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

а

б

Рис. 7. Фрагменты записей акустического и огибающей сейсмического сигнала для эксплозий: а - 21 августа 1997 г. (рис. 4); б - 9 августа 1999 г. На рисунках сигналы приведены к одному времени с учетом скоростей распространения соответствующих волн.

Дан анализ инфразвуковых сигналов, сопровождающих эксплозии типа «продувка». На рис. 7 приведены фрагменты записей акустического и огибающей сейсмического сигналов для двух эксплозий. В зависимости от скорости протекания процесса фрагментации в верхней части магматической колонны в хвостовой части записи АС регистрируются ВУВ (рис. 7а) или квазисинусоидальные цуги названные нами по аналогии с вулканическим дрожанием «акустическим дрожанием» (рис. 7б). На фрагменте записи акустического и сейсмического сигналов (рис. 7а), место которого в процессе развития эксплозии можно увидеть на рис. 5, видна связь между интенсивностью ВУВ и скоростью смещения грунта, с когерентностью больше 0.9 для частот 0.7, 1.4, 2.2 Гц. На 86-ой секунде возникают ВУВ с глубокой фазой разрежения, что говорит о конденсации паров воды, которая приводит к затягиванию Р_-. На 91-ой секунде появляются сбалансированные по импульсу ВУВ, и происходит «накачка» амплитуды сейсмических колебаний - общее повышение уровня с всплесками амплитуды синхронно с возникновением ВУВ, что свидетельствует о связи акустического и сейсмического источников излучений.

На рис. 7б видно, что через две секунды после начала эксплозии регистрируется «акустическое дрожание», связанное с истечением пепло-газовой смеси. В этом случае четкой корреляции между сейсмическим и акустическим сигналами не наблюдается. На взгляд соискателя, это объясняется тем, что акустический и сейсмический источники в этом случае разнесены по магматическому каналу и слабо связаны.

Рис. 8. Огибающие записи акустического и сейсмического сигналов эксплозии 21августа 1997 г., построенные с постоянной времени 0.4 секунды.

Соотношение между интенсивностью сейсмического и акустического сигналов во время «продувки», в основном, определяется глубиной заложения источника сейсмического излучения, что на качественном уровне видно на рис. 8, где приведены огибающие записей сигналов. В начальный период развития эксплозии происходит фрагментация магмы в самой верхней части выводного канала. На этом участке время запаздывания между вступлениями цуга сейсмических колебаний и соответствующего АС составляет = 0.5 с, а акустический сигнал по интенсивности значительно превышает сейсмический сигнал (20-27 с, рис. 8). В дальнейшем процесс фрагментации перемещается по каналу на большую глубину, для второго участка возрастает до 0.8 с. В результате чего происходит большая «закачка» энергии фрагментации магмы в сейсмические колебания (41-48 с, рис. 8). После фрагментации некоторого количества магмы происходит дегазация, сопровождающаяся мощным истечением пепло-газовой смеси, которое является источником аэродинамического шума значительной интенсивности. Несмотря на слабую чувствительность микробарографа к звуковым частотам, сильный аэродинамический шум все-таки им фиксируется (интервал времени 60-80с, рис. 5, 8). Дальнейшее увеличение времени запаздывания до 1.0 с наблюдается для самой интенсивной части сейсмического сигнала (86-101 с, рис. 7а). Для этого участка также характерна высокая когерентность между акустическим и сейсмическим сигналами на частотах кратных гармоник 0.7, 1.4, 2.2 Гц. После прохождения максимальных амплитуд ВД, уменьшается до 0.5 секунды (101-114 с, рис. 5).

Строились кривые спектральной плотности мощности (СПМ) для акустического и сейсмического сигналов на указанных выше временных интервалах, а в табл. 2 - частоты и амплитуды спектральных пиков. На кривых СПМ акустического и сейсмического сигналов четко выделяются кратные гармоники, которые указывают на наличие резонатора, возникающего в процессе развития эксплозии, а несовпадение частот для первых гармоник на участках записи, разделенных небольшим интервалом времени, указывает на изменение линейных размеров резонатора.

Таблица 2. Частота и амплитуда спектральных пиков в СПМ сейсмического и акустического сигналов для различных временных участков эксплозии вулкана Карымский 21.08.1997.

Примечание. СС - сейсмический сигнал, АС - акустический сигнал. Выделены спектральные пики максимума СПМ сейсмического сигнала.

С целью оценки степени линейной взаимосвязи гармонических компонент для рассматриваемых участков строилась функция когерентности акустического и сейсмического сигналов. Для кратных гармоник наблюдается хорошо выраженная когерентность (г² > 0.7), которая указывает на тесную взаимосвязь акустического и сейсмического источников.

Как было показано ранее, часто наблюдается несбалансированность импульсов сжатия и разряжения в ВУВ, сопровождающих эксплозии Карымского вулкана. Ранее была высказана мысль о влиянии конденсации перегретого пара на формирование волновых возмущений от сильных эксплозивных извержений (Адушкин, Гостинцев, Фирстов, 1984). На основании уравнения Ван Дер Ваальса, описывающего поведение водяного пара в широком диапазоне температур и давлений, включая изменение фазового состояния, показано, что за счет нелинейности возникает утроение частоты при безразмерном давлении s₀ = 0.5, а при безразмерном давлении s₀ > 0.5 возникает минимум в точке экстремума положительной фазы сжатия. Физической причиной этого процесса является конденсация пара и повышение его влажности.

По результатам совместного анализа акустического и сейсмического сигналов предложена модель автоколебательного процесса, возникающего при пульсирующем истечении пепло-газовой смеси (Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006). В автоколебательной системе энергия постоянного источника преобразуется в энергию колебаний и в общем случае для неё характерны следующие элементы: 1) собственная колебательная система или генератор; 2) источник энергии; 3) элемент, управляющий поступлением энергии в колебательную систему и поддерживающий колебания в системе; 4) цепь обратной связи между колебательной системой и управляющим элементом.

В качестве колебательной системы рассмотрена полость, формирующаяся в верхней части магматического канала в результате фрагментации некоторого объема магмы. Полость создает условия для возникновения автоколебательного процесса, в результате которого генерируются сейсмические и акустические сигналы с характерной формой записи (рис. 5). На основании визуальных наблюдений за отдельными эксплозиями вулкана, сделано предположение, что во время эксплозий вулкана Карымского вследствие высокой вязкости магмы возникает полость с узким выходным отверстием, которую в первом приближении можно рассматривать как резонатор Гельмгольца с собственной частотой f.

Показано, что энергия автоколебаний системы обеспечивается газом, содержащимся в магматическом расплаве, большая часть которого первоначально заключена в газовых пузырьках. Таким образом, источником акустических и сейсмических колебаний является импульсное выделение газа на дне полости (взрывоподобный процесс), причем «закачиваемая» энергия в акустический и сейсмический источник существенно различается. Элементом, управляющим поступлением энергии, и цепь обратной связи выполняют волны сжатия и разрежения в полости, возникающие в результате фрагментации некоторого объема магмы. После вскрытия лавовой пробки давление в полости снижается и начинается быстрый рост и слияние газовых пузырьков. При коалесценции пузырьков газа за счет избыточного давления в них возникает скачок давления в верхней части магматической колонны. Это порождает волну сжатия, которая распространяется в газо-пепловой смеси вверх по полости, и импульс давления, который распространяется вниз по магматической колонне. Повышение давления в области слияния приводит к замедлению роста газовых пузырьков в нижнем слое магмы и к резкому замедлению процесса коалесценции. Данная модель согласуется с экспериментальными данными.

В разделе 4.3 рассмотрены волновые возмущения, сопровождающие извержения базальтовых вулканов (стромболианский тип активности). При стромболианском типе извержений импульсные акустические сигналы возникают в результате разрушения газовых пузырей на поверхности лавы. Частота появления и размеры пузырей косвенно характеризуют режим течения двухфазной смеси «газ - силикатный расплав». Соискателю с коллегами представилась возможность изучать три извержения стромболианского типа (барботирующий режим): Южный прорыв Большого трещинного Толбачинского извержения 1976 г.; прорыв Предсказанный - побочное извержение вулкана Ключевского, 1983 г.; терминальное извержение вулкана Ключевского, 1987 - 1989 гг. (Фирстов, Сторчеус, 1987; Фирстов, Кравченко, 1995). Эти извержения существенно различались интенсивностью и количеством летучих в магме, что определило целесообразность сравнения параметров АС, возникающих в процессе извержений. При этом считалось, что источником АС является разрушение газового пузыря на поверхности маловязкой лавы, который рассматривался как неидеальный взрывной источник с малой плотностью энергии. Выполнена оценка количества эксплозивного газа, выделяющегося во время активности стромболианского типа (барботирующий режим), по акустическому излучению для всех трех извержений.

Таблица 3. Весовое содержание эксплозивного газа для извержений стромболианского типа, оцененное по воздушным волнам

Примечание: ЮП БТТИ - Южный прорыв большого Трещинного извержения, 1975 г., ПРД - прорыв «Предсказанный», побочное извержение вулкана Ключевского, 1983 г., КЛЧ - терминальное извержение вулкана Ключевского, 1987 г.

В акустическом приближении по форме волны, зарегистрированной на некотором расстоянии R от источника, определялись: объём вытесненного взрывом воздуха V, энергия взрывного процесса для отдельного выброса (Е₀) и энергия акустического источника (Е_а) для всех трех извержений с использованием среднестатистических значений акустических сигналов. Учитывая интервал между выбросами t, оценивался объемный расход газа Q_o. Считая, что основная доля газа состоит из водяного пара, объемный вес которого при Т=1000С равен 0.17 кг/м³, определялся весовой расход газа Q_в (табл. 3). Наибольший весовой расход эксплозивного газа из всех рассмотренных случаев приходится на ЮП БТТИ (Q_в = 308 кг/с); на порядок меньше составляет расход эксплозивного газа из вершинного кратера вулкана Ключевского.

Для определения весового содержания газа в лаве для ЮП БТТИ была использована средняя оценка расхода лавы, выполненная на основании аэрофотограмметрических измерений объемов лавовых потоков на разные даты. При допущении постоянства расхода газа в течение всего извержения весовое содержание газа, вычисленное по акустическому излучению, = 0.5%., совпадает с оценками, выполненными геохимическими методами.

На рис. 9 показана зависимость логарифма энергии акустического источника (Е_а) от логарифма энергии взрывного процесса (Е₀). Для двух извержений (ЮП БТТИ, ПРД) точки на графике образуют довольно компактные области, с высокими коэффициентами корреляции (r_БТТИ = 0.81, r_ПРД = 0.77), в то время как для извержения вершинного кратера он составляет всего r_КЛЧ = 0.28. Столь малый коэффициент корреляции зависимости lgE_а = f(lgE₀) для вулкана Ключевского, по-видимому, объясняется регистрацией взрывных волн в этом случае на довольно значительном расстоянии (14.6 км). Для Южного прорыва БТТИ наблюдается более сильная зависимость энергии акустического источника от энергии взрывного процесса по сравнению с извержениями побочного кратера «Предсказанный» и вершинного кратера Ключевского. Не исключено, что в этом случае также существенную роль играют взрывоспособные вулканические газы.

Рис. 9. Зависимость логарифма энергии акустического источника Е_а от логарифма энергии взрывного процесса Е₀.

В табл. 4 приведено соотношение между энергиями акустического источника и взрывного процесса. Наибольшее количество энергии взрывного процесса, переходящей в взрывные волны, составило 1.3% на Южном Прорыве БТТИ, меньше на «Предсказанном» - 0.24%, а во время извержения вершинного кратера вулкана Ключевского в 1987 г.- 0.1%.

Таблица 4. Среднее отношение между энергией акустического источника и энергией взрывного процесса

Во всех случаях разрушение газовых пузырей можно рассматривать как источник с малой плотностью энерговыделения, так как энергия взрывной волны на большом расстоянии от центра точечного химического взрыва с учетом реального уравнения состояния воздуха составляет ~5% энергии взрыва.

Обращает на себя внимание отличие соотношения энергии взрывной волны к энергии процесса почти на порядок для ЮП БТТИ и вулкана КЛЧ. Не исключено, что причиной этого могли быть взрывоспособные вулканические газы, так как на Большом трещинном Толбачинском извержении отмечался ряд явлений (воздушные взрывы, горение газа), которые косвенно указывали на наличие взрывоспособной компоненты в ювенильном вулканическом газе. По-видимому, при разрушении пузыря взрывоспособные вулканические газы при смешивании с кислородом воздуха усиливали эффект «лопающегося пузыря».

Глава 5. Аэродинамический шум на вулканах и пароводяных скважинах

Непрерывное истечение различных струй в атмосферу сопровождается шумом аэродинамического происхождения, который обусловлен взаимодействием потока струи с окружающей средой. Аэродинамический шум сопровождает фонтанирование искусственных скважин с различным флюидом (газ, пароводяная смесь, нефть и т.д.) на геологических объектах, а также естественные природные явления, такие как истечение пепло-газовой смеси при некоторых типах вулканических извержений, пароводяных струй гейзеров и фумарол.

В разделе 5.1 приведены краткие теоретические сведения о генерации звука турбулентными потоками.

Раздел 5.2. посвящен исследованию аэродинамического шума при выпусках в атмосферу пароводяной смеси (ПВС) из скважин Мутновского геотермального месторождения (Фирстов, 2005). В табл. 5 приведены термодинамические параметры скважин, на которых регистрировался аэродинамический шум при выпусках ПВС в атмосферу. Термодинамические параметры на этих скважинах изменялись в значительных пределах (расход ПВС Q_ПВС=9-45 кг/с, паросодержание =0.16-0.64), что позволило исследовать интенсивность и частотный состав аэродинамического шума для струй со значительным диапазоном расходов.

Для скважин №№ 1, 04, 03, 24, 16 исследовался шум при полностью открытой задвижке. На оголовках этих скважин был установлен лубрикатор диаметром 106 мм и длиной 160 см. На оголовке скважины 13 лубрикатор отсутствовал; эксперимент на ней проводился на нескольких режимах, регулируемых с помощью задвижки. Обильное выпадение конденсированной воды и высокий уровень звукового давления позволили проводить на этой скважине измерения на расстоянии, начиная с 20 м. Измерения проводились при четырех фиксированных положениях задвижки. Для скважины 01 исследовалась динамика шума и изменение его спектрального состава во время равномерного открытия задвижки.

В табл. 5 приведены: максимальное значение уровня звукового давления на расстоянии 10 м (L₁₀), полученное с помощью октавных фильтров; значения верхней и нижней частоты (f_н - f_в); среднегеометрическая частота (f_cр); ширина полосы (f_0.7) для уровня 0.7 октавного спектра. Видно, что октавные спектры L_p аэродинамического шума для всех скважин значительно различаются по абсолютному значению, по преобладающим частотам и ширине полосы аэродинамического шума. Рассматривалась зависимость L_p = f(Q_пар) для всех скважин с лубрикатором и для четырех режимов скважины 13.

В процессе запуска скважины № 1 аэродинамический шум непрерывно записывался на магнитофон. Задвижка скважины равномерно открывалась в течение 8 минут, что позволило проследить динамику аэродинамического шума, генерируемого ПВС во время медленного увеличения расхода и изменения паросодержания. На рис. 10б приведены полученные с помощью самописца уровня кривые среднеквадратического значения L_p аэродинамического шума на расстояниях 10 и 20 м.

На спектроанализаторе последовательно анализировались участки записи длительностью около одной минуты, спектры мощности для которых приведены на рис. 10а. По мере открытия скважины и увеличения дебита ПВС наблюдались возрастание уровня аэродинамического шума и трансформация спектров. После первой минуты открытия задвижки спектр шума содержал ряд спектральных пиков с максимумом на частоте f₁ = 0.26 кГц и амплитудой 0.5 мВ².

Таблица 5. Основные параметры скважин и характеристики их аэродинамического шума

Примечание; х массовое расходное паросодержание; Р - давление на устье скважины; L₁₀ максимальное значение уровня звукового давления на расстоянии 10 м, полученное с помощью октавных фильтров; f_Н - f_В значения верхней и нижней частоты; f_СР среднегеометрическая частота; f_0.7 ширина полосы для уровня 0.7 октавного спектра.

С увеличением дебита ПВС резко увеличивалась амплитуда спектральных пиков и происходила «перекачка» энергии из меньшей дискретной частоты в более высокие: f₂ = 0.43 кГц после второй минуты; f₃ = 0.64 кГц после третьей минуты; f₄ = 0.8 кГц после четвертой минуты. В дальнейшем до 8-ой минуты наблюдалась стабилизация спектра как по частоте, так и по амплитуде - около 6.0 мВ². После чего спектр несколько расплывается, появляются четко выраженный спектральный пик на частоте f₄ = 0.8 кГц с амплитудой 2 мВ² и небольшой спектральный пик на частоте f₁ = 0.26 кГц с амплитудой ~ 1.0 мВ².

Рис. 10. Эволюция спектров мощности (а) и динамика изменения уровня звукового давления аэродинамического шума при запуске скважины № 1(б).

Проведенные исследования генерации шума при выпусках ПВС в атмосферу из скважин Мутновского геотермального месторождения показали, что уровень звукового давления и спектральные характеристики шума связаны с гидродинамическими параметрами ПВС. В первом приближении наблюдаются линейные зависимости уровня звукового давления от логарифма расхода ПВС L_p = f(lgQ_ПВС) и логарифма среднегеометрической частоты по уровню 0.7 полуоктавных спектров от логарифма массового расходного паросодержания lgf_СР = f(lgч).

На основании полученных зависимостей, дополненных наблюдениями на специальном стенде, разработана методика экспресс-определения паросодержания по параметрам аэродинамического шума. Результаты наблюдений, выполненных на скважинах и стенде с различными диаметрами выпускных труб, были объединены с использованием нормировки на диаметр. На рис. 11 в билогарифмическом масштабе показано облако точек отношения звукового давления к диаметру трубы Р/d [Па/м] в зависимости от расхода пара Q [кг/с]. Все данные приведены к расстоянию от источника до микрофона в 10 м. Методом наименьших квадратов получено следующее уравнение регрессии: lg(P/d) =(0.79 0.06)lgQ_пар + (1.5 0.09).

Рис. 11. Зависимость отношения звукового давления аэродинамического шума к диаметру трубы от расхода пара: 1- данные, полученные на стенде «Камчатэнерго», d = 50 мм; 2 - скважины с d = 106 мм; 3 - различные режимы скв. 013, d = 200 мм; 4 - скв. 42.

При выпусках пара во время испытаний расконсервированной скважины №42 диаметром 0.2 м, уровень звукового давления на расстоянии 10 м составил 133 дБ, что соответствует звуковому давлению 89.1 Па. Исходя из полученной выше зависимости, расход пара оценивается (25.0 32.9) кг/с. Оценка расхода, полученная с помощью калориметра, составляет 18 кг/с при сравнительно низком паросодержании 18%, что на 37 % ниже полученной оценки.

В разделе 5.3 рассмотрены экспериментальные данные по регистрации аэродинамического шума, сопровождающего пульсирующее истечение пепло-газовой смеси при эксплозиях вулканского типа. Был проведен анализ данных регистрации аэродинамического шума (АШ) и сейсмических эффектов, сопровождавших пульсирующее истечение пепло-газовой струи в 1978 г. Данные были получены при синхронной работе измерителя шума и вибраций (ИШВ-1) и сейсмического канала со столообразной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне 1-10 Гц, на расстоянии 3.5 км от кратера. Шумомер позволял регистрировать изменение уровня звукового давления в диапазоне 16-10000 Гц с последующей последовательной фильтрацией октавными фильтрами. Проводилась аналоговая запись среднеквадратического значения сигнала, отфильтрованного фильтром со средненоминальной частотой f = 500 Гц, так как максимум спектра звукового давления для аэродинамического шума, сопровождавшего продувки, приходился на 500 Гц. Регистрация велась относительно уровня звукового давления в 50 дБ. В дальнейшем полученные аналоговые записи оцифровывались с временем дискретизации 0.02 с.

Уровень звукового давления АШ, возникающего при истечении струи в атмосферу, зависит от изменения плотности в реальном потоке жидкости, т.е. связан со скоростью истечения и диаметром сопла. Поэтому в нашем случае он является качественным показателем скорости истечения струи. На рис. 12 приведены образцы записей сейсмического сигнала и огибающей АШ с постоянной времени 5 с для двух эксплозий, произошедших в 6^h17^m и 8^h53^m 30 августа 1978 г. (GT). Наклонными линиями отмечено расчетное время запаздывания акустического сигнала относительно сейсмического.

Первая эксплозия (продувка) начинается с медленного истечения газо-пепловой смеси из кратера, причем в этом случае регистрируется слабое смещение грунта (< 0.03 мкм) и постепенно нарастающий интенсивный аэродинамический шум, достигающий через одну минуту после начала эксплозии более 80 дБ. Через 01^m45^s после начала эксплозии в течение 15 секунд образуется серия из 4 воздушных ударных волн, которые диагностируются по крутизне переднего фронта отдельных всплесков на огибающей АШ. Затем возникают периодические пульсации скорости истечения газо-пепловой смеси с периодом Т ? 2.0 с, которые прослеживаются на записи огибающей АШ в виде квазисинусоидального сигнала, а на записи смещения грунта в виде характерных колебаний со средней амплитудой до 0.08 мкм.

Рис. 12. Копии записей эксплозивных землетрясений и огибающей аэродинамического шума относительно уровня звукового давления 50 дБ после октавного фильтра со средненоминальной частотой f = 500 Гц, сопровождающих эксплозии вулкана Карымский 30 августа 1978 г.

Механизм генерации акустических и сейсмических волн при пульсирующем истечении пепло-газовой смеси на вулкане Карымском рассмотрен в разделе 4.2. В отличие от пульсирующего истечения при эксплозиях в 1997, 1998 гг., при эксплозиях 1978 и 1999 гг. не возникали ударные волны во время продувок, а за счет изменения производительности источника генерировались только инфразвуковые волны. Это связано с тем, что процесс фрагментации магмы может происходить с разной скоростью, которая зависит от таких параметров, как расход и вязкость магмы, весовое содержание летучих, а также от химического состава растворенных в магме газов.

Раздел 5.4 посвящен описанию генерации аэродинамического шума спутным потоком во время разрушения газовых пузырей при стромболианском типе активности (барботирующий режим).

Глава 6. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие в результате турбулентных процессов за счет выброса в атмосферу пирокластического материала

В разделе 6.1 даны общие представления генерации инфразвука конвективными процессами в эруптивной колонне, развитые в работах школы Ю.А. Гостинцева.

В разделе 6.2 приведены результаты изучения инфразвуковых волн, возникающих во время извержений вулкана Безымянного, которые, как правило, сопровождаются сходом и формированием пирокластических потоков (ПП).

Во время извержений вулкана Безымянного в 1983-1986 гг. регистрировались акустические сигналы двух разновидностей - импульсные акустические сигналы (ИАС) и непрерывные колебания инфразвукового диапазона (КИД). На рис. 13 приведены образцы записей ИАС, зарегистрированных во время извержений в октябре 1984 и июне 1985 г. В результате благоприятных условий для распространения звука на трассе БМЗ-АПХ сигналы, сопровождавшие извержение, в октябре 1984 г. записались с большой детальностью.

Рис. 13. Импульсные акустические сигналы, зарегистрированные во время извержений вулкана Безымянного в ноябре 1984 г. и июне 1985г.

Каждый ИАС начинался с высокочастотных колебаний (ѓ = 1-5 Гц), вслед за которыми через 1.5 - 3 с наблюдались низкочастотные колебания с ѓ = 0.25 - 0.3 Гц. Высокочастотная составляющая ИАС имела значительные вариации как по частоте, так и по амплитуде ДР = 0.5 - 5 Па. Для низкочастотной составляющей характерна глубокая фаза разрежения, время вступления которой изменялось от 4 до 6 секунд. Во время извержения в июне 1985 г. условия распространения АС на трассе БЗМ-АПХ были менее благоприятны. За счет рефракции звуковых лучей происходило значительное ослабление амплитуды ИАС в пункте регистрации (АПХ). В 1985 г. также выделялись две частоты, причем низкочастотный сигнал имел частоту ѓ = 0.4 - 0.6 Гц. В процессе извержения также наблюдались изменения и в форме ИАС.

На рис. 14а приведены записи сейсмического и акустического сигналов длительностью 150 с на сейсмической станции АПХ, сопровождавшие сход и формирование трех ПП в октябре 1984 г., которые совмещены по времени появления первого вступления инфразвуковых волн от условной нулевой отметки времени. Для двух сигналов начало извержения хорошо выделяется на сейсмическом канале, после чего через 35 секунд приходит импульсный акустический сигнал, что обусловлено разностью скоростей сейсмических и инфразвуковых волн. Колебания инфразвукового диапазона с характерной частотой ѓ = 0.3 - 1.0 Гц возникают через 20-25 с после прихода ИАС. По визуальным наблюдениям формирование восходящей конвективной колонны начинается после первого поворота абразивного желоба, расположенного на расстоянии ~1.5 км от кратера (рис. 2б). По данным фотосъемки развития эруптивного облака скорость фронта ПП оценивается 25 - 35 м/с (рис. 2в). Тогда максимальное время движения фронта ПП от кратера до поворота абразивного желоба составит 30 - 35 с. Данный факт согласуется с предположением о том, что КИД с ѓ = 0.3 - 1 Гц возникают во время движения и формирования ПП в результате крупномасштабных турбулентных пульсаций в конвективной колонне.

Рассматривалось соотношение между амплитудами акустического и сейсмического сигналов, сопровождавших формирование ПП. Амплитуды обоих сигналов усреднялись в минутных интервалах. Корреляционное поле зависимости lg ДP = f(lgA_c) для извержений ПП приведено на рис. 15а. Зависимость lgДP = f(lgA_c) для извержения 1984 г. образует компактную группу с коэффициентом корреляции r = 0.93 и может быть аппроксимирована линейной зависимостью lgДP, Па = 0.79lgA, мкм + 0.32. Для извержения 1985 г. облако точек lgДP = f(lgA_c) лежит значительно ниже. Амплитуда АС в 1985 г. почти на порядок меньше по сравнению с извержением 1984 г., причем часть точек образуют компактную группу (11 точек), которая может быть описана зависимостью lgДP, Па = 0.59lgA, мкм - 0.52. Пять точек имеют отклонение от линии тренда более чем на 0.3 порядка.

Рис. 14. Фрагменты записей акустических и сейсмических сигналов, сопровождавших извержения пирокластических потоков в октябре 1984 г. (а) и спектральная плотность мощности инфразвуковых акустических сигналов (б).

Распространение АС определяется стратификацией атмосферы, которая является движущей средой. Различия в стратификациях скорости звука для всех трех извержений приводят к различным соотношениям интенсивностей акустических и сейсмических сигналов. Как для извержения 1984 г., так же как для извержения 1985 г., точки зависимости lgДP = f(lgA_c) образуют компактные группы на разных уровнях со смещением почти на порядок по оси х. Две точки извержения 1986 г. расположены в промежуточной области между облаками точек извержений 1984 и 1985 г.

Рис. 15. Корреляционные поля между амплитудами избыточного давления инфразвуковых волн и сейсмических колебаний (а), корреляционное поле между мощностью АС и сейсмических колебаний грунта для ПП извержения 1985 г. (б).

Во время кульминационной стадии извержения вулкана Безымянного 29.06-1.07.1985 г. почти полное отсутствие ветровых помех позволило проанализировать все акустические сигналы с А 0.2 Па. С целью исследования особенностей акустического излучения от ПП различного генезиса оценивались мощности акустического и сейсмического источников.

Как видно на рис. 15б основная часть точек образуют компактную группу, которая может быть описана зависимостью lgW_a = 0.54lgW_c+ 0.86. Для группы сигналов № 4, 5, 13, 15 уровень акустической мощности значительно ниже линии полученной зависимости (рис. 15б), а сигнал № 14, наоборот, имеет более высокий уровень мощности акустического источника относительно расчетного.

По данным работы (Алидибиров и др., 1988), отложения ПП № 4 и 14 по гранолуметрическому составу и генезису сильно отличаются. Материал заполнителя ПП № 4 более крупнозернистый и более резургентный, чем для ПП № 14. Это указывает на то, что сигналы № 4, 5 возникли при образовании глыбово-пепловых ПП, которые сопровождались обвалом стенок абразивной впадины, и теплоотдача с поверхности этих ПП была значительно ниже относительно «нормальных» ПП. Извержение ювенильного ПП № 14, отложения которого перекрыли отложения всех предшествующих, наблюдалось из пункта ЗМН (см. рис. 2). При движении ПП его материал имел темно-вишневый цвет, что позволило оценить его температуру в 600-700С. Высокая температура и газонасыщенность ПП № 14, способствовали быстрому развитию мощного эруптивного облака, в результате чего мощность акустического сигнала от него была максимальной.

Рассчитанные значения мощности акустического и сейсмического излучений ПП для извержения 29 июня - 2 июля 1985 г. приведены на рис. 16, где также указаны результаты визуальных наблюдений из лагеря, расположенного на отрогах сопки Зимина в 8.5 км от кратера вулкана (см. рис.2б). На этом же рисунке приведено также число ИАС с Д Р 0.2 Па.

Рис. 16. Мощность акустических инфразвуковых и сейсмических сигналов, сопровождающих извержения пирокластических потоков, и число импульсных акустических сигналов в час с А ? 0.2 Па. Толщина столбцов соответствует длительности сигнала. Волнистые линии разделяют отдельные временные участки, на которых наблюдались извержения ПП. 1 - Мощность инфразвуковых акустических сигналов; 2 - мощность сейсмических сигналов, 3- число импульсных акустических сигналов с Д Р 0.2 Па в час; 4- период грозовой активности; 5 - визуально наблюдаемые ПП; 6 - номера ПП.

Сопоставление визуальных наблюдений с сейсмической и акустической информацией позволило проследить кинетику кульминационной стадии извержения 29.06-1.07.1985 г. и реконструировать ход извержения.

В разделе 6.3 рассмотрены инфразвуковые волны от сильных эксплозивных извержений в дальней зоне от вулканов Безымянного (~ 350 км) и Карымского (125 км).

Динамика извержения вулкана Безымянного 9 мая 2006 г. изучалась на основании режимных видеонаблюдений, которые осуществлялись из пос. Козыревск. Это позволило выделить две фазы: фазу декомпрессии и фазу извержения ПП. Волновые возмущения, сопровождавшие это извержение, были зарегистрированы в пунктах «Петропавловск» (ПТР - 340 км) и «Начики» (НЧК - 367 км), а сейсмический сигнал хорошо записался на сейсмической станции «Эссо» на расстоянии 190 км от вулкана (Фирстов, Пономарев, 2007, Фирстов, Тристанов 2009). На рис. 17 приведены копии записей волновых возмущений от этого извержения, зарегистрированные микробарографами с различными амплитудно-частотными характеристиками. В пункте ПТР микробарограф имел широкополосную (0 .003 - 0.3 Гц), а в пункте НЧК узкополосную амплитудно-частотную характеристику (0.4-8.0 Гц). Обе фазы активности хорошо выражены на записях акустического и сейсмического сигналов. Акустический эффект от первой фазы извержения на записях в обоих пунктах представлен тремя цугами колебаний (рис. 17).

На широкополосном канале в ПТР первый цуг состоит из длинноволнового возмущения с фазой длительностью ~ 60 с, на которое накладываются более «высокочастотные» колебания. Как видно на рис. 17, время прихода вступления первого АС - 8^h 41.5^m. Если, согласно скоростного разреза, принять скорость звука 0.3 км/с, то время распространения АС до ПРТ составит 19.2^m, а время его возникновения будет t₀ = 8^h 22.3^m, что близко к времени возникновения сейсмического сигнала 8^h22.1^m. Два вторых цуга обусловлены особенностями распространения инфразвука на трассе источник-пункт приема.

Рис. 17. Волновые возмущения в атмосфере, зарегистрированные микробарографами в пунктах Петропавловск и Начики, а также сейсмические эффекты, зарегистрированные на сейсмической станции Эссо, во время извержения вулкана Безымянный 9 мая 2006 г. Стрелкой отмечена фаза разрежения длинноволнового акустического возмущения.

Раздел 6.4 посвящен экспериментальным исследованиям акустических и сейсмических сигналов от снежных лавин на северном склоне горы Чегет (Кавказ). Исследования инфразвуковых колебаний, сопровождающих извержения пирокластических потоков на вулкане Безымянный, натолкнули соискателя на мысль о проведении наблюдений за сейсмическим и акустическим излучениями от другого типа гравитационных потоков - снежных лавин (Фирстов и др., 1990а,б). Возможность осуществлять искусственный спуск снежных лавин являлась значительным преимуществом этого эксперимента относительно наблюдений за неконтролируемыми извержениями вулканов. За время работы было спущено 5 лавин объемом (1- 8)10⁴ м³, две из которых сопровождались инфразвуковым АС (воздушной волной) с частотой 0.5 - 4.0 Гц. Мощность акустического источника составила 2•10⁴ Вт для лавины объемом 810⁴ м³.

Глава 7. Волновые эффекты в атмосфере от извержений типа «Направленный взрыв»

Внимание всего мирового сообщества вулканологов в течение многих десятилетий привлекают исследования катастрофических эксплозивных извержений типа «направленный взрыв» вулканов: Безымянный, 1956 г. (Камчатка); Шивелуч, 1964 г. (Камчатка); Сент -Хеленс, 1980 г. (Каскадные горы, США). Извержения характеризуются грандиозным разрушением вулканических построек и большой мощностью, когда после значительного разрушения постройки за короткий отрезок времени на поверхность Земли выносится большое количество вулканического материала с секторным его распространением на десятки километров. После извержения вулкана Безымянного в 1956 г. Г.С. Горшков (1960) обратил внимание на длинноволновые акустические возмущения (ДАВ) длительностью в нескольких минут, сопровождавшие это извержение и указал на их информативность. Он высказал предположение, что они могут служить источником инструментальной информации о динамике извержений, и наряду с геологическими данными могут пролить свет на различие и сходство в сценариях подобных катастроф.

В разделе 7.1 на основании литературных данных дано краткое описание извержений типа «направленный взрыв»: Безымянный, 1956 г. (Камчатка); Шивелуч, 1964 г. (Камчатка); Сент -Хеленс, 1980 г. (Каскадные горы, США). Также приводится описание расположения микроборографических пунктов во время извержения вулкана Шивелуч в 1964 г.

В разделе 7.2 дана характеристика длинноволновых акустических возмущений в ближней и дальней зонах, сопровождающих извержения типа направленный взрыв, и рассмотрены особенности их формы.

Копии трехчасовых записей атмосферного давления метеорологическими барографами, расположенными вблизи вулканов, на которых зарегистрированы ДАВ от четырех извержений типа «направленный взрыв», приведены на рис. 18.

Рис. 18. Записи длинноволновых акустических возмущений, сопровождавшие извержения типа «направленный взрыв», метеорологическими барографами в ближней зоне.

На качественном уровне дано объяснение формирование ДАВ для извержений типа «направленный взрыв». Первый полупериод ДАВ для вулканов Мон - Пеле, Безымянный и Шивелуч связан с выносом в атмосферу вулканических газов и материала фрагментации с температурой значительно выше температуры воздуха, что приводит к возникновению начального импульса длительностью несколько минут (7.7 -13.2 мин), обусловленного изменением эффективного объема поднимающейся струи продуктов в атмосфере до точки зависания. Сравнительно «высокочастотная» фаза избыточного давления ДАВ от извержения вулкана Сент-Хеленс говорит о более «жестком» источнике, которая определяется теплоемкостью процесса в единицу времени.

После образования конвективной колонны плинианскую деятельность можно рассматривать как постоянно действующий источник тепла и массы, который некоторое время поддерживает в атмосфере существование струи от поверхности Земли до тропопаузы и выше. Возникает мощный подсос воздуха и формируется фаза разрежения, которая связана с суммарной мощностью тепловыделения, как с площади распространения «взрывных отложений», так и выносимого в атмосферу горячего пепла во время плинианской деятельности. Кроме того, конденсация большого количества перегретого ювенильного пара также способствует формированию глубокой фазы разрежения. Не исключена возможность подпитки струи теплом в результате окислительных реакций вулканических газов с кислородом воздуха по периферии колонки. После уменьшения удельной теплоемкости источника ниже определенного порога конвективная струя теряет высоту, происходит опускание, переохлажденных по отношению к точке равновесия, продуктов извержения, которые вызывает сжатие внутренних слоев атмосферы, что фиксируется в виде второго максимума. При извержении вулкана Безымянный в 1956 г. наблюдалась наибольшая высота эруптивной колонки и была зарегистрирована наибольшая фаза разряжения в ДАВ в 1.5 кПа, что свидетельствует в пользу большой интенсивности этого извержения.

Сравнение формы записи ДАВ от извержений вулканов Безымянный и Сент-Хеленс в дальней зоне показало, что наличие «высокочастотной» волны сжатия в сигнале от извержения вулкана Сент-Хеленс указывает на то, что начальный процесс этого извержения имел более «жесткий» источник.

В разделе 7.3 дана реконструкция динамики катастрофического извержения вулкана Шивелуч 11 ноября 1964 г. (Фирстов, 1996). Реконструкция осуществлялась на основании сопоставления записей акустических и сейсмических сигналов, записанных на станциях Ключи ( = 45 км) и Козыревск ( = 113 км). На рис. 19а приведены длиннопериодные волновые возмущения в атмосфере, восстановленные по записям микробарографа станции КЗР, и запись флуктуаций атмосферного давления на метеорологическом барографе в пос. Ключи (рис. 19г), сопровождавшие это извержение. Наблюдается качественное сходство длиннопериодных сигналов, зарегистрированных различной аппаратурой. На этом же рисунке приведены мощности вулканического дрожания и «высокочастотной» составляющей АС, полученной путем фильтрации сигнала, записанного на ст. КЗР, фильтром высоких частот с f_гр = 0.04 Гц.

Рис. 19. Длинноволновое акустическое возмущение, восстановленное по записи микробарографа в пункте КЗР и приведенное к времени возникновения (а), мощность источника «высокочастотного» акустического излучения (б), мощность вулканического дрожания (в), запись флуктуаций атмосферного давления метеорологическим барографом в пункте КЛЧ (г).

На основании совместного анализа сейсмического и акустического сигналов выделены времена переломных моментов и составлена хронологическая таблица (табл. 6). Через ~70 с после самого сильного землетрясения с энергетическим классом К = 12.3 в течение около 10 минут регистрировались инфразвуковые колебания - АС1. С учетом времени пробега акустического сигнала время возникновения источника, которому обязано появление АС1, можно отнести к 19^h07^m40^s. В этот период на сейсмической станции КЛЧ ( = 45 км) сигнал отсутствовал. На этом этапе извержения интенсивность акустического излучения позволила зарегистрировать АС на удалении более 100 км, в то время как мощность сейсмического источника была недостаточной, чтобы сейсмический сигнал был зафиксирован на расстоянии 45 км. Это объясняется тем, что при гравитационных потоках мощность акустического превосходит мощность сейсмического сигнала на несколько порядков. На основании этого факта в совокупности с геологическими данными можно предложить следующую схему начала извержения.

Таблица 6. Последовательность сейсмических и акустических явлений начала извержения в. Шивелуч 11 ноября 1964 г. (время GMT)

Перед началом извержения скорость сейсмотектонических деформаций резко возросла, что является свидетельством интенсивного роста напряжений в районе вулкана в результате быстрого подъема магмы к дневной поверхности. При малой глубине очага (H =10 км) землетрясения постройка вулкана могла быть нарушена в результате землетрясения, что привело к потере устойчивости склона и его обрушению. Обрушение склона породило обвальную лавину, отложения которой протяженностью 16 км выделяются по геологическим данным. При движении лавины часть энергии за счет сил трения «перекачалась» в энергию упругих колебаний грунта, а над телом лавины образовался пылевоздушный поток, который дал начало конвективному облаку - первому (I) источнику акустических колебаний инфразвукового диапазона. Акустический источник I работал в течение 8.5 мин, что близко к расчетному времени движения обвальной лавины, если принять среднюю скорость движения 30 м/с, которая была зафиксирована во время извержения вулкана Сент - Хеленс в 1980 г.

После окончания работы первого акустического источника в течение почти 4 минут сигналы обоих видов не регистрировались. После обвала извержение не получило бурного развития, как это произошло в 1980 г. на вулкане Сент-Хеленс. Отсутствие криптокупола и большая глубина внедрения магмы обусловили инертность процесса. Только спустя 12 минут после обвала (в 19^h20^m) на ленте станции КЛЧ появилось ВД, одновременно начали регистрироваться воздушные волны. Появление ВД и акустического сигнала связано с началом плинианской стадии извержения. В этот период высота эруптивной тучи достигла 7-8 км.

В 19^h48^m резко возрастает амплитуда ВД и к этому моменту приурочена вторая положительная фаза длинноволновых возмущений в атмосфере (рис. 19). Интенсивность волновых возмущений в атмосфере зависит от тепловыделения в источнике. Резкое увеличение тепловыделения приводит к нарушению стационарности процесса и возникновению фазы избыточного давления в длинноволновой части спектра АС. Этот период извержения нами связывается с началом излияния пирокластических потоков и, возможно, с новым обвалом части постройки. Отложения ПП значительно увеличили мощность тепловыделения и соответственно высоту конвективной колонны, достигшей максимума 10-15 км.

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 относить к извержениям типа «направленный взрыв». Такие извержения имеют следующий обобщенный сценарий:

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

- внедрение магмы приводит к деформациям и потери 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, а под действием мощной пепло-газовой струи происходит дальнейшее формирование кратера за счет эрозии.

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. Приведенная схема сценария подтверждается как геологическими, так и геофизическими данными.

Заключение

1. В работе приведены результаты исследований, базирующиеся на экспериментальном материале, полученном при регистрации акустических сигналов в широком диапазоне частот от сотен до тысячных герц, сопровождавших различные природные процессы. Основная доля исследований выполнена на извержениях вулканов Камчатки с различным типом активности. Для исследований использовался широкий набор аппаратуры, позволяющей вести регистрацию волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот. Создание временных полевых пунктов в непосредственной близости от извергающихся вулканов позволили 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 (Фирстов, 2003, Фирстов, 2007, Фирстов, Тристанов, 2009).

В результате проделанной работы показана актуальность и перспективность использования дистанционного акустического метода для мониторинга вулканических извержений и заложены основы нового научного направления акустика вулканических извержений.

2. На основе собственного экспериментального материала, собранного почти за тридцатилетний период, и литературных данных автором предложена феноменологическая классификация ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений. За основную характеристику классов приняты характерные частоты и физические процессы, в результате которых происходит генерация АС (Firstov, 1994, Firstov, 1996; Фирстов, Филиппов, 1997).

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. Два других класса АС связаны с турбулентными процессами в эруптивых облаках вулканических извержений.

3. Показано, что 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 на 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 _res = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) ₁, даваемых теорией нелинейных колебаний. В спектрах АС, зарегистрированных во время извержения побочного кратера Предсказанный, который представлял собой жерло, также отмечаются частоты, характерные для нелинейного резонанса.