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

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

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

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

Для извержения вулкана Ключевского типична стромболианская активность, которая характеризуется выбросами отдельных обрывков лавы в результате разрушения всплывающих газовых «пузырей». При всплытии на поверхность лавы «пузыря» происходит разрушение его оболочки, сопровождающееся возникновением как импульсных АС, так и сейсмического сигнала за счет воздействия волны разгрузки на магматический столб в подводящем канале. Наблюдается группирование АС в кластерные квазипериодичности, что связано с возникновением «волн газосодержания».

Для Большого трещинного Толбачинского извержения - 1975, 1976 гг. и извержений вулкана Ключевского в 1983, 1987, 1989 гг. характерны отрезки времени, когда АС возникают с квазипериодичностью 1-4 с. Для другой квазипериодичности характерный период составляет 60-80 с.

Квазипериодические акустические излучения разного периода указывают на автоколебательные процессы, возникающие на разных уровнях в магматическом канале. Высказано предположение, что квазипериодичность с периодом 1-4 с. возникает в результате автоколебательного процесса, в котором роль обратной связи выполняет волна разрежения, бегущая по магматическому каналу вниз до зоны «разрушающейся пены». Под воздействием волны разрежения происходит ускоренная дегазация и формирование нового пузыря. Квазипериодичность с периодом около минуты («волна газосодержания») связана с тем, что вновь поднявшемуся объему лавы необходимо время релаксации на новом уровне для выделения летучих и формирования зоны «разрушающейся пены».

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

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

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

Обработка результатов регистрации импульсных инфразвуковых сигналов и аэродинамического шума во время извержений стромболианского типа при терминальных извержениях вулкана Ключевского позволила рассчитать зависимости интенсивности и длительности АШ от амплитуды избыточного давления в фазе сжатия АС. Наиболее правдоподобным объяснением этого эффекта является то, что в этом случае формируется снарядный режим течения двухфазной смеси; силикатный расплав - газ. При этом если снаряд занимает все сечение канала, как показано в экспериментальной работе (Ozerov, 2009), то за крупными газовыми снарядами, занимающими все сечение канала, возникает шлейф мелких пузырей. При выходе снаряда на «дневную» поверхность за счет избыточного давления в нем генерируется воздушная волна и образуется полость, в которой происходит декомпрессия. Это приводит к коалесценции шлейфа мелких пузырей, следующих за газовым снарядом, и к фрагментации верхнего слоя магмы с образованием пепло-газовой струи - источника аэродинамического шума.

5. Во время эксплозивных извержений вулкана Безымянного регистрируются акустические сигналы двух разновидностей: импульсные, связанные с отдельными эксплозиями, и непрерывные инфразвуковые колебания, обусловленные формированием восходящей конвективной колонки нагретых продуктов в момент движения и развития пирокластических потоков.

Импульсные сигналы, зарегистрированные во время извержений вулкана Безымянного, имеют низкочастотную составляющую с частотой 0.25 - 0.6 Гц, на которую накладываются более высокочастотные колебания с f = 1 - 5 Гц. Наличие двух характерных частот в спектрах акустических сигналов вулкана Безымянного резко отличает их от сигналов, зарегистрированных во время извержений вулканского и стромболианского типов.

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

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

На основании сейсмических и акустических данных рассмотрена кинетика извержения вулкана в 1985 г. Выделено 16 пар взаимосвязанных сейсмических и акустических сигналов, которые возникали во время извержения пирокластических потоков. Для 11 случаев получена эмпирическая зависимость, которая позволила получить соотношение между мощностями сейсмического и акустического источников lgДP, Па = 0.59lgA, мкм - 0.52. Исследуя отклонение от полученной эмпирической зависимости данных для отдельных ПП установлено, что сигналы № 4, 5 связаны с образованием пеплоглыбовых ПП, отложения которых были хорошо изучены после извержения, а фаза «направленного взрыва» может быть отнесена к событию № 12. Наиболее интенсивный сейсмический сигнал зарегистрирован для извержения ювенильного ПП № 14.

Во время достаточно сильных эксплозивных извержениях волновые возмущения в атмосфере могут регистрироваться на достаточно больших расстояниях. При этом за счет стратификации атмосферы происходит формирование цуга колебаний, формирование которого происходит не только за счет взрывного процесса, но и за счет турбулентных пульсаций эруптивного облака. Зарегистрированные в дальней зоне интенсивные сейсмические и акустические сигналы, сопровождающие мощные эксплозии вулкана Карымского в 1971 г., позволили получить энергетические оценки и реконструировать динамику начальной фазы извержения. Акустические сигналы, сопровождающие начало извержения этого вулкана в 1996 г., дали возможность установить время начала извержения и показали, что извержение началось из двух центров (вершинный кратер и озеро Карымское) почти одновременно.

Впервые в мировой практике исследований удалось зарегистрировать инфразвуковой акустический сигнал (воздушную волну) с частотой 0.5 - 4 Гц, возникающий при сходе снежных лавин, которые, так же как и пирокластические потоки, относятся к классу гравитационных потоков. Мощность акустического источника составляла примерно 10.4 Вт для лавин объемом 8.10⁴ м³. Проведенный эксперимент показал перспективность сейсмоакустического метода для дистанционного мониторинга схода лавин. Соотношения интенсивностей сигналов, сопоставление характера изменения во времени их огибающих, запаздывания возмущений в разнотипных сигналах, данные синхронной фото - киносъемки движения лавин могут быть использованы как источники информации о физических процессах, сопровождающих движения лавин.

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

Для всех трех извержений типа «направленный взрыв» (Безымянный, 1956; Шивелуч, 1964; Сент-Хеленс, 1980) внедрение магмы привело к большим деформациям постройки, что привело к землетрясениям с М = 5.1 - 5.2 на глубине 1.5-2.0 км, а затем к потере устойчивости склона с последующим секторным обвалом. На основе анализа уникальных записей волновых возмущений в атмосфере и колебаний грунта, сопровождавших извержение типа «направленный взрыв» вулкана Шивелуч в ноябре 1964 г., выполнена реконструкция этого извержения. На основании акустических наблюдений было установлено, что обвал произошел за ~ 13 минут до начала плинианской стадии извержения. Обвал в этом случае не создал резкую декомпрессию, т.к. внедрившаяся порция магмы, о чем можно с большой уверенностью говорить на основании сейсмических и акустических данных, залегала на большей глубине по сравнению с извержениями вулканов Безымянный и Сент-Хеленс.

На основе изучения извержений с секторным отложением материала типа «направленный взрыв» показано, что они имеют обобщенный сценарий (Фирстов, 1996), но в зависимости от ряда причин далеко не все стадии сценария имеют место во время извержения того или иного вулкана, а энергетическое соотношение между стадиями определяется многими факторами.

аэродинамический шум вулкан акустический

Результаты работы представлены в следующих публикациях

Монографии:

1. Фирстов П.П. Вулканические акустические сигналы диапазона 1,010 Гц и их связь с эксплозивным процессом. Петропавловск - Камчатский. 2003. 90с.

Статьи в реферируемых изданиях:

1. Токарев П.И., Фирстов П.П. Сейсмологические исследования вулкана Карымский // Бюл. вулканол. станций. 1967. № 43. С.

2. Дубик Ю.М., Огородов Н.В., Абдурахманов А.А., Хренов А.П., Токарев П.И., Фирстов П.П., Широков В.А., Лемзиков В.К. Начало нового эруптивного цикла активности вулкана Карымский в мае 1970 года // Бюл. вулканол. станций. 1972. № 48. С. 3-30.

3. Фирстов П.П., Адушкин В.В., Сторчеус А.В. Ударные воздушные волны, зарегистрированные во время Большого трещинного извержения в сентябре 1975 г. // ДАН. СССР. 1978. т. 259. № 5. С. 1078-1081.

4. Фирстов П.П.,Токарев П.И., Лемзиков В.К. Киносъемка выбросов и схема эксплозивного процесса вулкана Карымского // Бюл. вулканол. станций. 1978. № 55. С. 27-35.

5. Фирстов П.П., Иванов В.В., Карпухина Ю.В. Временные и энергетические закономерности извержений вулканов Курило-Камчатского региона в 1956-1976 гг. // Бюл. вулканол. станций. 1979. № 57. С. 3-11.

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

7. Фирстов П.П., Сторчеус А.В. Акустические сигналы, сопровождавшие извержение вулкана Ключевского в марте-июне 1983 года // Вулканология и сейсмология. 1987. № 5. С. 66-80.

8. Фирстов П.П., Трубников Б.А. Нелинейные колебания в жерле вулкана Ключевского // ДАН. СССР. 1988. т. 301. № 2. С. 313-317.

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

10. Фирстов П.П. Особенности акустических и сейсмических волн, сопровождавших извержение вулкана Безымянный в 1983-1985гг. // Вулканология и сейсмология. 1988. № 2. С. 81-97.

11. Фирстов П.П, Суханов А.А., Пергамент В.Х., Радионовский М.В., Горецкий А.С. Экспериментальные исследования сейсмических и акустических сигналов снежных лавин на северном склоне горы Чегет // Материалы гляциологических исследований. 1990. № 69. С. 153-160.

12. Фирстов П.П., Суханов А.А., Пергамент В.Х., Радионовский М.В Акустические и сейсмические сигналы от снежных лавин // ДАН СССР 1990. Т. 312. № 1. С. 67-71.

13. Максимов А.П., Фирстов П.П, Гирина О.А., Малышев А.И. Извержение вулкана Безымянный в июне 1986 г. // Вулканология и сейсмология. 1991. № 1. С. 3-20.

14. Чунчузов И.П., Отрезов А.И, Фирстов П.П. Эксперементальное исследование внутренних гравитационных волн в горной местности // Изв. АН СССР ФАО. 1991. Т. 27. № 4. С. 362-368.

15. Чунчузов И.П., Фирстов П.П. Особенности распространения акустического импульса от вулканических взрывов, происходящих в вершинном кратере вулкана Ключевского (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1992. № 2. С. 96-106

16. Фирстов П.П., Гаврилов В.А., Кирьянов В.Ю., Жданова Е.Ю. Начало нового экструзивного извержения вулкана Шивелуч в апреле 1993 г. // Вулканология и сейсмология. 1994. № 4-5. С. 33-47.

17. Фирстов П.П., Кравченко Н.М. О возможности использования воздушных волн для оценки количества эксплозивного газа, высвобождаемого во время вулканических извержений // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4-5. С. 160-171.

18. Фирстов П.П. Реконструкция динамики катастрофическогоизвержения вулкана Шивелуч 11 ноября 1964 г. на основании данных о волновых возмущениях в атмосфере и вулканическом дрожании // Вулканология и сейсмология. 1996. № 4-5. С. 33-47.

19. Фирстов П.П., Филиппов Ю.А. Система хранения и обработки записей волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений // Вулканология и сейсмология. 1997. № 2. С. 36-49.

20. Фирстов П.П. Особенности спектрального состава аэродинамического шума пароводяных скважин Мутновского геотермального месторождения (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2005. № 4. C. 47-55.

21. Сторчеус А.В., Фирстов П.П., Озеров А.Ю. Возможный механизм генерации акустических и сейсмических волн при пульсирующем истечении газо-пепловой смеси на вулкане Карымский // Вулканология и сейсмология. 2006. № 5. C. 3-16.

22. Фирстов П.П., Тристанов А.Б., Махмудов Е.Р. Об организации наблюдений за волновыми возмущениями в атмосфере на полуострове Камчатка // Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. Изд-во КГУ. 2008. №. Вып. . С. 164 - 173.

23. Фирстов П.П. Ударно-волновые и акустические эффекты при вулканических извержениях (обзор) // Вестник КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. Изд-во КГУ. 2009. №.2. Вып.13 . С. 31-45

24. Firstov P.P., Filippov Yu. A. A System to Store the Wave Disturbances in the Atmosphere Caused by Volcanic Eruptions // ADBIS'96. Proceedings of the Third International Workshop on Advances in Databases and Information Systems/ Moscow. V.2. 1996. P. 66-67.

25. Ozerov A. Yu., Firstov P. P., Gavrilov V. A. Periodicities in the Dynamics of Eruptions of Klyuchevskoi Volcano, Kamchatka // Monograph Series. № 172. Volcanism and Subduction: The Kamchatka Region; Geophysical. 2007. P. 283-291.

Работы в сборниках:

1. Токарев П.И., Фирстов П.П. Извержение вулкана Карымского 1970-1973 гг. Геофизические исследования // Вулканизм островных дуг. М.: Наука. 1977. С. 65-76.

2. Фирстов П.П., Лемзиков В.К., Руленко О.П. Сейсмический режим вулкана Карымского (1970-1973 гг.) // Вулканизм и геодинамика. М.: Наука, 1977. С. 161-179.

3. Фирстов П.П., Адушкин В.В., Сторчеус А.В. Ударно-воздушные волны, сопровождавшие Большое трещинное Толбачинское извержение (сентябрь 1975г.) // Геологические и геофизические данные о Большом трещинном Толбачинском извержении 1975-1976 гг. М.: Наука, 1978. С. 182-188.

4. Пергаменг В.Х., Кокарев Н.А. , Гусев М.А., Скомиков И.Ф., Чобин Г.П. , Кирпичев М.С., Фирстов П.П. Сейсмические и ударно-воздушно-волновое действие взрывов в замкнутых объемах с разгрузочным отверстием // Подземная разработка мощных рудных месторождений. Магнитогорск. 1993. С. 90-96.

5. Пергамент В.Х, Фирстов П.П., Красавин А.П. Масштабный фактор и критерии подобия давлений воздущных волн при контактных взрывах // Подземная разработка мощных рудных месторождений. Магнитогорск. 1997. 128-149.

6. Фирстов П.П. Исследования волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений на Камчатке // Современный вулканизм и связанные с ним процессы. Петропавловск-Камчатский. 2003. С. 75-77.

7. Фирстов П.П. Регистрация волновых возмущений на полуострове Камчатка // В сб. Материалы III международной конференции «Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений. 2004.

8. Фирстов П.П., Маневич А.Г., Озеров А.Ю. Волновые возмущения в атмосфере от эксплозий вулкана Карымского (1997-1999 г.г.) // Материалы ежегодной конференции посвященной Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2004. С. 26-32.

9. Фирстов П.П. Длинноволновые акустические возмущения - источник информации о сильных эксплозивных извержениях// Материалы ежегодной конференции посвященной Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2007. С. 26-32.

10. Фирстов П.П., Пономарев Е.А. Влияние магматической воды на ударно-волновые эффекты эксплозивных вулканических извержений // Материалы ежегодной конференции, посвященной Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2008. С. 282-291.

11. Фирстов П.П., Тристанов А.Б. Особенности процесса генерации волновых возмущений в атмосфере во время извержений пирокластических потоков и мощной эксплозивной деятельности андезитовых вулканов // Материалы ежегодной конференции, посвященной Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2010. С. 150-161.

Размещено на Allbest.ru