Динамика вулканических извержений и ее проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, доктор физико-математических наук Фирстов, Павел Павлович

• Фирстов, Павел Павлович
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Фирстов, Павел Павлович

Оглавление.

Введение.

ГЛАВА 1. Волновые возмущения в атмосфере - источник информации о динамике вулканических извержений.

1 • 1 • Классификация вулканических извержений и ее физические основы.

12 Исследования ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере, возникающих при различных типах извержений.

1 2 Сейсмологические наблюдения на вулканах, типы вулканических землетрясений.

2 4 Феноменологическая классификация волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений.

ГЛАВА 2 Описание используемой аппаратура и методика обработки акустических и сейсмических сигналов.

2.1. Аппаратура для регистрации волновых возмущений в атмосфере.

2\1 Электродинамические микробарографы серии ЭДМБ, их конструктивные особенности и калибровка.

2.1.2. Микробарографы для регистрации волновых возмущений в атмосфере.

2.1.3. Регистрация сигналов звукового диапазона.

2.2. Сейсмические наблюдения.

2.3. Методика обработки сигналов.

ГЛАВА 3. Наблюдения ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений и некоторых природных явлений. | Наблюдения за акустическими эффектами от вулканических извержений на

Камчатке.

3.1.1. Вулкан Карымский, извержения: 1970- 1972 гг., 1978 г., 1996 - 1999 гг.

3.1.2. Большое трещинное Толбачинское извержение 1975 — 1976 гг.

3.1.3. Вулкан Ключевской, извержения: 1978, 1983. 1984, 1987 -1989 гг.

3.1.4. Вулкан Безымянный, извержения: 1983-1986 гг.

2 9 Наблюдения инфразвуковых и сейсмических колебаний, возникающих во время схода снежных лавин.

3.3. Регистрация аэродинамического шума пароводяных скважин.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. Нестационарные процессы в кратере извергающегося вулкана источники импульсных акустических сигналов в атмосфере.

4.1. Особенности генерации и распространения импульсных акустических сигналов от вулканических извержений. л 1 1 Типы акустических сигналов, сопровождающие нестационарные процессы в кратере вулкана. л 1 0 Характерная длительность фазы сжатия акустических сигналов и ее связь с размером кратера.

4 13 Нелинейные колебания, возникающие при взрывах в жерле вулкана Ключевского (1983 г.).

4 14 Распространение импульсных акустических сигналов, сопровождающих стромболианскую активность вершинного кратера вулкана Ключевского

4.2. Акустическое излучение, сопровождающее извержения вулканского типа андезитовых вулканов.

4.2.1. В оздушные волны от отдельных эксплозий.

4.2.2. Акустическое излучение при пульсирующем истечении пепло-газовой смеси.

4.2.3. Влияние магматической воды на ударно-волновые эффекты эксплозивных вулканических извержений.

4.2.4. Особенности формирования эруптивных облаков от эксплозий вулкана Карымского.

4.2.5. Физическая модель процесса пульсирующего истечения газо-пепловой струи.

4.3. Волновые возмущения, сопровождающие извержения базальтовых вулканов.

4.3.1. Воздушные волны, сопровождающие разрушение газовых пузырей на поверхности лавы. Ю

4.3.2. Оценка количества эксплозивного газа, участвующего в извержениях стромболианского типа. Ю

4.3.3. Волны газосодержания при стромболианском типе активности.

4.3.4. Динамика извержений вершинного и побочного кратеров вулкана Ключевского в 1983 г. по данным акустического мониторинга. И^

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. Аэродинамический шум на вулканах и пароводяных скважинах.

5.1. Краткие сведения о генерации звука турбулентными потоками.

5.2. Шум пароводяных скважин и его зависимость от паросодержания.

5.2.1. Спектральные характеристики аэродинамического шума пароводяных скважин.

5.2.2. О связи гидродинамических и акустических характеристик струи пароводяной смеси. 1^

5.2.3. Методика экспресс определения паросодержания<в ПВС по параметрам аэродинамического шума открытой скважины.

5.3. Аэродинамический шум извержений вулканского типа.

5.4. Генерация аэродинамического шума спутным потоком при стромболианском типе извержений.

5.5. Выводы.

ГЛАВА 6. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие в результате турбулентных процессов, при выбросах в атмосферу пирокластического материала.

6.1. Общие представления о генерации инфразвука конвективными процессами в эруптивной колонке.

6.2. Инфразвуковые волны от пирокластических потоков вулкана Безымянный

6.2.1. Характеристика акустических эффектов.

6.2.2. Связь акустических и сейсмических сигналов.

6.2.3. Кинетика извержения вулкана в июне-июле 1985 г. по акустическим и сейсмическим данным.

6.3. Инфразвуковые волны от сильных эксплозивных извержений в дальней зоне.

6.3.1. Извержение вулкана Безымянный 9 мая 2006 г.

6.3.2. Извержения вулкана Карымского в 1970, 1996 гг.

6.4. Экспериментальные исследования акустических и сейсмических сигналов от снежных лавин на северном склоне горы Чегет (Кавказ).

6.5. Выводы.

ГЛАВА 7. Волновые эффекты в атмосфере от извержений типа «направленный взрыв».

7.1. Краткое описание извержений типа «направленный взрыв».

7.2. Длинноволновые акустические возмущения - источник информации о сильных эксплозивных извержениях.

7.2.1. Длинноволновые акустические возмущения в ближней зоне.

7.2.2. Акустические возмущения от извержений вулканов Безымянный и Сент-Хеленс в дальней зоне.

7.3. Реконструкция динамики катастрофического извержения вулкана

Шивелуч 12 ноября 1964 г.

7.3.1. Сейсмические явления и волновые возмущения в атмосфере, сопровождавшие извержение. ^

7.3.2. Выделение последовательности эруптивных событий на основании анализа акустических и сейсмических эффектов. ^

7.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика вулканических извержений и ее проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере»

Вулканическое извержение является сложным процессом с большим диапазоном интенсивности, которая определяется количеством извергнутого материала в секунду, от одного до 109 кг/с. Длительность и объем извергнутого материала при извержениях различного типа также заключены в широких интервалах: от нескольких минут до нескольких лет, от 104 до Ю12 м3 соответственно. Процесс отделения летучих из силикатного расплава определяет механизм вулканических извержений. Такие параметры двухфазного потока (силикатный расплав-газ) как газовый состав, газонасыщенность, вязкость и расход определяют тот или иной тип вулканических извержений и его динамику

Изучение динамики вулканических извержений возможно только с помощью инструментальных дистанционных методов, одним из которых является метод, условно названный автором «акустика вулканических извержений». Извержения с различными типами активности и интенсивностью сопровождаются большим разнообразием физических процессов, в результате которых в атмосфере возникают волновые возмущения широкого диапазона частот - от нескольких сотен до тысячных долей Герц, что позволяет диагностировать характер вулканических извержений по параметрам ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере. Все акустические волновые возмущения в атмосфере, возникающие во время фрагментации (разрушения) и излияния лавы на дневную поверхность, за счет её дегазации, а также в результате выноса раскаленного пирокластического материала в атмосферу, объединяются автором в «акустику вулканических извержений» (АВИ).

В широком диапазоне частот в АВИ особое место в ближней зоне занимают акустические сигналы (АС) с частотой / — 1-10 Гц, которые возникают во время дегазации магмы при ее излиянии на поверхность Земли и несут информацию о динамике извержений стромболи-анского и вулканского типов. Изучение АС, возникающих за счет нестационарных процессов в кратере вулкана, представляет большой интерес как с точки зрения понимания физики эксплозивного процесса, так и для разработки методики мониторинга вулканической активности. Полученные почти за тридцатилетний период наблюдений данные об акустических сигналах с частотой /= 1-10 Гц были частично обобщены в монографии (Фирстов, 2003). В последнее пятилетие продолжались исследования этого класса АС с упором на математическое моделирование (Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006).

В ближней зоне часть АС этого класса представляют слабые воздушные ударные волны (ВУВ). которые в процессе распространения вырождаются и в дальней зоне регистрируются как инфразвуковые волны.

Звуковой- диапазон колебаний, сопровождающих истечения пепло - газовой смеси, из кратера вулкана, обусловлен' аэродинамическим шумом;. Несмотря намногочисленныетеоре-тические работы ио генерации'звука свободной ¡ струей, многофазные струи плохо поддаются , теоретичес ким расчетам; и экспериментальные данные весьма полезны для пон имания« механизма генерации звука. Автор исследовал генерацию звука при вулканических извержениях вулканского и стромболианского типов, а в качестве приближенной модели изучал аэродинамический шум от выпусков,пароводяной смеси из скважин Мутновского месторождения термальных вод (Фирстов, 2005).

Инфразвуковые: колебания, связанные с конвективными процессами в атмосфере, изучались соискателем во время схода и формирования пирокластических потоков в. Безымянного. При движении пирокластических потоков по склону основную роль играет гравитационная, составляющая, которая-характерна для?всех типов; гравитационных потоков, в том числе и для сухих снежных лавин. Поэтому в качестве модельного объекта изучалась генерация инфразву-ковых и сейсмических колебаний; снежными лавинами (Фирстов, 1988; Фирсто< и др.,. 1990; Фирстов, Тристанов 2009, Алидибиров и др: 1998):

Особый класс длинноволновых возмущений в атмосфере с периодом до десятков минут регистрируетсягво время,сильных извержений типа «направленный взрыв», которые рассмотрены в диссертации/Фирс'/ио«, 1996, 2007). •

Исследования ¿ударно-врлновых и акустических эффектов, вулканических извержений автором были начаты более тридцати лет назад, .когда не было четких представлений о физит ческой*природе, об особенностях генерации и распространения АС в широком диапазоне частот. Извержение вулкана — уникальное, редкое природное событие, поэтому информация о каждом извержении представляет большую научную ценность. За почти тридцатилетний; период автором были изученыударно-волновые и акустические эффекты на многих извержениях вулканов Камчатки, и обобщающая, работа является весьма актуальной для дальнейшего развития направления «акустика вулканических извержений».

Цель и-задачи>работы.Экспериментальное из^ение акустических, эффектов, возникающих во времяизвержсний вулканов, до 70х годов;прошлого столетия носило фрагментарный и сугубо качественный характер (Леи>аг1, 1959; Мтакатг, 1960; Тапака, 1967; То1епйпо, 1973), что было связано с малой разрешающей способностью регистрации акустических сигналов, как по времени, так и по чувствительности.

В соответствии с анализом изученности вопроса в 80-е годы XX века, с целью изучения динамики вулканических извержений, соискателем была поставлена следующая основная задача исследований - изучение всего многообразия проявлений вулканической активности> в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере. С этой целью требовалось создание пунктов регистрации волновых возмущений в атмосфере в широком частотном диапазоне и в непосредственной близости от действующих вулканов, которые могли бы обеспечить мониторинг эксплозивного процесса и определенных параметров извержений. Для изучения форм импульсов АС, регистрируемых в ближней зоне от источника (2 -20 км), стояла задача создания регистрирующих каналов с большой чувствительностью и хорошей разрешающей способностью по времени. Для регистрации сигналов звукового диапазона частот использовалась серийная акустическая аппаратура, а для регистрации инфразвуковых сигналов применялись низкочастотные микробарографы.

Вместе с основной задачей решались также и частные, предусматривавшие: комплектацию измерительных каналов необходимыми характеристиками с помощью модернизации существующих приборов и их метрологической аттестации; разработку классификации регистрируемых сигналов по характерным признакам и выявление физических аналогов каждого класса; - разработку методик практического приложений информации об акустических сигналах для оценок типа извержения и динамики изменений его параметров. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: использование существующих теоретических представлений о взрывных процессах и генерации акустических волн в атмосфере с анализом и обобщением литературных данных о практике регистрации акустических сигналов в воздухе при извержениях, а также о физических процессах сопровождающий тот или иной тип извержений; организацию инструментальных наблюдений на полевых и постоянных станциях; метрологическое обеспечение лабораторной и полевой аппаратуры; оцифровку аналоговых записей и обработку цифровых данных с помощью современных прикладных программ - STATISTICA, ПОС (пакет обработки сигналов), EXCEL, MEZOZAUR.

Научная новизна работы:

- предложена феноменологическая классификация волновых возмущений, возникающих во время вулканических извержений, в зависимости от их физической природы;

- показана возможность оценки параметров пепло - газовой струи по уровню звукового давления аэродинамического шума;

- впервые в мировой практике вулканологических исследований дана типизация АС диапазона 1-10 Гц, отнесенных к классу слабых воздушных ударных волн (ВУВ), и указаны физические аналоги процессов, формирующих сигналы этих типов;

- для извержений стромболианского типа разработана методика оценки количества эксплозивного газа по акустическим сигналам, сопровождающим извержение;

- показана информативность зарегистрированных в дальней зоне инфразвуковых колебаний о динамике сильных извержений;

- впервые зарегистрированы и изучены инфразвуковые волны от гравитационных потоков (пирокластических потоков и сухих снежных лавин), обусловленные развитой турбулентностью снего и пыле - воздушных облаков, возникающих над телом гравитационного потока;

- по акустическим и сейсмологическим данным даны варианты реконструкции хода катастрофического извержения вулкана Шивелуч 11 ноября 1964 г. и-вулкана Безымянный в июне 1985 г.

- рассмотрены длинноволновые акустические возмущения, сопровождающие извержения-типа «направленный взрыв», и изучены условия их формирования в зависимости от динамики извержений.

На защиту.выносятся следующие основные результаты:

1. Заложены основы нового научного направления «акустика вулканических изверэюений». •

2. Установлено, что различные физические процессы приводят к возникновению акустических сигналов с характерным диапазоном частот и дана феноменологическая классификация ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений. В основу классификации положены физические процессы, связанные с фрагментацией магмы (аэродинамический шум и воздушные ударные волны) и распространением продуктов фрагментации в атмосфере (инфразвуковые колебания и длинноволновые акустические возмущения).

3. Впервые в мировой практике вулканологических исследований реально обосновано и показано, что акустические сигналы диапазона 1-10 Гц, возникающие при разрушении газовых пузырей при стромболианском типе активности и нестационарных процессов при фрагментации магмы при вулканском типе активности, являются слабыми воздушными ударными волнами. Характерное время длительности импульса избыточного давления для вулканических воздушных ударных волн, как правило, определяется размером кратера.

4. Показано, что при определенных условиях разрушения магматического материала, приводящих к истечению пепло-газовых струй, происходит генерация аэродинамического шума, параметры которого связаны с интенсивностью и скоростью истечения струй, обусловленных процессом фрагментации.

5. Впервые обнаружено, что во время формирования гравитационных потоков (пирокла-стических потоков и снежных лавин) генерируются инфразвуковые волны с периодом 2-5 секунд, источником которых является развитая турбулентность снего и пыле - воздушных облаков, возникающих над телом гравитационного потока за счет его интенсивного массообмена с окружающим воздухом. На качественном уровне показано, что интенсивность инфразвуковых волн для пирокластических потоков связана с количеством и температурой извергнутого материала.

6. Установлено, что длинноволновые акустические возмущения (ДАВ) с периодом больше 8 минут, сопровождающие извержения типа «направленный взрыв», по классификации Г.С. Горшкова, несут информацию о сценарии и динамике таких извержений. Показано, что интенсивность и длительность фазы разрежения ДАВ связаны с конденсацией в атмосфере водяного пара, выделяющегося в процессе фрагментации из магмы.

7. На примере извержений вулканов Шивелуч (ноябрь 1964 г.), Ключевской (март-июнь 1983 г.), Безымянный (июнь 1985 г.) показана информативность акустических сигналов о динамике извержений и возможность реконструкции их хода по данным, полученным дистанционными методами — акустическим и сейсмическим.

Практическая ценность работы. Результаты исследований показали принципиальную возможность мониторинга извержений вулканов с помощью дистанционного метода -регистрации ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере. Динамика извержений находит отражение в изменении динамических и кинематических параметров АС, что позволяет оценить количество эксплозивного газа при стромболианском типе извержений и количество выброшенного в атмосферу мелкодисперсного пепла при вулканском и плинианском типах извержений. Показано, что длинноволновые акустические возмущения в атмосфере, сопровождающие извержения типа «направленный взрыв», несут информацию о последовательности и энергетических соотношениях между отдельными стадиями этих извержений.

Личный вклад автора. Из 45 публикаций по теме диссертации 10 работ и одна монография выполнены без соавторов. В совместных работах использованы, экспериментальные работы, полученные автором на действующих вулканах полуострова Камчатка. В течение более 30 лет под руководством и при непосредственном участии автора организовывались экспедиции для создания выносных пунктов вблизи всех вулканов Камчатки, которые находились в стадии извержения, с целью регистрации-волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот. По инициативе автора была организована регистрация инфразвука во время искусственного спуска снежных лавин, который производился с северного склона г. Чегет (Кавказ) в марте 1988 г. В 1991 г. автором был проведен большой объем работы по изучению аэродинамического шума, сопровождающего выпуск пароводяной смеси из скважин Мутновского геотермального месторождения. Интерпретация полученного экспериментального материала выполнялась под руководством автора.

Апробация работы. Основные положения и некоторые результаты диссертационной работы докладывались: на Советско-Японском симпозиуме по изучению строения земной коры и верхней мантии зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану (Токио, 1974); на IV Всесоюзном вулканологическом совещании (Петропавловск-Камчатский, 1974); на второй рабочей встрече по исследованию дальнепробежных лавин Института динамики геосфер АН СССР и Калифорнийского технологического (Москва, 1990), на конференции Американского геофизического союза Ави (Сан - Франциско, 1996), на 1, 4, 6 Камчатско -Аляскинско - Японские вулканологических конференциях (Петропавловск — Камчатский 1998, 2004 гг.; Аляска, Фэрбанкс, 2009). На научных конференциях, сессиях и семинарах в Институте вулканологии ДВО РАН, в Институте вулканической геологии и геохимии ДВО РАН, в Тихоокеанском океанологическом Институте ДВО РАН, на кафедре акустики Дальневосточного технического Государственного Университета, в Институте динамики геосфер I

РАН, в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН.

Публикации: Из более 100 публикаций автора по теме диссертации единолично и в соавторстве опубликовано: одна монография, 26 статей в рецензируемых изданиях, 11 работ в сборниках, 9 тезисов докладов, представленных на отечественные и международные научные конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения изложена на 222 страницах и сопровождается списком литературы из 208 наименований, содержит 91 рисунок и 30 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Фирстов, Павел Павлович

7.3. Выводы

Анализ последовательности и энергетического соотношения между отдельными стадиями — основная задача при изучении извержений типа «направленный взрыв», а данные о волновых возмущениях в атмосфере, наряду с сейсмическими эффектами, являются основой для реконструкции динамики подобных извержений. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие во время сильных катастрофических извержений, несут информацию о динамике извержения и количестве пепла, выброшенного в атмосферу.

Рассмотрим общие черты и различия для трех извержений типа «направленный взрыв». Всем трем извержениям предшествовало землетрясение с М = 5.1 - 5.2 вблизи постройки вулкана на глубине 1.5-2.0 км, что указывало на значительные деформации, происходящие при внедрении магмы. Внедрение магмы привело к большим- деформациям постройки вулканов Безымянного и Сент-Хеленс (Горшков, Богоявленская, 1966; The 1980 eruption ., 1981), а затем к потери устойчивости склона с последующим секторным обвалом. j

По данным уникальных записей волновых возмущений в атмосфере, сопровождавших извержение типа «направленный взрыв» вулкана Шивелуч в ноябре 1964 г. показано, что оно началось с обвала, в результате которого сформировалось пылевоздушное облако, которое было источником первого акустического сигнала. Для извержения типа «направленный взрыв» вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980'г. наблюдался обвал, предшествующий извержению и его развитие было детально задокументировано. Вулканическое дрожание и второй АС во время извержения вулкана Шивелуч начали регистрироваться только через 8 минут после АС, обусловленного обвалом. Это косвенно указывает на то, чю обвал не создал резкую декомпрессию, т.к. внедрившаяся порция магмы, о чем можно с большой уверенностью говорить на основании сейсмических и акустических данных, залегала на большей глубине, по сравнению с извержениями вулканов Безымянный и Сент-Хеленс.

Второй источник «высокочастотного» акустического излучения при извержении вулкана Шивелуч связывается с формированием конвективной колонны в результате плиниан-ской. деятельности и извержения пирокластических потоков. Переход от одной стадии извержения к другой сопровождался' резким усилением интенсивности ВД и генерацией длинноволновых (больше 10 мин) < колебаний с избыточным давлением 50 Па на станции Козыревск (R= 113 км). Второй максимум «низкочастотных колебаний» нами связывается с новым обвалом части постройки (овал, отмеченный на рис. 7.1 цифрой два), отложения которого значительно увеличили мощность тепловыделения и, соответственно, высоту конвективной колонны.

По мнению автора, все сильные эксплозивные извержения андезитовых и дацитовых вулканов с секторным отложением материала, а также в некоторых случаях и наличием «агломерата направленного взрыва» (обломочная лавина) следует, вслед за Г.С. Горшковым (Горшков, 1962), относить к извержениям типа «направленный взрыв». Такие извержения имеют следующий обобщенный сценарий (Фирстов, 1996):

- после длительного перерыва активности вулкана происходит внедрение магмы в постройку;

- внедрение магмы приводит к деформациям и потере устойчивости склона вулкана;

- потеря устойчивости склона вулкана порождает обвал с дальнепробежной каменной лавиной (агломерат направленного взрыва), и формируется подковообразный кратер;

- после обвала за счет резкой декомпрессии происходит фрагментация внедрившегося магматического тела, порождающая направленный взрыв, площадь.отложений которого зависит от конфигурации вновь образованного кратера; фрагментация более глубоких частей магматической колонны порождает плинианскую деятельность с извержением пирокластических потоков под действием мощной пепло -газовой струи; дальнейшее формирование кратера происходит за счет эрозии. вулкан Безымянный, 30.03.1956 г. вулкан Сент-Хеленс, 18.05.1980 г. вулкан Шивелуч, 12.11.1964 г. :| постройка вулкана | магматическое тело | деформация постройки | поверхность отрыва направление обрушения

Рис. 7.12. Схема, иллюстрирующая расположение внедрившегося магматического тела в постройку вулкана, перед извержениями типа «направленный взрыв»,- по (Белоусов и др. 2006) с добавлениями автора.

В зависимости от ряда причин далеко не все стадии сценария имеют место во время извержения того или иного вулкана, а энергетическое соотношение между ними определяется многими факторами. На рис. 7.12 приведена схематическая иллюстрация гипотетических различий расположения внедрившейся магмы в постройку вулканов перед извержениями «типа направленный взрыв» по (Белоусов и др. 2006). Приведенные схемы подтверждаются как геологическими, так и геофизическими данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В течение более тридцати лет соискатель проводил наблюдения за ударно-волновыми и акустическими эффектами от вулканических извержений и других природных процессов. Для исследований использовался широкий набор аппаратуры, позволяющей вести регистрацию волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот. Создание временных полевых пунктов регистрации в непосредственной близости от извергающихся вулканов позволило получить уникальные записи акустических сигналов в ближней зоне, а мониторинг воздушных волн на стационарных пунктах дал возможность зарегистрировать волновые возмущения от сильных эксплозивных извержений в дальней зоне.

Доказана возможность применения дистанционного акустического метода для мониторинга вулканических извержений. Заложены основы нового научного направления - акустика вулканических извержений.

2. На основании собственного экспериментального материала и литературных данных автором предложена феноменологическая классификация ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений и намечены основные задачи, решением которых необходимо заняться в ближайшее время. За основную характеристику классов приняты характерные частоты и физические процессы, в результате которых происходит генерация волновых возмущений в атмосфере.

Аэродинамический шум а = 20 +1000 Гц), возникающий в результате аэродинамического воздействия потока дисперсионного материала на окружающую среду, характерен для извержений всех типов, при которых из кратера происходит истечение струи любого состава.

Основной задачей является разработка теоретических основ возбуждения аэродинамического шума высокотемпературной струей, нагруженной мелкодисперсной фракцией твердых частиц, и проверка основных выводов теории в ходе наблюдений при вулканических извержениях.

Импульсные АС (воздушные ударные волны с/ ~ 1+10 Ги) генерируются нестационарными процессами в кратерной зоне во время дегазации и фрагментации магмы при ее поступлении на «дневную» поверхность. Акустические сигналы этого класса возникают при разрушении отдельных газовых пузырей в кратере при стромболианском типе извержений или при взрывных процессах, связанных с фрагментацией «пенных пакетов» при вулканском типе извержений. Фрагментация сильно вязких магм может идти по различным физическим законам (волна дробления, коалесценция пузырьков); при этом возникают воздушные волны с характерной частотой, связанной со скоростью протекания процесса. При интенсивном процессе фрагментации магмы в некоторых случая возникают слабые воздушные ударные волны.

Несмотря на то, что процесс разрушения газовых пузырей при стромболианском типе извержений достаточно изучен, но для вулканского типа извержений процесс генерации ударных воздушных волн окончательно не разработан, несмотря на наличие множества моделей. Что является «вулканической взрывчаткой», при каких условиях происходит «вулканический взрыв» при этом типе извержений - вопросы, требующие дальнейших исследований.

Инфразвук (Г = 0,003-г 1 Гц) генерируется сильными конвективными процессами, сопровождающими возникновение и формирование эруптивных облаков в результате выноса продуктов извержений и их отложения на «дневную» поверхность.

Требуется математическое и физическое моделирование с целью адаптации, разработанных Ю.А. Гостинцевым с соавторами (1985, 1989), теоретических основ генерации волновых возмущений, а также обоснование (на основе информации об интенсивности ин-фразвуковых колебаний) методики оценки количества выбрасываемого в атмосферу мелкодисперсного пепла.

Длинноволновые возмущения а < 0.003Гц) сопровождают формирование очень мощной эруптивной колонки, высота которой в отдельных случаях превышает границу тропопаузы, при извержениях типа «направленный взрыв», когда в атмосферу выносится очень большое количество горячего, мелкодисперсного вулканического материала и вулканических газов.

Основное внимание при разработке механизма генерации длинноволновых возмущений должно быть обращено на вклад ювенильной воды, поступающей в больших объемах на дневную поверхность в виде перегретого пара при катастрофических извержениях андези-товых вулканов типа «направленный взрыв». В этом случае конденсация водяного пара приводит к формированию глубокой фазы разряжения, длительностью до десятков минут (Фирстов, Пономарев, 2006). Изучение этого процесса требует математического и физического моделирования с целью получения модели, приемлемой для практических целей (оценка количества ювенильной воды на основании интенсивности ДАВ).

Первые два класса АС связаны^ с процессом отделения летучих от поднимающегося по магматическому каналу силикатного расплава и обусловлены работой, которую он совершает при расширении. Этот процесс сопровождается фрагментацией (разрушением) расплава с образованием раскаленных обрывков лавы и вулканического пепла. «Вулканическая взрывчатка» обладает низкой плотностью энерговыделения по сравнению с взрывчатыми веществами (ВВ), поэтому «взрывные» вулканические процессы несколько отличаются от взрывов ВВ. Акустические сигналы этих двух классов в той или иной мере присущи всем типам извержений.

3. Акустические сигналы,в атмосфере диапазона 1-10 Гц, возникающие при извержениях дисперсионного или барботирующего типа (наблюдения на вулкане Карымском, 1970 -1973 гг.; Северном и Южном прорывах Большого трещинного Толбачинского извержения, 1975 - 1976 гг.; вершинном кратере вулкана Ключевского, 1978; 1984, 1986 - 1989 гг.; прорыве «Предсказанный» 1983 г.), различаются по форме записи и параметрам импульса давления. Различия в кинематических и динамических параметрах воздушных волн позволили впервые в практике вулканологических исследований выделить шесть типов АС, порожденных различными физическими процессами, происходящими в кратере вулкана при дегазации магмы, поступающей та дневную поверхность; часть АС можно отнести к слабым воздушным ударным волнам.

Частотные пики, наблюдаемые в спектрах акустических сигналов, зарегистрированных во время извержения.вершинного кратера вулкана Ключевского в 1983 г., когда кратер представлял собой жерло диаметром более 300 м и глубиной ~ 200-м, хорошо объясняются набором резонансных частот ct)res = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) coi, даваемых теорией нелинейных колебаний. В спектрах АС, зарегистрированных во время извержения побочного кратера Предсказанный, который представлял собой жерло диаметром около 30-м, также отмечаются частоты, характерные для нелинейного резонанса.

Исследованы особенности распространения АС от вулканических взрывов в вершинном кратере в. Ключевского. Форма регистрируемого сигнала определяется стратификацией скорости звука в атмосфере на высотах источник - пункт приема. Показано, что амплитуда прямой волны АС, в связи с ее большой длиной — 100-200 м, мало зависит от стратификации атмосферы, что позволяет наблюдать, в первом приближении, за динамикой распространения акустических волн без учета температурно-ветровой стратификации атмосферы.

На основе анализа волновых возмущений в атмосфере (аэродинамический шум, воздушные ударные волны) и сейсмических явлений, сопровождающих пульсирующее истечение газо-пепловой смеси из кратера вулкана Карымский при вулканском типе извержений, предложена физическая модель автоколебательного процесса. В качестве генератора акустической колебательной системы рассматривается полость в верхней части магматического канала, которая, формируется в результате выделения и скопления газа под «пробкой». Источником энергии автоколебаний системы служит газ, содержащийся в магматическом расплаве. Роль управляющего элемента и обратной связи выполняют волны сжатия и разрежения, возникающие в результате фрагментации некоторого объема магмы в верхней части магматической колонны. Модель позволяет объяснить наиболее существенные особенности регистрируемых акустических и сейсмических сигналов и рассчитать физические условия в полости в верхней части вулкана при процессе истечения газо-пепловой смеси.

По записям АС, зарегистрированных во время извержений стромболианского типа (1барботирующий режим), оценено количество эксплозивного газа: Южного прорыва БТТИ, 1976 гг.; вершинного кратера Ключевского, 1988 г.; прорыва Предсказанный 1983 г. При этом всплывающий на поверхность маловязкой лавы «пузырь», генерирующий слабые ВУВ, рассматривался как взрывной источник с малой плотностью энерговыделения. Весовое содержание эксплозивного газа для Южного Прорыва БТТИ, определенное по воздушным волнам, составило % = 0.5%, что удовлетворительно согласуется с оценками, полученными другими методами.

Для извержения вулкана Ключевского типична стромболианская активность, которая характеризуется веерообразными выбросами обрывков лавы в результате разрушения всплывающих газовых «пузырей». При всплытии «пузыря» на поверхности лавы происходит разрушение его оболочки, сопровождающееся возникновением-как импульсного АС, так и сейсмического сигнала за счет воздействия волны разгрузки на магматический столб в подводящем канале. Наблюдается группирование АС в квазипериодические кластеры. Для-извержений: Большое трещинное Толбачинское извержение - 1975, 1976 гг., вулкан Ключевской 1983, 1987, 1989 гг. характерны отрезки времени, когда АС приобретают квазипериодичность со временем скважности 1 - 4 с и общей длительностью кластера от 40 до 120 с, который связывается, с возникновением, «волн газосодержания» при течении двухфазной смеси по вертикальному каналу.

Во время извержений вулкана Ключевского в 1983 г. одновременно зарегистрированы АС от побочного и вершинного кратеров. По форме записи и соотношению характерных частот АС на основе дистанционных наблюдений выделены периоды активизации того или иного кратера. При этом отмечено изменение частоты акустического дрожания от 2.5 до 5 Гц, что связывается с колебанием уровня лавы в кратере побочного конуса.

4. Проведена регистрация аэродинамического шума при выпусках в атмосферу пароводяной смеси из скважин Мутновского месторождения парогидротерм (Камчатка) и выпусках пара на специальном стенде «Камчатскэнерго». Показано, что уровень звукового давления зависит от расхода ПВС, а спектральные характеристики аэродинамического шума при критическом истечении пароводяной смеси зависят от паросодержания. Исследования, проведенные на скважинах и стенде, показали возможность определения параметров пароводяной смеси на основе анализа спектрального состава аэродинамического шума струи. Разработанная методика может быть использована для оценки расхода мощных фумарол на действующих вулканах, что необходимо для подсчета тепловой мощности вулканов, находящихся' в состоянии покоя.

Результаты исследований'волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот (1 - 2000 Гц), сопровождающих пульсирующее истечение пепло-газовой смеси из кратера андезитового вулкана Карымского показали, что в результате фрагментации вязкой магмы в верхней части магматического канала одновременно возникают воздушная волна и аэродинамический шум. Выброс в атмосферу значительного объема пепло-газовой смеси можно рассматривать как изменение производительности источника (монопольный тип источника), что порождает воздушную волну, а турбулентные пульсации в спутном потоке создают монопольный источник аэродинамического шума. Процесс фрагментации может происходить с разной скоростью, поэтому в случаях очень быстрой фрагментации лавы возникают слабые ударные воздушные волны. Существенные различия в скорости фрагментации магмы.зависят от многих параметров процесса извержения: расхода и вязкости магмы, весового содержания летучих, химического состава растворенных в магме газов.

В результате обработки данных по одновременной регистрации воздушных волн ^аэродинамического шума спутного потока, возникающих при терминальных извержениях стромболианского типа вулкана Ключевского, были получены зависимости интенсивности и длительности АШ от амплитуды избыточного давления в фазе сжатия АС. Увеличение времени длительности АШ с увеличением амплитуды АС в фазе сжатия можно объяснить тем, что формируется снарядный режим течения двухфазной смеси, при котором снаряд занимает все сечение канала, а за ним возникает шлейф мелких пузырей. Возможность существования такого режима показана в экспериментальной работе А.Ю. Озерова {pzerov, 2009). При выходе снаряда на «дневную» поверхность за счет избыточного-давления В; нем генерируется воздушная волна и образуется полость, в которой происходит декомпрессия. Это приводит к коалесценции шлейфа мелких пузырей, следующих за газовым снарядом, и к фрагментации верхнего слоя магмы с образованием пепло-газовой струи — источника аэродинамического шума.

5. Во время эксплозивных извержений вулкана Безымянный зарегистрированы акустические сигналы двух разновидностей: импульсные, связанные с отдельными эксплозиями, и непрерывные инфразвуковые колебания, порожденные формированием восходящей конвективной колонки нагретых продуктов в момент движения и развития пипокластических потоков. Импульсные сигналы имеют низкочастотную составляющую с частотой 0.25 - 0.6 Гц, на которую накладываются более высокочастотные колебания с / = 1—5 Гц. Наличие двух характерных частот в спектрах акустических сигналов вулкана Безымянного резко отличает их от сигналов, зарегистрированных во время извержений вулканского и стромболианского типов.

Генерация импульсных АС при извержениях вулкана Безымянного происходит во время разрушения отдельных блоков экструзивного купола в результате фрагментации очень вязкой газированной магмы волной дробления. Процесс дробления^ происходит волной дробления пульсационно, когда в течение двух- трех секунд разрушается некоторый объехМ и возникает высокоскоростная струя, за счет чего в атмосфере формируется низкочастотная составляющая, на которую накладывается более высокочастотная составляющая, отражающая пульсации распространения волны дробления.

Колебания инфразвукового диапазона длительностью несколько десятков секунд с характерной частотой /" = 0.3 - 1 Гц генерируются крупномасштабными пульсациями в конвективной колонке, возникающей в атмосфере в результате тепловыделения с поверхности отложений пирокластических потоков. Частота этих сигналов связана с мощностью процесса и может служить контрольным параметром с целью мониторинга хода извержения.

На основании сейсмических и акустических данных исследована динамика извержения вулкана в 1985 г. Выделено 16 пар взаимосвязанных сейсмических и акустических сигналов, которые возникали во время извержения.пирокластических потоков. Для 11 случаев получена эмпирическая зависимость, которая позволила получить соотношение между мощностями сейсмического и акустического источников: Па = 0.59\а4, мкм - 0.52.

Величина отклонения от полученной эмпирической зависимости для отдельных ПП показывает, что сигналы № 4, 5 связаны с образованием пеплоглыбовых ПП, отложения которых были хорошо изучены после извержения, а фаза «направленного взрыва» может быть отнесена к событию № 12. Наиболее интенсивный сейсмический* сигнал зарегистрирован для извержения ювенильного ПП № 14'.

При достаточно сильных эксплозивных извержениях волновые возмущения в атмосфере могут регистрироваться на достаточно больших расстояниях. При этом за счет стратификации атмосферы при распространении импульсного сигнала происходит формирование цуга колебаний. Интенсивные сейсмические и акустические сигналы зарегистрированные в дальней зоне, при мощных эксплозиях вулкана Карымского в 1971 г, позволили получить энергетические оценки и реконструировать динамику начальной фазы извержения. Акустические сигналы, сопровождающие начало извержения этого вулкана в 1996 г. позволили установить время, начала извержения и показали, что извержение началось из двух центров (вершинный кратер и озеро Карымское) почти одновременно.

Впервые в мировой практике исследований удалось зарегистрировать инфразвуковой акустический сигнал (воздушную волну) с частотой 0.5 — 4 Гц, возникающий при сходе снежных лавин, которые, также как и пирокластические потоки, могут быть отнесены к гравитационным потокам. Мощность акустического источника составляла примерно 104 Вт i 3 для лавин,объемом 8*10 м . Натурные наблюдения показали перспективность сейсмоаку-стического метода для дистанционного мониторинга схода лавин. Соотношения интенсив-ностей сейсмического и акустического сигналов, сопоставление характера изменения во времени их огибающих, запаздывания возмущений в разнотипных сигналах, данные синхронной фото - киносъемки движения лавин могут быть использованы как источник информации процесса схода лавин.

6. Анализ последовательности и энергетического соотношения между отдельными стадиями - основная задача при изучении динамики извержений типа «направленный взрыв». Данные о волновых возмущениях в атмосфере, наряду с сейсмическими эффектами, являются основой для реконструкции динамики подобных извержений. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие во время сильных катастрофических извержений, несут информацию о динамике извержения и количестве пепла, выброшенного в атмосферу.

Для трёх извержений типа «направленный взрыв» (Безымянный, 1956; Шивелуч, 1964; Сент-Хеленс, 1980) внедрение магмы привело к большим деформациям постройки, что привело к землетрясениям с М = 5.1 - 5.2 на глубине 1.5-2.0 км, а затем к потере устойчивости склона с последующим секторным обвалом. На> основе анализа уникальных записей волновых возмущений в атмосфере и колебаний грунта, сопровождавших извержение типа «направленный взрыв» вулкана Шивелуч в ноябре 1964 г. выполнена реконструкция этого извержения. Показано, что обвал в этом случае не создал резкую декомпрессию, т.к. внедрившаяся порция магмы, о чем можно с большой уверенностью говорить на основании сейсмических и акустических данных, залегала на большей глубине, по сравнению с извержениями вулканов Безымянный и Сент-Хеленс.

На основе изучения извержений с секторным отложением материала типа «направленный взрыв» показано, что они имеют обобщенный сценарий. Сценарий включает следующие последовательные элементы: внедрение в постройку вулкана магмы, приводящее к её деформациям - потеря устойчивости склона с секторным обвалом, порождающим даль-непробежную каменную лавину — направленный взрыв за счет фрагментации внедрившейся магмы при резкой декомпрессии — плинианская деятельность с извержением пирокластиче-ских потоков за счет фрагментации магматической колонны на большей глубине (Фирстов, 1996).

В зависимости от ряда причин не все стадии сценария имеют место во время извержения того или иного вулкана, а энергетическое соотношение между стадиями определяется многими факторами.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Фирстов, Павел Павлович, 2010 год

1. Адушкин В.В., Гостинцев Ю.А., Фирстов П.П. О природе воздушных волн при сильных эксплозивных извержениях // Вулканология и сейсмология. 1984. № 5. С. 3-11.

2. Т. Алидибиров М.А. Модель,высвобождения энергии при вулканических взрывах вулкан-ского типа// Вулканология и сейсмология. 1987. № 4. С. 50-58.

3. Алидибиров М.А. Физическая природа и механизм вулканических взрывов. Автореф. дис.доктора физ.-матем. наук. М., 1998. 44 с.

4. Алидибиров М.А., Богоявленская Г.Е., Кирсанов И.Т., Фирстов П.П., Гирина O.E., Белоусов А.Б., Малышев А.И. Извержение вулкана Безымянный в 1985 г. // Вулканология и сейсмология. 1988. № 6. С. 3-17.

5. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР. М.: Наука, 1974. 232 с.

6. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Физматгиз, 1959. 800 с.

7. Бейкер У, Кокс П., Устайн П. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия. М.: Мир, 1986. Т. 2. 382 с.

8. Белоусов А.Б., Белоусова М.Г. Извержение вулкана Шивелуч в 1964 г. (Камчатка) -плинианское извержение, предварявшееся крупномасштабным обрушением« постройки // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4-5. С. 116-127.

9. Богоявленская Г.Е., Брайцева O.A. О генетической классификации пирокластических отложений и типах отложений извержения вулкана Безымянный-1955-1956 гг. // Вулканология и сейсмология. 1988. № 2. С. 81-97.

10. Болсинский А.Н., Лосев К.С. Основы лавиноведения. JL: Гидрометеоиздач, 1987. 270 с.

11. Большое трещинное Толбачинское извержение 1975-1976. М.: Наука, 1984. 637 с.

12. Вукалович В.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М.: Энергия, 1966. 398 с.16.