ESTIMATION OF THE ATTENUATION OF SEISMIC WAVES BY CODA ENVELOPES IN REGIONS WITH DIFFERENT GEODYNAMIC REGIMES ON THE EXAMPLE OF THE TIEN SHAN AND THE BAIKAL RIFT

Evaluation of seismic wave attenuation parameters (Q-factor and frequency parameter) in the lithosphere of the Tien Shan and the Baikal rift was carried out using coda waves of regional earthquakes. Comparison of obtained quality factor values shows that attenuation in the lithosphere of the Tien Shan is stronger than in the Baikal rift. It can be explained by a higher level of heterogeneity of medium

ОЦЕНКА ЗАТУХАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ПО ОГИБАЮЩЕЙ КОДЫ В ЛИТОСФЕРЕ РЕГИОНОВ С РАЗНЫМ ГЕОДИНАМИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ НА ПРИМЕРЕ ТЯНЬ-ШАНЯ И БАЙКАЛЬСКОГО РИФТА

Evaluation of seismic wave attenuation parameters (Q-factor and frequency parameter) in the lithosphere of the Tien Shan and the Baikal rift was carried out using coda waves of regional earthquakes. Comparison of obtained quality factor values shows that attenuation in the lithosphere of the Tien Shan is stronger than in the Baikal rift. It can be explained by a higher level of heterogeneity of medium. С использованием коды региональных землетрясений получены оценки характеристик затухания сейсмических волн (добротность и частотный параметр) в литосфере Тянь-Шаня и Байкальского рифта. Сопоставление полученных зависимостей добротности от частоты показывает, что затухание сейсмических волн выше в литосфере Тянь-Шаня, что может объясняться большей раздробленностью и неоднородностью среды по сравнению с Байкальским рифтом.

VIBROSEISMIC INVESTIGATIONS OF THE BAIKAL RIFT ZONE WITH A POWERFUL CVO-100 VIBRATOR

The article provides an overview of vibroseismic studies carried out in the Baikal rift zone using LargeScale Research Facilities – a powerful CVO-100 seismic vibrator, installed at the South Baikal geodynamic test site SB RAS. Research is carried out according to several methods focused on different tasks: study of the structure of the Earth’s crust and upper mantle in the BRZ, active vibroseismic monitoring, and verification of velocity models of the Earth’s crust. To study the structure of the Earth’s crust and the upper mantle, there were done the vibrator-generated wavefield recordings at the stationary regional network of seismic stations in the Buryat and Baikal branches of the Federal Research Center of the GS RAS, as well as the experimental studies involving the mobile networks deployment (ICMMG SB RAS, SIPE RAS, GIN SB RAS). The aim of the work is to carry out deep vibroseismic sounding of the Earth’s crust (vibro-DSS) at the junction of the Siberian platform, the BRZ and the Sayan-Baikal folded area. The methodology is based on the study of vibration seismograms with the determination of arrival times of the main groups of waves and their correlation with the velocity models of the Earth’s crust in the BRZ. A CVO-100 vibrator and a regional network of seismic stations are used to carry out active vibroseismic monitoring of the southern part of the BRZ. The active monitoring area is about 500×200 km. During vibroseismic monitoring, there were done thorough studies of seasonal variations of the vibrator-generated wavefield and the development of techniques for spectral correction of seismograms. A seismic vibrator CVO-100 was used to carry out experimental verification of the velocity models of the Earth’s crust, developed based on the BEST and PASSCAL experimental data. The vibrational deep seismic sounding (vibro-DSS) on the Baikal – Ulan Bator profile was carried out by the ICMMG SB RAS, GIN SB RAS and BB FRC GS RAS (Russia) in cooperation with IAG MAN (Mongolia)

ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ С МОЩНЫМ ВИБРАТОРОМ ЦВО-100

The article provides an overview of vibroseismic studies carried out in the Baikal rift zone using LargeScale Research Facilities – a powerful CVO-100 seismic vibrator, installed at the South Baikal geodynamic test site SB RAS. Research is carried out according to several methods focused on different tasks: study of the structure of the Earth’s crust and upper mantle in the BRZ, active vibroseismic monitoring, and verification of velocity models of the Earth’s crust. To study the structure of the Earth’s crust and the upper mantle, there were done the vibrator-generated wavefield recordings at the stationary regional network of seismic stations in the Buryat and Baikal branches of the Federal Research Center of the GS RAS, as well as the experimental studies involving the mobile networks deployment (ICMMG SB RAS, SIPE RAS, GIN SB RAS). The aim of the work is to carry out deep vibroseismic sounding of the Earth’s crust (vibro-DSS) at the junction of the Siberian platform, the BRZ and the Sayan-Baikal folded area. The methodology is based on the study of vibration seismograms with the determination of arrival times of the main groups of waves and their correlation with the velocity models of the Earth’s crust in the BRZ. A CVO-100 vibrator and a regional network of seismic stations are used to carry out active vibroseismic monitoring of the southern part of the BRZ. The active monitoring area is about 500×200 km. During vibroseismic monitoring, there were done thorough studies of seasonal variations of the vibrator-generated wavefield and the development of techniques for spectral correction of seismograms. A seismic vibrator CVO-100 was used to carry out experimental verification of the velocity models of the Earth’s crust, developed based on the BEST and PASSCAL experimental data. The vibrational deep seismic sounding (vibro-DSS) on the Baikal – Ulan Bator profile was carried out by the ICMMG SB RAS, GIN SB RAS and BB FRC GS RAS (Russia) in cooperation with IAG MAN (Mongolia). В статье приведен обзор вибросейсмических исследований, выполняемых в Байкальской рифтовой зоне с использованием уникальной научной установки – мощного сейсмического вибратора ЦВО-100, установленного на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне СО РАН. Работы проводятся по нескольким методикам, ориентированным на решение различных задач: исследование структуры земной коры и верхней мантии в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ), активный вибросейсмический мониторинг, верификацию скоростных моделей земной коры. Для изучения структуры земной коры и верхней мантии проводится регистрация волнового поля вибратора на стационарной региональной сети сейсмостанций Бурятского и Байкальского филиалов ФИЦ ЕГС РАН, а также экспериментальные исследования с развертыванием мобильных сейсмических групп (ИВМиМГ СО РАН, ИФЗ РАН, ГИН СО РАН). Целью работ является проведение глубинного вибросейсмического зондирования земной коры (вибро-ГСЗ) в зоне сочленения Сибирской платформы, БРЗ и Саяно-Байкальской складчатой области. Основу методики составляет изучение вибрационных сейсмограмм с определением времен прихода основных групп волн и их увязка со скоростными моделями земной коры в БРЗ. С использованием вибратора ЦВО-100 и региональной сети сейсмических станций проводится активный вибросейсмический мониторинг южной части БРЗ. Область активного мониторинга составляет примерно 500×200 км. При проведении вибросейсмического мониторинга были детально исследованы сезонные вариации волнового поля вибратора и разработаны методики спектральной коррекции сейсмограмм. С использованием сейсмического вибратора ЦВО-100 была выполнена экспериментальная часть работ по верификации скоростных моделей земной коры, построенных по данным экспериментов BEST и PASSCAL. Работы по вибро-ГСЗ на профиле Байкал – Улан-Батор проводились ИВМиМГ СО РАН, ГИН СО РАН, Бурятским филиалом ФИЦ ЕГС РАН (Россия) совместно с ИАГ МАН (Монголия).

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ЗАТУХАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ЮЖНОБАЙКАЛЬСКОЙ ВПАДИНЕ И ПРИЛЕГАЮЩИХ ОБЛАСТЯХ (БАЙКАЛЬСКИЙ РИФТ)

Our detailed study of the crust and upper mantle of the South Baikal basin focused on seismic coda and seismic S-waves attenuation and estimated seismic quality factor (QS and QC), frequency parameter (n), attenuation coefficient (δ), total attenuation (QT), and the ratio of two components the total attenuation: intrinsic attenuation (Qi), and attenuation due to scattering caused by the inhomogeneities of the medium (QSC). We calculated the sizes of inhomogeneities revealed in the block medium, which put their effect on the attenuation of seismic waves in different frequency ranges. The seismic wave attenuation field was analyzed in comparison with the geological and geophysical characteristics of the medium, and a direct relationship was established between attenuation, composition and active processes in the crust and upper mantle of the studied area. According to the estimated intrinsic attenuation (Qi) and scattering attenuation (QSC) contributions into the total attenuation, intrinsic attenuation is generally dominant in the studied area, while the QSC component increases in the areas of large active faults.Получены детальные оценки затухания S-волн и коды в земной коре и верхней мантии Южнобайкальской рифтовой впадины: значения сейсмической добротности (QS и QC), частотного параметра (n), коэффициента затухания (δ), общего затухания (QT), а также проведена оценка вклада двух компонент затухания – внутреннего затухания (Qi) и затухания вследствие рассеяния на неоднородностях среды (QSC) – в общее затухание. Оценены размеры неоднородностей блоковой среды, оказывающих влияние на затухание сейсмических волн в различных частотных диапазонах. Сравнительный анализ поля затухания сейсмических волн игеолого-геофизических характеристик среды показывает существование прямой связи между затуханием, составом и активными процессами в земной коре и мантии региона. Оценка вклада внутреннего затухания (Qi) и затухания вследствие рассеяния сейсмических волн на неоднородностях среды (QSC) в общее затухание для рассматриваемого региона в целом выявила доминирующую роль внутреннего затухания при увеличении вклада рассеянной компоненты затухания Qsc в областях крупных активных разломов.

КОРА И МАНТИЯ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ ПРИЕМНЫХ ФУНКЦИЙ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН

We have obtained P-wave and S-wave receiver functions for 10 broadband seismograph stations in the Baikal rift zone (BRZ) and inverted them for seismic velocity models of the crust and upper mantle. The thinnest crust (30–35 km) is found in the Baikal basin, the thickest in the East Sayan uplift (45–50 km). Intermediate values (40 km) are found in the BRZ at distances around 100 km from Lake Baikal. A high (at least 1.8) Vp/Vs ratio is observed in the middle and lower crust. It exceeds 2.0 at some stations. In our opinion, the highest Vp/Vs ratios are due to fluid-filled porosity with a high pore pressure. The seismic lithosphere – asthenosphere boundary (LAB) is manifested by a shear velocity drop from 4.5 km/s to 4.0–4.2 km/s. Beneath the Baikal basin, the LAB is located at a depth not more than 50 km, and the S velocity drop is maximal (10 %). A similar structure is found outside the basin, underneath a segment of the East Sayan uplift. At other locations in the BRZ, a typical depth of the LAB varies from 80 to 90 km. Having considered changes in the depth of the 410 km seismic discontinuity, we cannot find any evidence of an elevated temperature of a hypothetical thermal plume beneath the BRZ. Для десяти широкополосных сейсмических станций в Байкальской рифтовой зоне получены приемные функции продольных и поперечных волн и выполнено их совместное обращение в скоростные разрезы. Самая тонкая кора (30–35 км) приурочена к Байкальской впадине, самая толстая – к Восточному Саяну (45–50 км). Промежуточные значения (около 40 км) получены в БРЗ на удалениях около 100 км от Байкала. В средней и нижней коре систематически наблюдается высокое (не менее 1.8) отношение скоростей Vp/Vs, которое на нескольких станциях превышает 2.0. Самые высокие значения мы объясняем присутствием флюида с высоким поровым давлением. Сейсмическая граница литосфера – астеносфера проявляется падением скорости поперечных волн с глубиной от 4.5 до 4.0–4.2 км/с. Под Байкальской впадиной эта граница находится на глубинах, не превышающих 50 км, и понижение скорости поперечных волн в астеносфере достигает максимальных значений (около 10 %). За пределами Байкальской впадины сходная структура наблю­дается под частью Восточного Саяна. В остальных случаях характерное значение глубины границы лито­сфера – астеносфера составляет 80–90 км. Повышение температуры в гипотетическом мантийном плюме под БРЗ по изменению глубины 410-километровой сейсмической границы не обнаружено

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

The article discusses a comparison of theoretical seismograms for two velocity models of the Earth's crust and P-wave arrival times estimated from experimental vibration seismograms for the 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. The theoretical seismograms were obtained by mathematical simulation of wave fields using the Earth's crust velocity models based on the data of the BEST and PASSCAL experiments. Vibration seismograms were obtained by measuring the wave field of a CVO-100 vibrator in the SB RAS Southern Baikal polygon. In the experiments, the vibration seismograms show that arrival times in the P-wave group correspond to the values for waves of large amplitudes in the theoretical seismograms. The P-wave arrival times in the theoretical seismograms of the BEST experiment are compared to the values in the experimental vibration seismograms for the 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. This comparison shows that the arrival times of maximum amplitude waves correspond to the theoretical hodographs of waves with velocities of 6.25–6.80 km/sec in the BEST experiment velocity model. At the same time, the experimental data set does not contain arrival times corresponding to longitudinal waves with Vp=7.25 km/sec, which are related to an assumed layer (more than 10 km thick) in the lower crust for the BEST experiment velocity model. In the experiments, the P-wave arrival times in the vibration seismograms correspond to the P-wave arrival times in the theoretical seismograms of the PASSCAL experiment throughout the entire 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. It is thus confirmed that the average values of the wave velocities in the PASSCAL velocity model have been reliably estimated. It should be noted that the experimental values of the arrival times of the first wave in the P-wave group are in agreement with the first arrival times in the hodographs of the theoretical seismograms for the velocity model in the PASSCAL experiment considering the distances from the source in a range of 65–380 km.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

SPATIAL VARIATIONS OF SEISMIC WAVE ATTENUATION IN THE SOUTH BAIKAL BASIN AND ADJACENT AREAS (BAIKAL RIFT)

Our detailed study of the crust and upper mantle of the South Baikal basin focused on seismic coda and seismic S-waves attenuation and estimated seismic quality factor (QS and QC), frequency parameter (n), attenuation coefficient (δ), total attenuation (QT), and the ratio of two components the total attenuation: intrinsic attenuation (Qi), and attenuation due to scattering caused by the inhomogeneities of the medium (QSC). We calculated the sizes of inhomogeneities revealed in the block medium, which put their effect on the attenuation of seismic waves in different frequency ranges. The seismic wave attenuation field was analyzed in comparison with the geological and geophysical characteristics of the medium, and a direct relationship was established between attenuation, composition and active processes in the crust and upper mantle of the studied area. According to the estimated intrinsic attenuation (Qi) and scattering attenuation (QSC) contributions into the total attenuation, intrinsic attenuation is generally dominant in the studied area, while the QSC component increases in the areas of large active faults

Research and verification of the earth’s crust velocity models by mathematical simulation and active seismology methods

The article discusses a comparison of theoretical seismograms for two velocity models of the Earth's crust and P-wave arrival times estimated from experimental vibration seismograms for the 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. The theoretical seismograms were obtained by mathematical simulation of wave fields using the Earth's crust velocity models based on the data of the BEST and PASSCAL experiments. Vibration seismograms were obtained by measuring the wave field of a CVO-100 vibrator in the SB RAS Southern Baikal polygon. In the experiments, the vibration seismograms show that arrival times in the P-wave group correspond to the values for waves of large amplitudes in the theoretical seismograms. The P-wave arrival times in the theoretical seismograms of the BEST experiment are compared to the values in the experimental vibration seismograms for the 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. This comparison shows that the arrival times of maximum amplitude waves correspond to the theoretical hodographs of waves with velocities of 6.25–6.80 km/sec in the BEST experiment velocity model. At the same time, the experimental data set does not contain arrival times corresponding to longitudinal waves with Vp=7.25 km/sec, which are related to an assumed layer (more than 10 km thick) in the lower crust for the BEST experiment velocity model. In the experiments, the P-wave arrival times in the vibration seismograms correspond to the P-wave arrival times in the theoretical seismograms of the PASSCAL experiment throughout the entire 400-km long section of the Baikal–Ulaanbaatar profile. It is thus confirmed that the average values of the wave velocities in the PASSCAL velocity model have been reliably estimated. It should be noted that the experimental values of the arrival times of the first wave in the P-wave group are in agreement with the first arrival times in the hodographs of the theoretical seismograms for the velocity model in the PASSCAL experiment considering the distances from the source in a range of 65–380 km

CRUST AND MANTLE OF THE BAIKAL RIFT ZONE FROM P- AND S-WAVE RECEIVER FUNCTIONS

We have obtained P-wave and S-wave receiver functions for 10 broadband seismograph stations in the Baikal rift zone (BRZ) and inverted them for seismic velocity models of the crust and upper mantle. The thinnest crust (30–35 km) is found in the Baikal basin, the thickest in the East Sayan uplift (45–50 km). Intermediate values (40 km) are found in the BRZ at distances around 100 km from Lake Baikal. A high (at least 1.8) Vp/Vs ratio is observed in the middle and lower crust. It exceeds 2.0 at some stations. In our opinion, the highest Vp/Vs ratios are due to fluid-filled porosity with a high pore pressure. The seismic lithosphere – asthenosphere boundary (LAB) is manifested by a shear velocity drop from 4.5 km/s to 4.0–4.2 km/s. Beneath the Baikal basin, the LAB is located at a depth not more than 50 km, and the S velocity drop is maximal (10 %). A similar structure is found outside the basin, underneath a segment of the East Sayan uplift. At other locations in the BRZ, a typical depth of the LAB varies from 80 to 90 km. Having considered changes in the depth of the 410 km seismic discontinuity, we cannot find any evidence of an elevated temperature of a hypothetical thermal plume beneath the BRZ