WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 
На правах рукописи





Фирстов Павел Павлович

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

г. Южно-Сахалинск, 2010 г.

Работа выполнена в Институте вулканологии и сейсмологии

Дальневосточного отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:                доктор физико-математических наук, профессор

Каллистратова Маргарита Александровна,

ИФА РАН, г. Москва

доктор физико-математических наук, профессор

Короченцев Владимир Иванович,

ДВГТУ, г. Владивосток

доктор  физико-математических наук

Викулин Александр Васильевич,

ИВиС ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский

Ведущая организация:                Институт динамики геосфер РАН,  г. Москва

       Защита состоится  21  сентября 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 005.026.01 при Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН по адресу: 693022, г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1б.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск, ул. Науки, 1б).

Автореферат разослан        « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 005.026.01

кандидат физико-математических наук                                О.Н. Лихачева

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 2ой 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.

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

       

Дополнительные сведения.

С середины 70х до 90х 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 70х 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  = 1÷10 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 = 0,003÷1 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 50х 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 70х  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 80Х 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  ΔP = 2÷500 Па в частотном  диапазоне  1÷10  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 3⋅10-4 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

Вулкан

Годы извержений

Примечание

1

Шивелуч

1964*, 1993

Регистрацию осуществлял П.И. Токарев.

2

Ключевской:

Вершинный кратер

1978, 1983, 1984, 1986-1989

Побочное извержение

1983

3

Безымянный

1983 – 1986, 2006

4

Толбачик:

Регистрацию осуществлял А. В. Сторчеус

Северный прорыв

1975

южный прорыв

1976*

5

Карымский

1970-1972, 1978, 1996

6

Алаид

1982*

Регистрацию осуществлял В.А. Широков

  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; КЗРКозыревск; АПХ Апахончич; КРМ Карымский; ПРТПаратунка.

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. 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  19h 25m (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.

   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 19h  25m  (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.).

       

       

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 ΔP+ в Па, время действия фазы сжатия τ+ в с; ΔP-, τ- - 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).

       

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

Многочисленные работы по изучению распространения ВУВ от взрывов позволили получить ряд эмпирических формул, имеющих в основном вид степенных многочленов, выражающих зависимости ΔР+= f1(-r ), I+=f2(-r ), τ+= f3(-r) для различных видов взрывчатых веществ и условий проведения взрыва (воздушные, накладные и камуфлетные взрывы), где r = r/Q1/3- приведенное расстояние. Используя экспериментально полученные зависимости для фиксированной точки наблюдений, логично рассмотреть зависимости I+, τ+ от ΔР+, которые можно представить степенными функциями типа  y = 10mxn  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 τ+ = f(ΔP+) для ВУВ II и III типов сходна с кривой для накладных зарядов, но с постоянным превышением τ+ 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⋅τ+, где С0 – скорость звука в атмосфере на высоте источника h.  При этом  учитывалось, что по мере удаления от источника для ВУВ происходит увеличение τ+ ~ R0.4. Для всех извержений бралось среднестатистическое значение τдля АС IV и V типов. Относительное отклонение δr = |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 τ+, 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 ωres = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) ω1, даваемых теорией нелинейных колебаний в полуоткрытой трубе длиной L с невозмущенной скоростью звука С0  и  ω1 = π 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 (ΔР+ + ΔР-) прямой волны слабо зависит от скоростной стратификации нижней тропосферы (Чунчузов, Фирстов, 1992).

       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.

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

       Для отдельных эксплозий параметры АС и соотношение  ΔP+ к максимальной амплитуде эксплозивных землетрясений (Аmax) 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.

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).

Для 1997 г. характерен сбалансированный импульс с длительностью фазы сжатия τ+ = 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. 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-τ+ = 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 -τ+ = 0.17 с, что соответствует радиусу сферической поверхности повышенного давления а = 56 м, при радиусе кратера по данным аэрофотосъемки rкр = 62 м. Сопоставление длительности фазы сжатия τ+ с размером кратера вулкана Карымский в 1997-1999 гг. подтверждает вывод, что формирование воздушных волн происходит по типу излучения из свободного конца трубы – кратера.

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 ΔР-. 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 21 августа 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 Δτ  = 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 Δτ 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 60–80 с, рис. 5, 8). Дальнейшее увеличение времени запаздывания Δτ  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, Δτ  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.

Интервал, с

Вид

наблюдений

f1,  Гц

А1,

усл. ед.

f2, Гц

А2, усл. ед.

f3, Гц

А3, усл. ед.

f4, Гц

А4, усл. ед.

f5, Гц

А5, усл. ед.

f6, Гц

А6, усл.ед.

1

20-28

АС

0.97

1.53

1.83

4.71

2.56

3.0

3.4

2.38

4.1

1.3

5.0

1.02

СС

0.97

0.29

1.95

0.32

2.44

0.1

-

-

-

-

-

-

2

41-48

АС

0.85

4.03

1.95

9.25

2.8

4.86

3.78

3.63

-

-

-

-

СС

0.97

1.27

2.07

9.06

2.82

1.46

-

-

-

-

-

-

3

86-101

АС

0.73

1.17

1.46

6.88

2.07

3.25

2.8

2.66

3.42

1.49

4.75

0.82

СС

0.73

0.52

1.46

3.82

2.07

19.67

2.8

2.64

-

-

-

-

4

101-114

АС

0.85

1.75

1.70

4.0

2.44

2.26

3.5

2.50

-

-

-

-

СС

0.85

1.34

1.58

4.56

2.19

3.29

2.92

3.60

-

-

-

-

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 (2 > 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

Извержение
Газ
Лава

χ%

ΔV, м3

Δt, c

Qo, м3/с

ρ,  кг/м3

Qв, кг/с

Qo, м3/с

ρ, кг/м

Qв⋅10-4, кг/с

ЮП БТТИ

8324

4.5

1816

0.17

З08.0

25

2300

5.8

0.5

ПРД

216

2.0

108

18.4

5

2500

1.2

0.2

КЛЧ

760

4.2

179

30.4

-

-

-

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 ΔV, энергия взрывного процесса для отдельного выброса (Е0) и энергия акустического источника (Еа) для всех трех извержений с использованием среднестатистических значений акустических сигналов. Учитывая интервал между выбросами Δt, оценивался объемный расход газа Qo. Считая, что основная доля газа состоит из водяного пара, объемный вес которого при Т=1000С равен 0.17 кг/м3, определялся весовой расход газа Qв (табл. 3). Наибольший весовой расход эксплозивного газа из всех рассмотренных случаев приходится на ЮП БТТИ (Qв = 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, χ = 0.5%., совпадает с оценками, выполненными геохимическими методами.

               На рис. 9 показана зависимость логарифма  энергии  акустического источника (Еа) от логарифма энергии взрывного процесса (Е0).  Для двух извержений (ЮП БТТИ, ПРД) точки на графике образуют довольно компактные области, с высокими коэффициентами  корреляции  (rБТТИ = 0.81, rПРД = 0.77), в то время как для извержения вершинного кратера  он  составляет  всего  rКЛЧ = 0.28. Столь малый коэффициент корреляции зависимости lgEа = 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 Еа 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

Извержение

Е0, Дж

Еа, Дж

Еа/Е0,%

ЮП БТТИ

2.9⋅109

5.2⋅107

1.3

ПРД

7.6⋅107

1.9⋅105

0.24

КЛЧ

2.7⋅108

2.3⋅105

0.13

       

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 QПВС = 9 - 45 кг/с, паросодержание χ = 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 (fн - fв); среднегеометрическая частота (fcр); ширина полосы (Δf0.7) для уровня 0.7 октавного спектра. Видно, что октавные спектры Lp аэродинамического шума для всех скважин значительно различаются по абсолютному значению, по преобладающим частотам и ширине полосы аэродинамического шума. Рассматривалась зависимость Lp = f(Qпар) 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 Lp 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

№ скв.

Температура,

С

Теплосодержание,

ккал/кг

Расход, кг/с

Р,

кгс/см2

Характеристики аэродинамического шума

ПВС

Пара

  L10, дБ

fСР, кГц

fН-fВ, кГц

Δf0.7, кГц

1

165

268

23

  4.3

0.19

4.2

108

0.7

0.32–1.7

1.38

3

138

253

9,2

1.5

0.16

3.5

96

1.0

0.5 – 2.0

1.5

4

158

25

  6.0

0.24

5.5

108

1.7

0.7– 3.2

2.5

 

13

 

 

181

296

45

11.8

0.26

10.4

123

0.6

0.1– 3,0

2.9

40

10.3

0.25

12.0

120

1.0

0.4– 2.4

2.0

25

  5.8

0.23

16.0

116

1.0

0.4– 2.4

2.0

  7

  3.2

0.45

17.6

114

1.4

0.5– 4.0

3.5

16

172

488

29.4

18.9

0.64

7.4

117

3.0

1 – 10

9

24

167

253

28

  4.5

0.16

7.7

109

0.9

0.25–1.7

1.45

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; fН – fВ - значения верхней и нижней частоты;  fСР - среднегеометрическая частота; Δf0.7 - 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 Lp = f(lgQПВС) и логарифма среднегеометрической частоты по уровню 0.7 полуоктавных спектров от логарифма массового расходного паросодержания lgfСР =  f(lg).

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)lgQпар + (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 6h17m и 8h53m 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 01m45s 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 ( = 1-5 Гц), вслед за которыми через 1.5 - 3 с наблюдались низкочастотные колебания с = 0.25 – 0.3 Гц. Высокочастотная составляющая ИАС имела значительные вариации как по частоте, так и по амплитуде Р = 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 = 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 = 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 = 0.3 - 1 Гц возникают во время движения и формирования ПП в результате крупномасштабных турбулентных пульсаций в конвективной колонне.

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).

Рассматривалось соотношение между амплитудами акустического и сейсмического сигналов, сопровождавших формирование ПП. Амплитуды обоих сигналов усреднялись в минутных интервалах. Корреляционное поле зависимости lg P = f(lgAc) для извержений ПП приведено на рис. 15а. Зависимость lgP = f(lgAc) для извержения 1984 г. образует компактную группу с коэффициентом корреляции r = 0.93 и может быть аппроксимирована линейной зависимостью lgP, Па = 0.79lgA, мкм + 0.32. Для извержения 1985 г. облако точек lgP = f(lgAc) 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 lgP, Па = 0.59lgA, мкм - 0.52.  Пять точек имеют отклонение от линии тренда более чем на 0.3 порядка.

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 lgP = f(lgAc) 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.

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 Р ≥ 0.2 Па в час; 4- период грозовой активности; 5 – визуально наблюдаемые ПП; 6 – номера ПП.

Как видно на рис. 15б основная часть точек образуют компактную группу, которая может быть описана зависимостью lgWa = 0.54lgWc+ 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 Р ≥ 0.2 Па. 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).

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.

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 - 8h 41.5m. Если, согласно скоростного разреза, принять скорость звука 0.3 км/с, то время распространения АС до ПРТ составит 19.2m, а время его возникновения будет t0 = 8h 22.3m, что близко к времени возникновения сейсмического сигнала 8h22.1m. Два вторых цуга обусловлены особенностями распространения инфразвука на трассе источник-пункт приема.

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 2104 Вт для лавины объемом 8⋅104 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 (Δ = 45 км) и Козыревск (Δ = 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 fгр = 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  19h07m40s. В этот период  на сейсмической станции КЛЧ (Δ = 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.

       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.

Таблица 6. Последовательность сейсмических и акустических явлений начала извержения

  в. Шивелуч 11 ноября 1964 г. (время GMT)

Событие

Время

(GMT)

Характеристика событий

Визуальные данные

Землетрясение I

19:06:51

Самое сильное событие роя, К = 12.3

Начало работы акустического источника №1

19:07:40

Четкое вступление

Высота пылевоздушного облака 1.5-2 км

Землетрясение II

19:13:34

К = 11.7, после него землетрясений с К > 9 не зарегистрировано

Окончание работы акустического источника №1

19:16:10

Начало работы сейсмического источника

19:20:00

Вулканическое дрожание с амплитудой 0.5 мкм

Высота эруптивной колонны 7-8 км

Начало работы акустического источника №2

19:20:00

Плавное нарастание сигнала, появление колебаний с периодом ~ 2 мин.

Усиление амплитуд сейсмического и акустического сигналов

19:48:00

Высота эруптивной колонны 10-15 км

       

       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 19h20m) 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 19h48m 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 ωres = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) ω1, 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.

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 χ = 0.5%, что удовлетворительно согласуется со значением  χ, 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.

    1. 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  lgP, 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.

Результаты работы представлены в следующих публикациях:

Монографии:

  1. Фирстов П.П. Вулканические акустические сигналы диапазона 1,0÷10 Гц и их связь с эксплозивным процессом. Петропавловск – Камчатский. 2003. 90 с.

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. http://ikir.kscnet.ru/Russian/Science/2004/3-16.pdf
  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.
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.