных областей не параллельны друг другу; то же самое, хотя и в меньшей степени, относится к волнам Рэлея. Следует также отметить, что разность между фазовыми скоростями волн Лява и Рэлея во внутренних центральных штатах США более чем вдвое превышает аналогичную разность в Финляндии и возрастает при увеличении периода. Данные по Канадскому щиту в этом отношении имеют промежуточный характер. Эти особенности наводят на мысль об интересных, но еще не выявленных региональных изменениях в слоистости коры и верхней мантии; возможно, они связаны с далеко идущей анизотропией упругих параметров верхней мантии. Последнему вопросу посвящено теоретическое исследование Андерсона [1].
Волны, огибающие Землю
Почти все имеющиеся данные о поверхностных волнах с периодами больше 100 с соответствуют волнам, распространяющимся на большое расстояние по смешанным (континентальных! и океаническим) путям, а в случае свободных колебаний Земли представляющих осреднение для Земли в целом. Данные о волнах Лява свидетельствуют о вариациях фазовых скоростей с диапазоном 0,1 км/с, который при возрастании периода заметно не уменьшается. Точность измерений достаточна, чтобы установить, что не у всех волн, огибающих Землю, средняя фазовая скорость одинакова. Токсоз и Андерсон [12], пользуясь данными о волнах Лява, огибающих Землю, определили дисперсионные кривые для фазовой скорости длиннопериодных волн, построив такие кривые для трех типов тектонических областей: океанов, щитовки орогенических поясов (фиг. 3). Самые низкие значения скоростей были получены для орогенических поясов, промежуточные — для океанов, самые высокие — для щитов.
Интерпретация изменений скорости поперечных волн в мантии
Три теоретические кривые, полученные Токсозом и Андерсоном [12], качественно напоминают данные о волнах Рэлея для периодов 10—70 с на фиг. 2, где фазовые скорости волн, распространяющихся под Альпами о г Штутгарта к Оропе, на 0,3 км/с меньше скоростей в районе щитов, а данные для океана имеют промежуточные значения. По приведенным на фиг. 1 и 2 данным для областей этих трех типов были построены согласующиеся с наблюдениями разрезы скоростей поперечных волн, показанные на фиг. 4. В основу интерпретации дисперсионных кривых было положено представление о слоистой среде; полученные разрезы позволяют надежно сопоставлять скорости поперечных волн в таких областях вплоть до глубин около 200 км. Разрез скоростей Канадского щита соответствует наибольшей тектонической стабильности; в то же время более резко выраженные волноводы в океаническом разрезе и особенно в Альпах говорят о большей активности вертикальных движений в этих областях. Фазовые скорости, наблюдавшиеся в Японии, хотя и относятся к очень коротким периодам, имеют наименьшее значение из всех измеренных и, таким образом, указывают, что в этой области скорость поперечных волн в мантии меньше, чем под Альпами.
Сопоставляя другие данные на фиг. 1—3, можно отметить и много других региональных различий. В конечном счете все это обусловлено различиями температуры и (или) химико-минералогического состава, которые отражаются на жесткости и плотности пород, непосредственно определяющих скорость поверхностных волн. Очевидно, что в интервале глубин от 200 до 300 км скорости поперечных волн на всех трех полученных разрезах все время возрастают. Однако, учитывая ограниченный интервал длин волн в данных по Альпам, различные методы, применявшиеся при построении разрезов, а также небольшие различия в полученных значениях скорости, следует считать, что для больших глубин положение трех кривых, определяющих эти разрезы, ненадежно.
Итак, хотя имеющихся данных недостаточно, можно предположить, что существенные региональные различия в строении Земли, видимо, выражены до глубины в несколько сотен километров. Более того, региональные изменения скорости волн в верхней мантии .могут быть не менее значительными, чем в коре. Граница М не является ни верхней, ни нижней границей изменений, а представляет собой по отношению к ним какой-то случайный раздел. Таким образом, всю область от поверхности до глубины в несколько сотен километров можно назвать активной геологической зоной.