Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Динамика вулканических извержений и её проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере

Специальности: 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых,25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Фирстов Павел Павлович

г. Южно-Сахалинск, 2010 г.

1. Общая характеристика работы

Диссертация посвящена развитию нового направления в геофизике - «Акустика вулканических извержений» - и базируется на результатах длительных экспериментальных исследований генерации волновых возмущений в атмосфере при извержениях различных типов вулканов Камчатки.

Актуальность работы. Вулканическое извержение является сложным процессом с большим диапазоном интенсивности, которая характеризуется 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 и от 10⁴ до 10¹² 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 основывается на инструментальных дистанционных методах, одним из которых является метод, условно названный автором «акустика вулканических извержений». Извержения с различными типами активности и большим диапазоном интенсивности сопровождаются большим разнообразием физических процессов, в результате которых в атмосфере возникают волновые возмущения широкого диапазона частот - от нескольких сотен герц до тысячных долей герца, 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 в результате её дегазации, а также за счет турбулентных процессов, обусловленных выносом раскаленного пирокластического материала в атмосферу, объединяются автором в «акустику вулканических извержений» (АВИ).

В широком диапазоне частот в АВИ особое место занимают акустические сигналы (АС) с частотой f = 1-10 Гц, которые возникают во время дегазации магмы при ее излиянии на поверхность Земли. Изучение АС этого диапазона частот представляет большой интерес как с точки зрения понимания физики эксплозивного процесса, так и для разработки методов мониторинга вулканических извержений. Полученные почти за тридцатилетний период наблюдений данные об акустических сигналах с частотой f = 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 эволюционируют и в дальней зоне регистрируются как инфразвуковые волны.

Звуковой диапазон колебаний, сопровождающий истечения пепло - газовой смеси из кратера вулкана, обусловлен аэродинамическим шумом. Несмотря на многочисленные теоретические работы по генерации звука свободной струей, многофазные струи плохо поддаются теоретическим расчетам и экспериментальные данные весьма полезны для понимания механизма генерации звука. Автор исследовал генерацию звука при вулканических извержениях, а в качестве приближенной модели рассматривался 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 вулкана Безымянного. При движении пирокластических потоков по склону основную роль играет гравитационная составляющая, которая является определяющей для любых гравитационных лавин, в том числе и для снежных. Поэтому в качестве модельного объекта изучалась генерация инфразвуковых и сейсмических колебаний сухими снежными лавинами (Фирстов, 1988; Фирстов и др., 1990; Фирстов, Тристанов 2009, Алидибиров и др. 1998).

В особый класс выделены длинноволновые возмущения в атмосфере с периодом до десятков минут, которые регистрируются во время сильных извержений типа «направленный взрыв»,(Фирстов, 1996, 2007).

Исследования ударно-волновых и акустических эффектов вулканических извержений автором были начаты более тридцати лет назад, когда не было четких представлений о физической природе, 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 изучены ударно-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. В соответствии с анализом изученности вопроса в 80-е годы ХХ века, с целью изучения динамики вулканических извержений, соискателем была поставлена следующая основная задача исследований - изучение большого разнообразия 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 на основе модернизации существующих приборов и их метрологической аттестации;

- разработку классификации регистрируемых сигналов по характерным признакам и выявление физических аналогов каждого класса;

- разработку методик практического приложения информации об акустических сигналах для оценок типа извержений и динамики изменений их 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, сопровождающих тот или иной тип извержений;

- организацию инструментальных наблюдений на полевых и постоянных станциях;

- метрологическое обеспечение лабораторной и полевой аппаратуры;

- оцифровку аналоговых записей и обработку полученных данных с помощью современных прикладных программ - STATISTIKA, 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 эти типы сигналов;

- для извержений стромболианского типа показана возможность оценки количества эксплозивного газа по акустическим сигналам эксплозивной деятельности;

- 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 сейсмическим 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 извержений».

2. Установлено, что различные физические процессы приводят к возникновению акустических сигналов с характерным диапазоном частот и дана феноменологическая классификация 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, связанные с разрушением газовых пузырей при стромболианском типе активности и нестационарными процессами, обусловленными фрагментацией магмы, при вулканском типе активности, являются слабыми воздушными ударными волнами. Характерное время длительности импульса избыточного давления для вулканических воздушных ударных волн в основном, 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 (пирокластических потоков и снежных лавин) генерируются инфразвуковые волны с периодом 2-5 секунд, источником которых является развитая турбулентность снего и пылевоздушных 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 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 длинноволновых акустических возмущений (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.) показано, что акустические сигналы характеризуют динамику извержений и дают возможность совместно с сейсмическими данными реконструировать последовательность всего процесса.

Практическая ценность работы. Результаты исследований показали принципиальную возможность мониторинга извержений вулканов с помощью дистанционного метода - регистрации 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 46 публикаций по теме диссертации 10 работ и одна монография выполнены соискателем без соавторов. В совместных работах использованы экспериментальные данные, 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 естественного спуска снежных лавин с северного склона г. Чегет (Кавказ) в марте 1988 г. В 1991 г. автором были проведены экспериментальные исследования 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 отдельные 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 2^ой рабочей встрече по исследованию дальнепробежных лавин Института динамики геосфер АН СССР и Калифорнийского технологического университета (Москва, 1990); на конференции Американского геофизического союза AGU (Сан - Франциско, 1996); на 1, 4, 6 Камчатско - Аляскинско - Японских 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 Государственного Университета, в Институте динамики геосфер РАН, в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН.

Публикации: Из более 100 публикаций автора по теме диссертации единолично и в соавторстве опубликованы: одна монография, 26 статей в рецензируемых изданиях, 11 работ в сборниках, 9 тезисов докладов, представленных на отечественных и международных научных конференциях.

Дополнительные сведения.

С середины 70^х до 90^х годов прошлого столетия направление «акустика вулканических извержений» интенсивно развивалось соискателем и А.В. Сторчеусом в Институте вулканологии ДВО РАН, руководимом академиком РАН С.А. Федотовым. Развитию направления способствовали высокая активность вулканов Камчатки, современная на тот период аппаратурная база, большая увлеченность исследователей и почти полное отсутствие информации об этой интересной и важной стороне исследований извержений. В тот период многие работы, выполненные по АВИ в Институте вулканологии ДВО РАН, были пионерскими.

С образованием в 1991 г. Института вулканической геологии и геохимии ДВО РАН работы этого направления были продолжены. К сожалению, трудное финансовое положение российской науки не позволило автору в последние пятнадцать лет получить новый экспериментальный материал по акустическому излучению вулканов в ближней зоне. Поэтому упор был сделан на организацию акустической станции в поселке Паратунка, что дало возможность зарегистрировать инфразвуковые колебания, сопровождающие пароксизмальные извержения вулканов Шивелуч в 1993 г. и Карымский в 1996 г. В этот период работы научного направления «акустика вулканических извержений» были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № РФФИ № 95-07-19196, 96-05-64180, 97-05-96599).

Во вновь образованном в 2004 г. Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН работы научного направления АВИ продолжались при поддержке директора ИВиС ДВО РАН академика Е.И. Гордеева. В последние годы полученный многолетний экспериментальный материал был осмыслен и обработан.

Соискатель выражает искреннюю благодарность и признательность всем, кто рядом с ним работал в экстремальных условиях вблизи извергающихся вулканов. Все годы работы автор всегда мог положиться на помощь и внимание друга и коллеги В.А. Широкова, дискуссии с которым были весьма полезны для понимания многих проблем вулканологии. Полезные советы и ценные критические замечания на различных этапах работы автор получил от Ю.А. Гостинцева, А.П. Максимова, А.Ю. Озерова, В.Х. Пергамента, Е.А. Пономарева, А.В. Сторчеуса, П.И. Токарева, Б.А. Трубникова, Ю.А. Филиппова. Особую благодарность и признательность автор выражает академику РАН Виталию Васильевичу Адушкину. Многолетнее общение с ним и его поддержка во многом способствовали развитию и становлению научного направления «акустика вулканических извержений». Особую признательность выражаю моей жене Е.Н. Дубининой за постоянную моральную поддержку во время работы над диссертацией.

2. основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель и задачи, указаны методы исследований, описаны научная новизна и практическая значимость исследований, определён личный вклад автора, а также сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

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

В разделе 1.1 дано краткое описание типов вулканических извержений. В основу всех известных классификаций вулканических извержений, как правило, основанных на различиях в силе, характере и составе продуктов извержений, положены визуальные наблюдения за извержением на конкретных вулканах. Наиболее распространенной является классификация вулканических извержений, когда различным типам извержений присваиваются названия вулканов, в деятельности которых какая-либо сторона процесса наиболее характерна, хотя реально в деятельности одного вулкана могут проявляться различные типы извержений.

В последние десятилетия в основу классификации извержений вносятся представления о физических процессах, доминирующих при подъеме магмы к поверхности. По характеру взаимоотношения расплав - летучие продукты в магматическом канале снизу вверх выделяются следующие зоны: 1) наиболее глубинная зона, в которой по каналу течет жидкость; 2) пузырьковая зона, где находится газожидкостный дисперсионный поток, в котором присутствует сплошная фаза - жидкость; 3) зона «разрушающейся пены», где возможны два варианта: в первом - увеличение расхода газа обеспечивается опережающим всплыванием крупных пузырей (барботирующий режим); во втором - в результате частичного разрушения соприкоснувшихся пузырьков возникает пористая масса, пронизанная сквозными каналами, по которым движется газ с опережающей, но ещё не достаточной для полного диспергирования расплава скоростью; 4) зона дисперсного потока, где непрерывной фазой является газ (дисперсионный режим).

Барботирующий режим характерен для основных маловязких магм, в то время как дисперсионный режим характерен для кислых высоковязких магм.

В разделе 1.2 прослежена история исследований ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере, возникающих при различных типах извержений.

Изучение слабых воздушных волн от вулканических извержений стало возможным после появления микробарографов, что было стимулировано созданием национальных служб для контролирования воздушных ядерных взрывов. Воздушная волна, возникшая при извержении вулкана Безымянный 30 марта 1956 г., обошла земной шар и была зарегистрирована акустическими станциями Японии и СССР, а ее тротиловый эквивалент был оценен в 8 мегатонн. Воздушная волна этого извержения была также зарегистрирована низкочувствительными метеорологическими барографами в ближней зоне (R < 100 км), что дало основание Г.С. Горшкову (1958) сделать заключение об информативности воздушных волн для изучения динамики вулканических извержений.

На полуострове Камчатка микробарографы впервые были установлены П.И. Токоревым (1964) в районе Ключевской группы вулканов в 1962 г. Несомненной удачей была запись волновых возмущений, возникших во время пароксизмального извержения вулкана Шивелуч 12 ноября 1964 г., что позволило (Токарев, 1968) дать вариант реконструкции хода этого грандиозного извержения на основании записей акустического и сейсмического сигналов.

Начиная с 70^х годов прошлого столетия, соискатель производил регистрацию ударно-волновых и акустических эффектов от извержений вулканов Камчатки в непосредственной близости от них. Обширный экспериментальный материал был получен во время работы Северного прорыва Большого трещинного Толбачинского извержения в 1975 г. На основании этих данных по форме записи и ряду параметров было показано, что АС в ближней зоне при сильных извержениях относятся к классу слабых воздушных ударных волн (Фирстов, Адушкин, Сторчеус, 1978). Несколько позже японским исследователям (Ishihara et al., 1983) на вулкане Сакурадзима удалось зарегистрировать ВУВ с помощью киносъемки.

Формирование и сход пирокластических потоков во время извержений андезитовых вулканов сопровождаются инфразвуковыми колебаниями длительностью более минуты с частотой ~ 0.3 Гц (Фирстов, 1988; Yamasato, 1993). Восходящая конвективная колонка, сформированная горячими мелкодисперсными продуктами и вулканическими газами над отложениями пирокластических потоков, приводит к генерации инфразвукового сигнала за счет турбулентных пульсаций, мощность которого зависит от интенсивности теплоотдачи с поверхности пирокластических потоков.

В настоящее время значительный интерес к «акустике вулканических извержений» проявляют исследователи США, Японии и других странах. Вблизи активных вулканов, как правило, установлены микробарографы для регистрации волновых эффектов в атмосфере.

Раздел 1.3 посвящен рассмотрению связи акустических эффектов в атмосфере с сейсмическими явлениями при вулканических извержениях, а также описанию типов вулканических землетрясений. Землетрясения, регистрируемые в районах активного вулканизма прямо или косвенно связанные с магматизмом, принято называть вулканическими. Специфическим случаем «вулканических» землетрясений являются квазигармонические колебания почвы - «вулканическое дрожание» (ВД). При вулканических взрывах регистрируются эксплозивные землетрясения (ЭЗ), длительность записи которых достигает одной минуты и более, а очаги располагаются на глубине не более одного км от дна активного кратера. При участии автора проведена типизация эксплозивных землетрясений вулкана Карымского, которая может быть применена и для ЭЗ других вулканов. Во время сильных вулканических выбросов одновременно с ЭЗ возникают воздушные ударные волны, которые вызывают колебания грунта, фиксируемые на сейсмограммах и микробарографами. Эксплозии большой длительности, когда возникает пепло-газовая струя, сопровождаются шумом аэродинамического происхождения и воздушными ударными волнами. Во время извержений стромболианского или гавайского типов эксплозивные землетрясения происходят с большой частотой.

В разделе 1.4 на основе обобщения литературных данных и собственных исследований дана феноменологическая классификация волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений (Firstov, 1994; Firstov, 1996; Фирстов, 1998; Фирстов, Филиппов, 1997).

1. Аэродинамический шум (f = 20 1000 Гц) возникает в результате аэродинамического воздействия потока дисперсионного материала на окружающую среду. При определенных условиях возникает во время извержений всех типов, в моменты, когда из кратера происходит истечение струи любого состава.

2. Импульсные АС, воздушные ударные волны (f = 110 Гц) генерируются нестационарными процессами в кратерной зоне во время дегазации и фрагментации магмы при ее поступлении на дневную поверхность при стромболианском и вулканских типах извержений. Фрагментация сильно вязких магм может идти по различным физическим законам (волна дробления, коалесенция пузырьков), при этом возникают воздушные волны с различными характерными временами, обусловленные скоростью протекания процесса.

3. Инфразвук (f = 0,0031 Гц) генерируется сильными конвективными процессами, сопровождающими возникновение и формирование эруптивных облаков в результате выноса продуктов извержений и их отложения на дневную поверхность, что приводит к формированию восходящей конвективной колонки, турбулентные пульсации в которой служат источниками инфразвукового сигнала.

4. Длинноволновые возмущения (f < 0,003Гц) возникают в результате формирования очень мощной эруптивной колонны, высота которой в отдельных случаях превышает границу тропопаузы. Как правило, длинноволновые возмущения сопровождают извержения типа «направленный взрыв», когда в атмосферу выносится очень большое количество горячего, мелкодисперсного вулканического материала и вулканических газов.

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, поэтому вулканические «взрывы» по параметрам отличаются от взрывов взрывчатых веществ.

Акустические сигналы первых двух классов в той или иной мере присущи всем типам извержений. Вторые два класса АС связаны с образованием в атмосфере эруптивного облака в виде конвективной колонны с хорошо развитой турбулентностью, которая является источником инфразвуковых волн в атмосфере. Причем третий класс АС характерен почти для всех типов эксплозивных извержений (вулканский, пелейский, плинианский).

Глава 2. Описание использованной аппаратуры и методика обработки акустических и сейсмических сигналов

Раздел 2.1 посвящен описанию приборов для регистрации акустических волновых возмущений в атмосфере.

Дано краткое описание электродинамических микробарографов серии ЭДМБ, с помощью которых была получена большая часть экспериментального материала, их конструктивные особенности и калибровка. В конце 50^х годов на базе вакуумированных мембранных (анероидных) коробок И.П. Пасечником, Н.Е. Федосеенко (1958) был сконструирован электродинамический микробарограф ЭДМБ-IV, который в течение почти двух десятилетий активно использовался для регистрации акустических сигналов в атмосфере, как от различных природных источников, так и от воздушных ядерных взрывов. В 70^х годах этот микробарограф был успешно применен автором для регистрации слабых воздушных ударных волн от вулканических взрывов и инфразвуковых колебаний (Фирстов и др. 1978а; Фирстов и др. 1978б).

Для регистрации слабых воздушных ударных волн с целью определения безопасности по их действию на карьерах и разрезах, в Магнитогорском горно-металлургическом институте в 1980 г. была изготовлена серия электродинамических микробарографов ЭДМБ-М, которые были выполнены аналогично ЭДМБ-IV, с использованием более компактной магнитной системы от сейсмоприемника СВ-05. Микробарограф ЭДМБ-М в начале 80^Х годов использовался как приемник акустических сигналов, связанных с извержениями (Фирстов, Сторчеус, 1987). В результате эксплуатации ЭДМБ-М в комплекте с модернизированным сейсмическим усилителем УПН-3 получены записи АС с избыточным давлением P = 2500 Па в частотном диапазоне 110 Гц. Отсутствие отечественных серийно выпускаемых приемников микрофлуктуаций атмосферного давления, а также расширение в восьмидесятые годы прошлого века работ, связанных с регистрацией АС от извержений, заставили соискателя изготовить микробарограф ЭДМБ-МВ, в конструкцию которого были внесены отдельные изменения, устранявшие недостатки предшествующей модели.

Приводится описание серийных микробарографов, с помощью которых регистрировались длиннопериодные флуктуации атмосферного давления с частотой до 310^-4 Гц, - малогабаритной акустической станции (МАС) и микробарографа К304. В этом же разделе дано описание аппаратуры для регистрации и обработки сигналов звукового диапазона. Аэродинамический шум звукового диапазона регистрировался серийными шумомерами ИШВ и RTF-17.

В разделе 2.2 приводится описание характеристик аппаратуры для регистрации сейсмических сигналов. Регистрация сейсмических сигналов от вулканических извержений проводилась как региональной сетью сейсмических станций, так и на временных экспедиционных пунктах. Региональная сеть обслуживаемых камчатских сейсмических станций в течение последних трех десятилетий прошлого века имела стандартную регистрирующую аппаратуру гальванометрического типа. Сейсмические каналы имели стандартную столообразную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот 1-10 Гц.

В полевых комплектах на первом этапе применялась гальванометрическая регистрация, которая в дальнейшем сменилась регистрацией на перопишущих приборах. В этом случае сигнал от сейсмометра поступал через трехканальный усилитель постоянного напряжения (УПН-III) на перопишущие регистраторы типа Н337 или Н3021.

В разделе 2.3 дано описание методики обработки акустических и сейсмических сигналов. Благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований большинство аналоговых записей акустических и сейсмических сигналов, полученных в 70-90 годы ХХ столетия, были оцифрованы. На основании СУБД PARADOX была создана база данных (Фирстов, Филиппов, 1997; Firstov, Filippov, 1996). Обработка сигналов осуществлялась современными средствами с использованием ряда пакетов прикладных программ: ПОС (пакет обработки сигналов фирмы «МЕРА»), MESOSAUR, STATISTIСA, Qwatro PRO.

Глава 3. Наблюдения ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений и некоторых природных явлений

В разделе 3.1 приводятся схемы расстановки микробарографов на вулканах, амплитудно-частотные характеристики каналов, дается краткое описание извержений, даты которых приведены в табл. 1.

Комплексные наблюдения за сейсмическим и акустическим излучением извержений вулканов Камчатки проводились соискателем начиная с 1970 г. Под руководством соискателя в непосредственной близости от извергающихся вулканов устанавливались выносные пункты, где велись визуальные наблюдения за динамикой извержения, и проводилась регистрация акустических и сейсмических сигналов, сопровождающих извержения. Кроме полевых пунктов микробарографическими каналами оснащались и стационарные сейсмические станции (рис. 1).

Таблица 1. Извержения вулканов Камчатки, во время которых проводилась регистрация акустических сигналов

Примечание. Выделены даты извержений, когда регистрация осуществлялась в дальней зоне.

Основным типом извержений одного из активнейших вулканов Камчатки - Карымского, является вулканский, который в отдельные периоды сменялся вулкано-стромболианским. Для этого вулкана характерны цикличность и периодическое появление внутрикратерного экструзивного купола, который появлялся обычно перед излияниями лавовых потоков.

Рис. 1. Схема расположения наиболее активных вулканов Камчатки, вблизи которых проводились микробарографические наблюдения (звездочки), и стационарных пунктов (треугольники), где размещались микробарографы.

Сокращения в названии станций: КЛЧ - Ключи; КЗР-Козыревск; АПХ - Апахончич; КРМ - Карымский; ПРТ-Паратунка.

Под руководством соискателя регистрация акустических эффектов проводилась в период 1970 - 1983 гг. Также анализировались цифровые записи акустических сигналов, полученные во время последнего цикла активности в период 1996 - 1999 гг. Эксплозивная активность вулкана проявлялась в виде отдельных эксплозий (выбросов) с частотой от двух - трех в сутки до нескольких десятков в час. Среди большого разнообразия эксплозий вулкана Карымского по визуальным наблюдениям четко выделялись две крайние разновидности - «взрывы» и «продувки». Для последней разновидности эксплозий, характерно пульсирующее истечение газо-пепловой струи из кратера, которое в иностранной литературе получило название «чаггинг» (chagging), так как звуковой эффект напоминал звук пыхтящего паровоза.

Волновые возмущения, которые сопровождали пароксизмальные извержения этого вулкана в мае 1970 г. и январе 1996 г. были записаны в дальней зоне на расстоянии 125 км с помощью микробарографов МАС и К304.

В этом разделе также дана краткая информация о вулканической активности и систем наблюдений во время Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ). Комплексная регистрация акустического и сейсмического излучений осуществлялась на станции «Водопадная» в 9 км от второго конуса Северного прорыва БТТИ в сентябре 1975 г., когда наблюдалась сильная эффузивно-эксплозивная деятельность второго конуса, во время которой эруптивная колонна поднималась на высоту до 7 - 9 км над уровнем моря.

Регистрация АС на Южном прорыве БТТИ проводилась в августе-ноябре 1976 г. на расстояниях 1.9 - 2.4 км от кратера. Этот период активности характеризовался умеренной эксплозивной деятельностью, которая наблюдалась в кратере симметричного конуса диаметром ~ 90 м и глубиной 30 м, на дне которого из одного или двух жерл диаметром в несколько метров происходили непрерывные взрывы с выбросом обрывков раскаленной лавы.

Приводятся краткие описания терминальных извержений стромболианского типа (барботирующий режим) в 1978, 1984, 1986 1989 г. вулкана Ключевского, даны схемы расстановок аппаратуры и амплитудно-частотные характеристики микробарографических каналов. Акустические сигналы при этих извержениях возникали в результате разрушения оболочки газовых пузырей на поверхности лавы, всплывающих по магматическому каналу.

В 1983 г. на Ключевском вулкане происходили одновременно извержения в вершинном и побочном кратерах. Начиная с февраля, началась подготовка к терминальному извержению, которая выразилась в слабой эксплозивной деятельности в вершинном кратере, а 8 марта 1983 г. на высоте 2875 м над уровнем моря началось извержение стромболианского типа побочного кратера «Предсказанный». Оно характеризовалось выбросами лавы без пепла из кратера диаметром 20-25 м и продолжалось 112 суток. В период извержений регистрировались акустические и сейсмические сигналы, связанные с деятельностью побочного и вершинного кратеров. Регистрация осуществлялась как стационарными сейсмическими станциями КЛЧ, АПХ, ПДК (рис. 1), так и временными пунктами, которые организовывались в непосредственной близости от побочного кратера. Изучение ударно-волновых эффектов в атмосфере, сопровождающих извержения вулкана Безымянного, проводилось в октябре 1984 г., июне 1985 г. и июне 1986 г. Особенностью извержений этого вулкана является то, что после извержения типа «направленный взрыв» в марте 1956 г. в кратере непрерывно идет процесс формирования внутрикратерной экструзии. При этом регулярно происходит выжимание жестких блоков с периодическим извержением пирокластических потоков (ПП) и образованием мощных эруптивных туч (рис. 2).

На рис. 2б приведен снимок начала формирования эруптивного облака во время схода ПП 13.10. 1984 г., на котором видны отдельные конвективные ячейки размером ~ 500 м. Начало формирования эруптивных облаков при сходе ПП во время извержения вулкана Безымянный в 1985 г. хорошо просматривалось из пункта ЗМН. Зарождение эруптивного облака от ПП, скатывающихся по абразивному желобу, происходило в зоне основания экструзивного купола (стрелка на рис. 2а), когда резко изменялась крутизна склона вулкана и начиналось торможение ПП.

б

Рис. 2. Вулкан Безымянный: а - схема отложений пирокластических потоков и расположения пунктов наблюдений в 1985 г. (Алидибиров и др., 1988); б - начало формирования эруптивного облака от пирокластического потока 13.10.1984 г., фото В.Н. Нечаева; в - фотосъемка развития эруптивного облака во время схода ПП 1.07.1985 г. в 19^h 25^m (GMT). 1 - отложения глыбово-пеплового пирокластического потока; 2 - отложения ювенильного ПП пористых андезитов; 3 - отложения направленного взрыва; 4-6 - границы распространения отложений ювенильного, глыбово-пеплового потоков, направленного взрыва соответственно; 7 - начало зоны торможения.

АПХ - пункт наблюдения Апахончич (комплекс акустической и сейсмической аппаратуры), ЗМН - пункт наблюдения на отрогах вулкан Зимина (визуальные наблюдения в июне 1985 г.).

Динамика возникновения отдельных конвективных ячеек хорошо видна на фотограммах возникновения эруптивной колонки, выполненных с интервалом в две секунды, во время схождения ПП 1.VII. 1985 г. в 19^h 25^m (рис. 2в). Соискателем были выполнены три серии снимков длительностью 14 секунд с двухсекундными интервалами между кадрами в пределах одной серии. Первая серия соответствовала моменту выхода ПП из желоба. Определенная по снимкам скорость фронта ПП составляла 35 м/c.

В дальнейшем на фронте ПП начала формироваться конвективная колонка нагретых продуктов извержения (газы, мелкодисперсная фракция заполнителя ПП). Скорость подъема конвективной ячейки, определенная по снимкам второй серии - 25 м/c, а определенная по снимкам третьей серии - 20 м/c. На последней серии хорошо видно начало формирования новой конвективной ячейки.

Регистрация сейсмических и акустических сигналов, сопровождавших извержения и формирование ПП на вулкане Безымянный в 1983 - 1986 гг. осуществлялась на стационарном пункте АПХ, расположенном в 16 км от вулкана Безымянный (рис. 2а).

В разделе 3.2 описывается аппаратура и методика наблюдений за инфразвуковыми и сейсмическими эффектами, возникающими во время схода снежных лавин. Работы по регистрации инфразвуковых колебаний, сопровождающих извержения пирокластических потоков, натолкнули соискателя на мысль использовать снежные лавины как модельное подобие ПП. Естественно, ПП и снежные лавины различаются, но их объединяет то, что основной движущей силой является гравитационная составляющая. Регистрация акустических и сейсмических сигналов лавин проводилась на Эльбрусской станции географического факультета МГУ, расположенной на поляне Азау в верховьях долины р. Баксан в конце марта 1988 г. (Фирстов и др., 1990а,б). Искусственный спуск лавин с северного склона горы Чегет осуществлялся Терскольским отрядом Северо-Кавказской службы по активному воздействию на гидрометеорологические процессы путем обстрела лавинных очагов осколочно-фугасными снарядами УОФ 412 из зенитных орудий.

Регистрация сейсмических и акустических сигналов от снежных лавин велась на самописце Н-327 при скорости развертки 25 мм/с. В качестве датчиков давления применялись два типа микробарографов: пьезоэлектрический микробарограф (ПМБ), сигнал от которого подавался непосредственно на самописец, и электродинамический (ЭДМБ-IV), сигнал от которого через интегрирующий усилитель постоянного напряжения УПН-3 подавался на самописец.

Раздел 3.3 посвящен методике регистрации аэродинамического шума от пароводяных скважин. Изучение аэродинамического шума, возникающего при выпусках пароводяной смеси (ПВС) в атмосферу проводилось на Мутновском месторождении в мае и октябре 1989 г. Аэродинамический шум регистрировался на шести скважинах с различным расходом и паросодержанием.

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

Раздел 4.1 посвящен описанию особенностей генерации и распространения импульсных акустических сигналов от вулканических извержений.

Во время Большого трещинного Толбачинского извержения в 1975 г. на Северном прорыве с расстояния 9 км с достаточной разрешающей способностью по времени были зарегистрированы АС, часть из которых можно отнести к слабым воздушным ударным волнам (ВУВ). На рис. 3 показаны параметры, которые измерялись на микробарограммах: избыточное максимальное давление в фазе сжатия P₊ в Па, время действия фазы сжатия ₊ в с; P_-, _- - для фазы разрежения (Фирстов, Адушкин, Сторчеус 1978а,б).

На основании различия формы записи и статистических оценок параметров АС, а также величины импульса , впервые в мировой практике была сделана их классификация и приведен ряд аргументов в пользу того, что воздушные волны могут быть разделены на пять типов (рис. 3):

Рис. 3. Типы воздушных волн, возникающих во время вулканической активности. I - классическая форма ВУВ; по кинематическим и динамическим характеристикам возникновение данного типа ВУВ можно связать с детонацией взрывоспособных вулканических газов при их окислении кислородом воздуха; II-III - форма сигнала с резким передним фронтом положительного и отрицательного импульсов; данные типы ВУВ обусловлены сверхзвуковыми скачками, возникающими при истечении пепло - газовой смеси из кратера вулкана; IV-V - ВУВ данных типов имеют импульсы обеих полярностей квазисинусоидальной формы и возникают при прорыве на поверхности лавы газовых «пузырей» или «пенных пакетов» (аналог заглубленных взрывов).

Многочисленные работы по изучению распространения ВУВ от взрывов позволили получить ряд эмпирических формул, имеющих в основном вид степенных многочленов, выражающих зависимости Р₊= f₁(r ), I₊=f₂(r ), ₊= f₃(r) для различных видов взрывчатых веществ и условий проведения взрыва (воздушные, накладные и камуфлетные взрывы), где r = r/Q^1/3- приведенное расстояние.

Рис. 4. Зависимость времени действия ₊ и импульса I₊ фазы сжатия от избыточного давления Р₊ для различных типов воздушно ударных волн от вулканических выбросов.

Используя экспериментально полученные зависимости для фиксированной точки наблюдений, логично рассмотреть зависимости I₊, ₊ от Р₊, которые можно представить степенными функциями типа y = 10^mxⁿ или lg y = n lg x + m. Для ВУВ от вулканических взрывов эти зависимости находились методом наименьших квадратов для каждого типа и показаны на рис. 4. вместе с кривыми для взрывов накладных зарядов.

На рис. 4 хорошо видны различия между типами ВУВ, выделенных по форме и статистическим оценкам параметров ВУВ. Наиболее сильно обе зависимости отличаются от кривых для накладных зарядов для ВУВ IV и V типов. Зависимость ₊ = f(P₊) для ВУВ II и III типов сходна с кривой для накладных зарядов, но с постоянным превышением ₊ около 0.2 с; что можно объяснить тем, что характерное время длительности фазы сжатия зависит от размера кратера.

Данная классификация успешно использовалась при регистрации АС во время извержений других вулканов: Карымского -1970-1972 гг.; Южный прорыв БТТИ - 1976 г. (Фирстов и др., 1978; Сторчеус, 1987); вершинного и побочного кратеров вулкана Ключевского (Фирстов, Сторчеус, 1987; Чунчузов, Фирстов, 1992; Фирстов, Кравченко, 1995).

В этом разделе также показано, что характерное время фазы сжатия АС связано с размером кратера. В качестве радиуса кратеров приняты оценки, полученные по данным аэровизуальных наблюдений и аэрофотосъёмки. В первом приближении радиус сферической области повышенного давления (а), которая служит источником зарегистрированных АС, можно определить как а = С₀₊, где С₀ - скорость звука в атмосфере на высоте источника h. При этом учитывалось, что по мере удаления от источника для ВУВ происходит увеличение ₊ ~ R^0.4. Для всех извержений бралось среднестатистическое значение ₊ для АС IV и V типов. Относительное отклонение r = |r-a|/r в 8 случаях из 9 не превышает 20%. Это указывает на то, что вычисленный радиус сферической области повышенного давления удовлетворительно совпадает с радиусом кратера (r) и, основываясь на времени действия фазы сжатия _+, можно оценивать изменения размеров кратера в процессе извержения.

Приведены аргументы в пользу того, что АС, зарегистрированные в марте-июне 1983 г., возникают в результате нелинейных колебаний в жерле вулкана Ключевского, когда активность вершинного кратера выражалась в газовых выбросах с небольшой примесью пепла, которые происходили из жерла диаметром около 160 м и глубиной более 150 м.

По характерным особенностям формы записи АС для этого извержения были разделены на три подтипа (Фирстов, Сторчеус, 1987; Фирстов, Трубников, 1988). В амплитудных спектрах этих сигналов уверенно выделяются спектральные пики на частотах: f₁ = 0.5; f₂ = 1.0, и менее четко пики на частотах f₃ = 1.5; f₄ = 2.5; f₅ = 3.0 Гц, причем f₃/f₁ = f₅/f₂=3; а f₂/f₁ =2. Набор характерных частот, наблюдаемых в спектрах АС, хорошо объясняется набором резонансных частот _res = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) ₁, даваемых теорией нелинейных колебаний в полуоткрытой трубе длиной L с невозмущенной скоростью звука С₀ и ₁ = С₀/2L.

Рассмотрены особенности распространения акустического сигнала от эксплозий во время терминального извержения вулкана Ключевского. От вулканических взрывов, происходящих в вершинном кратере вулкана Ключевского, у его подножия регистрируются АС, форма которых определяется особенностью взаимного расположения источник - пункт регистрации и стратификацией скорости звука в нижней тропосфере в различных азимутальных направлениях. На расстоянии 15 км от источника при наличии инверсии скорость звука на высоте ~ 2 км регистрируется АС, представленный прямым и отраженным от склона импульсами. В связи с тем, что длина волны излучаемого импульса составляет 100-200 м, двойной размах амплитуды (Р₊ + Р_-) прямой волны слабо зависит от скоростной стратификации нижней тропосферы (Чунчузов, Фирстов, 1992).

Рис. 5. Пример записи флуктуаций атмосферного давления и колебаний грунта во время эксплозии вулкана Карымский (15^h 23^m, 21 августа, 1997 г.).

Раздел 4.2 посвящен изучению особенностей акустического излучения, сопровождающих извержения вулканского типа андезитовых вулканов. Раздел построен на материале изучения акустических эффектов, сопровождавших извержения вулкана Карымского. В течение двух циклов извержений (1970-1983, 1996-2009 гг.) наблюдались как отдельные выбросы (эксплозии), так и пульсирующее истечение пепло-газовой смеси (дисперсионный режим) из кратера вулкана.

Для отдельных эксплозий параметры АС и соотношение P₊ к максимальной амплитуде эксплозивных землетрясений (А^max) качественно указывают на вариацию глубины заложения выбросов. Во время извержения вулкана в отдельные периоды наблюдались эксплозии, начинающиеся с «взрыва» и переходящие в пульсирующее истечение пепло-газовой струи- «продувку» (Фирстов и др. 2004б; Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006). Длительность эксплозий, сопровождавшихся сейсмическим и акустическим излучением, составляла от одной до трех минут. Пример трехминутной записи флуктуаций атмосферного давления и колебаний грунта во время эксплозии вулкана Карымский 21 августа 1997 г. приведен на рис. 5. Данная эксплозия начиналась с «взрыва», которому соответствовал импульсный АС значительной амплитуды и слабые сейсмические колебания. Затем произошло пульсирующее истечение пепло-газовой смеси («продувка»), причем соотношение между амплитудами акустического и сейсмического сигналов изменялось в широких пределах.

На рис. 6 совмещены три АС, сопровождавших эксплозии типа «взрыв» для трех периодов активности вулкана 1997-1999 гг., где видно их удовлетворительное совпадение. Этот факт свидетельствует об идентичности параметров эксплозивного процесса на непродолжительном интервале времени.

Для 1997 г. характерен сбалансированный импульс с длительностью фазы сжатия ₊ = 0.12 с (рис. 6а). Оценка радиуса сферической поверхности области повышенного давления, которая служила источником АС в этот период составляет а = 39 м. Начало эксплозий для 1998 г. характеризуется двухактностью процесса, о чем свидетельствует форма АС, зарегистрированных в этот период. На рис. 6б видно, что наблюдается постепенное нарастание переднего фронта фазы сжатия, на котором четко выделяется перегиб, свидетельствующий о двухактности процесса, а самый мощный импульс имеет классическую форму ВУВ от заглубленного взрыва на выброс.

Рис. 6. Примеры записи АС, сопровождавших «взрывы» вулкана Карымский: а - 1997 г.; б - 1998 г., в - 1999 г. (по горизонтальной оси - время в секундах, по вертикальной - амплитуда в условных единицах).

В этом случае изменение динамики крутизны переднего фронта фазы сжатия говорит о том, что эксплозии начинаются с энергетически более слабого процесса. В 1998 г. при₊ = 0.14 с радиус сферической поверхности области повышенного давления составлял а = 46 м, что несколько больше оценки для предшествующего года.

Особенностью ВУВ, зарегистрированных в 1999 г., являются характерные всплески длительностью 0.06 с в фазе разрежения (рис. 6в), указывающие на взрывные процессы в формирующемся эруптивном облаке. По данным киносъемки продуктов разлета во время большого трещинного Толбачинского извержения наблюдались воздушные взрывы, обусловленные смешиванием взрывоспособных вулканических газов с кислородом воздуха, а также взрывы выбрасываемых в воздух вулканических бомб. По-видимому, для эксплозий вулкана Карымский в 1999 г. характерны вторичные взрывные процессы во время формирования эруптивного облака. Средняя длительность фазы сжатия в 1999 г. составляла ₊ = 0.17 с, что соответствует радиусу сферической поверхности повышенного давления а = 56 м, при радиусе кратера по данным аэрофотосъемки r_кр=62м. Сопоставление длительности фазы сжатия ₊ с размером кратера вулкана Карымский в 1997-1999 гг. подтверждает вывод, что формирование воздушных волн происходит по типу излучения из свободного конца трубы - кратера.