Введение к работе
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:
-
Заложены основы нового научного направления «акустика вулканических извержений».
-
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).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
