Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Механизм фрагментации сильновязкой магмы при вулканических взрывах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Механизм фрагментации сильновязкой магмы при вулканических взрывах"

рг5 оа

российская академия наук

1 0 ФЕВ ДИНАМИКИ ГН0СФЕР

На правах рукописи удк 550.3

Алидибиров Михаил Алхазурович

МЕХАНИЗМ ФРАГМЕНТАЦИИ СИЛЬНОВЯЗКОЙ МАГМЫ ПРИ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ВЗРЫВАХ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)

Специальность 04.00.22 - физика твердой Земли

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте вулканической геологии и геохимии ДВО РАН.

Научный консультант

Доктор физико-математических наук, профессор

Родионов В.Н.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Доктор геолого-минералогических наук, профессор

Немчинов И.В. Кузнецов С.В. Наседкин В.В.

Ведущая организация: Институт экспериментальной минералогии РАН

Защита диссертации состоится ''■Йэ" » # 1998 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д 200.39.01

при Институте динамики геосфер Российской Академии Наук (ИДГ РАН) по адресу: 117334 Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН. Автореферат разослан " Я _199/г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

В.А.Рыбаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Предмет исследования - процесс фрагментации (дробления) сильновязкой магмы при вулканических взрывах. До последнего времени процесс фрагментации магмы при вулканических взрывах был практически не исследован и представления о механизмах фрагментации магмы были весьма приближенными. Цель датой работы - изучить процесс фрагментации сильновязких магм при вулканических взрывах. Для этого необходимо проанализировать данные натурных наблюдений и схематизировать явление вулканического взрыва; провести эксперименты по фрагментации образцов магмы в тщательно контролируемых лабораторных условиях, близких к природным; исследовать зависимость продуктов фрагментации и динамики процесса фрагментации от температуры, давления и других параметров; рассмотреть концептуальные модели механизмов фрагментации.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Процесс фрагментации сильновязкой магмы в значительной степени определяет динамику взрывных вулканических извержений; исследование механизмов этого процесса представляет большую важность для разработки реалистичных количественных моделей взрывных извержений, в том числе и катастрофических. Наряду с этим, исследования в данной области создают теоретическую основу для решения прикладных задач, связанных с прогнозированием характера и параметров взрывных извержений, оценки вулканической опасности, связанной с крупными катастрофическими взрывами. На период начала исследования по многим разделам данной области физической вулканологии отсутствовали достаточно ясные общие представления, экспериментальная вулканология как направление практически отсутствовала. Имелся ряд нерешенных вопросов принципиального характера, в частности:

(1) какова природа и механизм вулканических взрывов и какова роль процесса фрагментации магмы при взрывах;

(2) каковы критические условия возникновения фрагментации магмы;

(3) каковы динамические характеристики процесса фрагментации магмы;

(4) какова зависимость гранулометрического состава продуктов фрагментации от свойств магмы, температуры, давления и других параметров;

(5) каков физический механизм фрагментации магмы. Исследованию этих вопросов и посвящена диссертация.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Вулканические взрывы, возникающие на вулканах, имеющих силыговязкую газированную магму, протекают по двух стадийной схеме: на стадии подготовки

в постройке вулкана формируется взрывоспособаое пористое магматическое тело, а на стадии развития взрыва, вызываемой резкой декомпрессией, происходит фрагментация (дробление) этого тела, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления (пирокластики) в атмосферу. Процесс фрагментации магмы играет ключевую роль в развитии вулканических взрывов.

2. Предложен новый метод исследования фрагментации образцов сильновязкой магмы (лавы); создана уникальная экспериментальная установка, работающая при температуре до 1000 °С и давлении до 200 бар, которые соответствуют температурам и давлении!, существующим в природе при вулканических взрывах.

3. Определен пороговый (критический) перепад давления, вызывающий фрагментацию; получена зависимость гранулометрических характеристик продуктов дробления образцов магмы от температуры, величины и скорости сброса давления; определены физико-механические свойства магмы, влияющие на эффективность её дробления.

4. Показано, что процесс фрагментации происходит с относительно невысокой конечной скоростью, зависящей от величины и скорости сброса давления; длительность стадии выброса фрагментов оказывается существенно выше длительности стадии фрагментации.

5. Разработана модель механизма фрагментации сильновязкой магмы при вулканических взрывах, основанная на представлениях о фрагментации магмы волной дробления и согласующаяся с полученными экспериментальными данными; применимость этой модели продемонстрирована при рассмотрении конкретных вулканических взрывов.

6. Предложено использовать развитые в работе представления о механизме фрагментации сильновязких магм для реконструкции эруптивных событий по данным изучения пирокластики; для оценки вулканической опасности учитывать возможность взрывоподобного дробления относительно холодных газонасьпцеиных магматических тел, находящихся внутри вулканических построек, склонных к крупномасштабному обрушению.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ Основная часть результатов данной работы в момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые в мире. Важнейшие результаты, полученные впервые, следующие:

(1) Предложена физически ясная схема явления вулканического взрыва как двухстадийного процесса; показано, что на стадии развития взрыва, вызываемой резкой декомпрессией, происходит фрагментация сильновязкой магмы. В процессе фрагментации высвобождается потенциальная энергия сжатых газов и происходит выброс продуктов фрагментации (пирокластики) в атмосферу.

(2) Предложен новый метод экспериментального исследования фрагментации магм при быстрой декомпрессии. Спроектирована и создана уникальная

экспериментальная установка, не имеющая мировых аналогов, позволяющая проводить исследования процесса фрагментации магмы при температурах до 1000 °С и давлениях до 200 бар с использованием образцов реальных вулканических пород. Впервые в лабораторных условиях осуществлена фрагментация образцов высоковязкой магмы при температурах и давлениях, эквивалентных существующим в природе при вулканических взрывах.

(3) Экспериментально определены критические условия начала фрагментации образцов магмы, обнаружен эффект снижения порогового перепада давления, вызывающего фрагментацию, при увеличении температуры. Впервые измерена скорость процесса фрагментации и определена ее зависимость от величины и скорости сброса давления. Обнаружен эффект многоактности процесса дробления, наблюдающийся при перепадах давления, незначительно превышающих порог фрагментации. Определены динамические характеристики процесса выброса продуктов фрагментации магмы.

(4) Получены данные о морфологии н структуре продуктов дробления образцов магмы, указывающие на хрупкий характер фрагментации силыювязких магм. Установлены зависимости гранулометрического состава продуктов дробления от начального перепада давления, температуры и скорости декомпрессии. Экспериментально обнаружен эффект возрастания характерного размера фрагментов с ростом температуры. Проведено сравнение гранулометрического состава частиц, полученных в экспериментах, с аналогичными характеристиками природной пирокластики.

(5) Предложена новая модель механизма фрагментации сильновязкой магмы, позволяющая рассчитывать характерные параметры вулканических взрывов (длительность, скорость и расход выбрасываемой газопирокластнческой смеси). Впервые предложено при разработке моделей вулканических взрывов учитывать модуль сцепления и проницаемость магмы. Показана важность влияния структуры магмы и характера декомпрессии на преимущественную реализацию того или иного механизма фрагментации.

(6) Показана важность полученных результатов для объяснения механизма образования пирокластики. Впервые предложено учитывать возможность взрывонодобного разрушения относительно холодных магматических тел, находящихся внутри вулканических построек, подвергаемых крупномасштабному обрушению.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проблемы прогноза возникновения крупных катастрофических вулканических взрывов и оценки потенциальной вулканической опасности являются важнейшими проблемами совремешюй физической вулканологии, имеющими практическое значение. Для решения этих проблем необходимо ясное понимание механизма взрывных извержений и, следовательно, механизма фрагментации силыювязких магм. Экспериментально полученные данные о характере фрагментации высоковязких магм при резкой

декомпрессии являются важным шагом к пониманию процессов, происходящих при катастрофических направленных взрывах, представляющих большую опасность. Разработана методика определения критических параметров (перепада давления и скорости сброса давления), способных вызвать взрывоподобное разрушение образцов магмы (лавы) при быстрой декомпрессии. Развитый экспериментальный метод может применяться для определения таких критических условий возникновения вулканических взрывов (в том числе катастрофических), как характерный размер обрушения части вулканической постройки и характерная скорость сброса давления, способных вызвать взрыв. Экспериментальные данные о динамике дробления магмы представляют особую важность для определения опасности при вулканических взрывах, позволяя рассчитывать такие параметры взрывов, как скорость, длительность и расход при выбросе продуктов дробления, что прямо связано с поражающим эффектом взрывов. Полученные данные по зависимости гранулометрического состава продуктов дробления сильновязкой магмы от величины сброса давления, скорости сброса давления н температуры позволяют создать основу для определения характерных параметров взрывов по данным гранулометрического состава пирокластики, выбрасываемой при вулканических взрывах. Разработанный новый экспериментальный метод исследования дробления пористых материалов в условиях резкой декомпрессии в широком диапазоне температур и давлений имеет большую практическую ценность для ряда других областей науки и техники.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации были представлены наряде отечественных и международных паучных конференций и совещаний, в том числе на Всесоюзном вулканологическом совещании (Петропавловск-Камчатский, 1985), на Международном симпозиуме по геодинамике глубоководных желобов Тихого океана (Южно-Сахалинск, 1987), на двух Генеральных ассамблеях МАВХЮ (TAVCEI) (Санта-Фе, США, 1989; Пуэрто Валларта, Мексика, 1997), ка трех совещаниях Американского геофизического союза (AGU Fall Meeting) (Сан-Франциско, США, 1993, 1995, 1996), на трех симпозиумах Европейского союза по геонаукам (EUG) (Страссбург, Франция, 1993, 1995, 1997), на Международном геологическом конгрессе (IGC) (Киото, Япония, 1992), на Международном симпозиуме по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (EMPG-6) (Байройт, Германия, 1996), на международных вулканологических конференциях и конгрессах (Кагопшма, Япония, 1988; Колима, Мексика, 1993; Анкара, Турция, 1994; Рим, Италия, 1995; Тойя, Япония, 1995; Бристоль, Великобритания, 1996; Тира, Греция, 1996), а также на научных семинарах в институтах РАН (ИВ, ИВГиГ, ИДГ, ИФЗ, ГЕОХИ), ПКВМУ, Баварском Геоинституте и ГЕОМАРе (Германия), Вулканологической Обсерватории Каскадных гор (США), Кембриджском Университете (Великобритания) и др.

ПУБЛИКАЦИИ. Содержание работы и результаты исследований отражены в 21 научной публикации в отечественных и зарубежных журналах, в сборниках и трудах конференций.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ. Исследования, отраженные в настоящей диссертации, проведены в период работы автора в Институте Вулканологии ДВО РАН, Институте Вулканической Геологии и Геохимии ДВО РАН, на кафедре физики ПКВМУ, а также в Баварском Научно-Исследовательском Институте Экспериментальной Геохимии и Геофизики (Баварский Геоинститут). Основная часть работ выполнена соискателем лично, некоторая часть - совместно с сотрудниками Института Вулканической Геологии и Геохимии ДВО РАН, Баварского Геоинститута, Австралийского Национального Университета, Франкфуртского Университета и Университетского Колледжа Лондона. Исследования велись в соответствии с планами НИР ИВ и ИВГиГ ДВО РАН, в рамках ряда программ ГКНТ, ГНТП, а также программ, поддержанных грантами РФФИ, Фонда Гумбольдта (Alexander von Humboldt-Stifftung), ДФГ (Deutsche Forschungsgemeinschaft) и Баварского Геоинститута (Bayerisches Geoinstitut).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации включает 272 страницы текста, в том числе 93 иллюстрации и 4 таблицы. Список литературы содержит 243 наименования.

БЛАГОДАРНОСТИ. Ряд разделов настоящей работы выполнялся совместно с сотрудниками ИВГиГ ДВО РАН А.Б.Белоусовым, Н.М.Кравченко и В.К.Пановым, а также с зарубежными коллегами D.Dingwell, O.Spieler, CJones, R.Stevenson, K.-U.Hess, SAVebb, J.Zinke; экспериментальные установки создавались при участии Ю.К.Мищенко, А.В.Воробьева, В.И.Дядина, Ю.В.Чернова, G.Herrmannsdoerfer, K.Klasinski; образцы пород криптокупола вулкана Сент-Хеленс предоставлены R.Hoblitt и C.D.Miller; автор благодарит их за полезное сотрудничество.

Автор благодарен В.Н.Родионову за постоянное внимание к работе и полезные консультации; признателен С.А.Федотову, Б.В.Иваиову, Б.И.Олейникову, F.Seifert и D.Rubie за поддержку на разных этапах ланкой работы, Ю.Б. Слезпну и D.Dingwell за полезные обсуждения, Г.П.Авдейко, НА.Артемьевой, О.А.Гириной, А.А.Гусеву, В.Ю.Кирьянову, А.С.Латкину, А.П.Максимову, И.В.Мелекесцеву, Ю.Ф.Морозу, Р.И.Пашкевичу, А.А.Разиной, ПЛ.Фирстову, А.Н.Шулюпину и др. за ценные замечания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность изучаемой проблемы, дели и задачи исследования, сформулированы основные научные положения работы, выносимые на защиту; показаны научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Эксплозивные извержения и проблема фрагментации магмы. Дана общая характеристика современного состояния проблемы фрагментации (дробления) магмы при вулканических взрывах, возникающих в ходе эксплозивных извержений. Вулканические взрывы, представляющие собой дискретные выбросы смеси газа и частиц раздробленной магмы (пирокластики) в атмосферу, могут иметь различную природу: магматическую, гидромагматическую и химическую. Механизм гидромагматических взрывных извержений экспериментально исследовался в 80-х годах в США и Германии К.ШоЫс1г, В.2нпаполУ5к1 и др. Химическая природа вулканических взрывов связывалась И.И.Гущецко, Г.Н.Ковалевым, Б.И.Самойленко, Ю.Б.Слезиным, Ю-П.Трухиным и др. с детонацией взрывоспособных смесей вулканических газов с воздухом. В настоящей работе процесс фрагментации (дробления) сильновязкой магмы исследуется применительно к наиболее распространенному классу взрывных проявлений, а именно - к взрывам, имеющим магматическую природу. В этом случае ведущая роль во взрывных проявлениях отводится потенциальной энергии сжатых газов, первоначально растворенных в магме на больших глубинах. Вулканические извержения, имеющие магматическую природу, разнообразны в своих проявлениях. По этой причине существует большое количество наименований типов извержений: гавайский, стромболианский, вулканский, пелейский, типа "направленного взрыва", нлиниаяский и др. Взрывные проявления характерны для всех перечисленных типов извержений. Различают также стационарный и нестационарный режимы эксплозивной (взрывной) деятельности: в первом случае имеет место стационарное истечение газопирокластической смеси из жерла, а во втором - дискретные выбросы пирокластики и газа (взрывы).

К началу 80-х годов в принципиальном плане имелось понимание процессов подъема магм, стационарного (установившегося) режима эксплозивных извержений, возникновения акустических и сейсмических возмущений в окружающей среде во время эксплозивных извержений и др. Поскольку полное описание процессов, происходящих при эксплозивных извержениях, представляет трудно обозримую проблему, решались, как правило, частные задачи. Фундаментальными для вулканологии являются вопросы глубинной магматической деятельности и, в том числе, проблема подъема магмы. Было показано, что среди сил, вызывающих подъем магм, ведущая роль принадлежит гидростатическим силам, связанным с выталкиванием магматических тел

вследствие разности плотностей магмы и окружающих пород. Эти вопросы подробно исследовались в работах С.Д.Федотова. В процессе эксплозивного извержения магма проходит пуп. от исходного состояния в области формирования до ее фрагментации (превращения в газопирокластическуго смесь). На больших глубинах, когда летуше полностью растворены в магме, она подтмается в виде гомогенного расплава. При этом изменение температуры магмы определяется главным образом теплообменом через стенки канала. Эта проблема исследовалась в работах С. А.Федотова и Ю.А.Горицкого. Газоотделение летучих компонентов от магмы становится необходимым учитывать, когда магма оказывается вблизи земной поверхности. В настоящее время общепризнано, что в магматических расплавах вода является основным летучим компонентом, влияющим на характер процессов, протекающих в магме. Эта проблема исследовалась в работах А.А.Кадака, М.Б.Эпельбаума и др. В большинстве современных моделей извержений ограничиваются рассмотрением только одного компонента вулканических газов - НгО. По мере подъема магмы гидростатическое давление снижается, и, начиная с некоторого уровня глубин, магма становится пересыщенной летучими. Происходит нуклеация и рост газовых пузырьков, а затем - разрушение (фрагментация) магмы. Образуется смесь газа и продуктов разрушения магмы (пирокластики), которая выносится расширяющимся газом в атмосферу. В последние два десятилетия значительные усилия были направлены на математическое моделирование этих процессов. При этом ставились, как правило, задачи расчета параметров течения магмы и продуктов ее дробления в канале вулкана и их привязки к параметрам извержения.

В.А.Дрознин одним из первых предложил модель извержения как процесса установившегося двухфазного течения. Это позволило рассчитать потери давления по длине канала и определить глубину начала газоотделения. Ю.Б.Слезин предложил критерий перехода в дисперсионный режим, под которым подразумевается непрерывное истечение газопирокластическоц струи. Детальное исследование данного вопроса, проведенное 10.Б.Слезиным в 80-х -90-х годах, позволило в дальнейшем определить уровень диспергирования и выявить условие перехода эксплозивного извержения в катастрофический режим. Дальнейшее развитие этот подход получил в работах А.А.Бармина и О.Э.Мельника. Численное моделирова1ше стационарного режима эксплозивных извержений активно проводилось и зарубежными исследователями. В ранних моделях, разрабатывавшихся в 70-х годах S.Sparks, L.Wilson, J.Head и др., рассматривался случай равновесной дегазации магмы. В более поздних исследованиях выполненных J.Barclay, K.Cashman, J.Eichelberger, C.Jaupart, M.Mangan, O.Navon, A.Proussevitch, D.Sahagian, S.Sparks, N.Thomas, H.Westrich и др., более подробно рассматривались вопросы иуклеации газовых пузырьков и их роста, при этом учитывалась неравновесность процесса дегазации.

Для объяснения природы эксплозивного вулканизма магматического типа был предложен ряд моделей создания избыточного давлешш в газовых пузырьках в процессе подъема и декомпрессии магмы. В "вязкостной" модели, рассмотренной A.McBirney и др., предполагалось, что при подъеме магмы с газовыми пузырьками последние будут стремиться расширяться с тем, чтобы выравнять давление. Согласно оценкам S.Sparks, избыточные давления в газовых пузырьках, возникающие из-за вязкого сопротивления магмы росту пузырьков, могут достигать нескольких десятков бар. М.А.Алидибиров рассмотрел механизм формирования избыточного давления в пузырьках газа, находящихся в вязкой магме. Этот механизм основан на идее отвердевания межпузырьховых перегородок вследствие повышения температуры плавления магмы по мере ее подъема и дегазации, а также вследствие охлаждения расплава. Похожая модель была также выдвинута Г.С.Штейнбергом и Э.С.Персиковым.

Был предложен также ряд механизмов объясняющих создание избыточного давлешш в магме и применимых к стадии подготовки извержения. Так, Г.С.Штейнберг и др. предложили "флюидный механизм" подъема давления в газированной магме, основанный на эффекте повышения давления в жестком ограниченном объеме при всплытии газового пузырька. Этот механизм применим к случаю маловязких магм. Позже аналогичный механизм был рассмотрен в работах A.Proussevitch, D.Sahagian, D.Pyle и др. В работах A.A. Кадика, Е.БЛебедева, Н.И.Хитарова, S. Blake и др. рассматривался механизм, основанный на идее вторичного или "ретроградного кипения". При этом в процессе кристаллизации расплава в условиях ограниченного объёма (например, стенками магматической камеры) возникает пересыщение остаточного расплава летучими, которые, выделившись в свободную фазу, могут иметь значительное избыточное давление. В то же время вопросы фрагментации (дробления) магмы были изучены в значительно меньшей степени.

Для определения роли, которую процесс фрагментации магмы играет в развитии вулканических взрывов, в первой главе рассматриваются характеристики вулканических взрывов нескольких типов: крупных направленных взрывов, взрывов, связанных с активностью экструзивных лавовых куполов, и взрывов вулканского типа, связанных с фрагментацией магмы, находящейся в выводном канале. При таких вулканических взрывах происходит фрагментация сильновязкой (г) > 108 Па с) пористой магмы. Так, крупные направленные вулканические взрывы возникали на вулкане Безымянный 30 марта 1956 г. и на вулкане Сент-Хеленс 18 мая 1980 г. Первое из этих событий было подробно описано Г.С.Горшковым и Г.Е.Богоявленской; механизм этого взрыва рассматривался в работах Ю.Н.Рябишша, В.Н.Родионова, Ю.П.Трухина и др., акустические сигналы, сопровождавшие извержение, анализировались П.П.Фирстовым. Г.Е.Богоявленская, О.А.Брайцева, И.В.Мелекесцев, В.Ю.Кирьянов и С.Д.Миллер провели сравнительный анализ этого извержения и извержения 1980 г. вулкана Сент-

Хелене. Детальное изучение взрывных отложений и реконструкция эруптивггых событий были вьшолнены А.Б.Белоусовым и М.Г.Белоусовой.

Крупный взрыв на вулкане Сент-Хеленс 18 мая 1980 г., вызвавший разрушения на площади ~500 кш2, где был повален лес, уничтожена растительность и сформировались специфические взрывные отложения, относится к наиболее хорошо документированным событиям такого рода. Землетрясение 18 мая 1980 г., имевшее магнитуду 5+, вызвало обрушение части вулканической постройки и формирование гигантского обвала объемом около 2.5 км3. Анализ эруптивных событий на вулкане Сент-Хеленс, проведенный R.Hoblitt, C.D.Miller, B.Voight и др., ясно указывает на то, что в докульмннационную стадию извержения магматический расплав, находившийся в высоковязком, близком к солидусу, состоянии, внедрился в вулканическую постройку. Это предположение о значительной вязкости магмы криотокупола (т) > Ю10 Па с) подтверждается и нашими данными измерения вязкости (глава 2). Внедрение расплава привело к деформации и растрескиванию северного склона вулкана, который стал неустойчивым. Максимальная температура магмы внутри криптокупола оценивается в 900 °С, а сброс давления, вызванный обрушением части вулканической постройки, - величиной < 20 МПа. Анализ данного события показывает, что непосредственно перед взрывом 18 мая 1980 г. в постройке вулкана Сент-Хеленс находилось сильновязкое пористое магматическое тело, содержащее в пузырьках (порах) газ с давлением, избыточным по отношению к атмосферному. Такое пористое тело (криптокупол) обладало потенциальной энергией сжатых газов, заключенных в поры высоковязкой или твердой матрицы. В результате обрушения части вулканической постройки, вызвавшего резкую декомпрессию криптокупола, произошло взрьшоподобное дробление (фрагментация) магмы и выброс продуктов дробления в атмосферу. Модели развития взрыва, в которых рассматривался лишь процесс истечения газопирокластической смеси, были предложены S.Kiefier, а также J.Eichelberger и D.Hayes. В модели взрыва, разработанной М.А.Алидибировым, было показано, что динамика процесса фрагментации силыювязкой пористой магмы играла определяющую роль в развитии взрыва. Учет процесса фрагментации позволил оценить параметры взрыва и объяснить наблюдавшиеся эффекты. Следует также заметить, что процесс подготовки крупного направленного взрыва может длиться месяцы, в то время как собственно взрыв развивается в течение нескольких минут.

К числу вулканов, для которых характерна взрывная деятельность, связанная с ростом экструзивных лавовых куполов, относятся вулканы Шивелуч и Безымянный на Камчатке, вулканы Мерапи, Санта-Мария, Мон-Пеле, Унзен, Монтсерратт и др. Согласно данным J.Fink, S.Kieffer, S.Self, T.Murase, H.Sato и др., лавовые купола считаются в значительной степени дегазированными, имеющими низкое содержание воды в лаве (0.1- 0.5 вес. %), а также высокую вязкость ( т) ä; 108 Па с). Пористость лавы может меняться в

значительной степени даже внутри отдельного купола. Избыточное давление газа внутри лавовых куполов может достигать нескольких сотен бар. Характерной причиной взрывов является обрушение частей лавового купола, вызывающее резкую декомпрессию и фрагментацию лавы. Примером такого рода взрывов является взрыв, возникший на куполе Новом вулкана Безымянного в ходе извержения 1985 г. Наблюдения за ходом извержения, анализ сейсмических и акустических сигналов, сопровождавших данное извержение, выполненные М.А.Алидибировым, А.Б.Белоусовым, Г.Е.Богоявленской, О.А.Гириной, Е.Ю.Ждановой, И.Т.Кирсановым, Н.М.Кравченко,

A.И.Малышевым и П.П.Фирстовым, позволили проследить основные события, определить площадь (« 7 км2) и объём (« 10б м3) пирокластических отложений и сделать вывод о том, что направленный взрыв 30.06.85 г. был вызван обрушением части купола Нового вулкана Безымянный. Резкая декомпрессия сильновязкой пористой магмы, содержащей в порах (пузырьках) газ с давлением, избыточным по отношению к атмосферному, вызвала дробление (фрагментацию) магмы, а образовавшиеся продукты дробления (пирокластика) были выброшены в атмосферу. Характерной особенностью данного взрыва была также большая длительность стадии подготовки взрыва, превышающая длительность стадии развития взрыва.

По сходной схеме протекают также взрывы вулканского типа, свазанные с фрагментацией магмы в выводном канале и наблюдающиеся на вулканах, имеющих вязкую магму среднего или кислого состава (андезитовую, дацитовую, трахитовую), таких, как Ареналь, Сакурадзима, Карымсыш и др. Характерной чертой этих взрывов является их повторяемость в течение длительного времени. Наиболее сильные взрывы происходят, как правило, после продолжительного периода покоя. Согласно данным В.А.Дрозюша, Б.В.Иванова, Б-БсИ^, К.Тапака и др., интервалы между взрывами варьируются от < 1 мин до нескольких дней. Пирокластика имеет, как правило, угловатую форму, что, по мнению большинства исследователей, свидетельствует о дроблении магмы, находившейся в момент взрыва в твердом или близком к этому состоянии. Согласно данным Ю.М.Дубика, Б.В.Иванова, П.П.Фирстова, А.П.Хренова,

B.А.Широкова, Б^еЦ- и др., объемы твердых продуктов, выбрасываемых при взрывах вулканского типа, находятся в диапазоне от 50 до 5 х 105 м3, что эквивалентно массе от 102 до 10 тонн. Скорости выброса пирокластики находятся, как правило, в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен м/с. Длительность взрыва, под которой понимается длительность выброса (истечения) газопирокластической смеси в атмосферу, находится в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут. Для взрывов вулканского типа характерно наличие взрывных воздушных волн, описанных П.П.Фирстовым, М.^исЫ, А.Какп и др. Примером таких взрывов являются взрывы вулканского типа, наблюдавшиеся при извержении вулкана Карымский в 1970 г. Анализ эруптивных событий, проводившийся А.П.Хреновым, Ю.М.Дубиком,

Б.В.Ивановым и др., показал, что в ходе извержения происходили взрывы нескольких типов. Взрывы первого типа были связаны с выбросом резургентного материала, остававшегося в канале вулкана после предыдущего извержения. Объём материала, выбрасываемого при взрывах такого типа, =104 м3. Взрывы второго типа происходили в кульминационную стадию извержения. В ходе отдельного взрыва выбрасывалось около 105 м3 пирокластики. Этот объем эквивалентен столбу магмы высотой ~ 200 м (при площади канала 500 м2). Наконец, взрывы третьего типа имели объемы ~ 100 - 1000 м3. При площади канала 8 = 500 мг эти объёмы занимали в выводном канале вулкана столб высотой Н 5 2 м. Механизм подготовки и развития таких взрывов был рассмотрен М.А.Алидибировым. Анализ данных показывает, что в канале вулкана периодически формировались объемы пористой взрывоспособной магмы. Когда давление газов достигало величины, достаточной для прорыва газов через "засылку" в кратере или разрыва лавовой пробки, возникала резкая декомпрессия газированной магмы и развивался взрыв. Чем больше времени проходило между взрывами, тем больше было давление газа и тем сильнее оказывался очередной взрыв. Фрагментация сильновязкой пористой магмы, вызванная резкой декомпрессией, определяла динамику развития взрыва.

Общим для рассмотренных типов вулканических взрывов является : (1) наличие перед взрывом в канале или постройке вулкана некоторого объема сильновязкой или твердой пористой магмы, имеющей в порах газ с давлением, избыточным по отношению к атмосферному; (2) фрагментация снльновязкой пористой магмы, вызываемая резкой декомпрессией, приводит к высвобождению потенциальной энергии сжатых газов. Накопленные данные наблюдеюш за вулканическими взрывами показывают, что именно резкая декомпрессия силыювязкой или затвердевшей магмы, обладающей достаточным запасом потенциальной энергии сжатых газов, является непосредственной причиной взрывов. Механизм фрагментации такой магмы, во многом определяющий динамику и характерные параметры вулканических взрывов, исследуется в последующих главах диссертации.

Следует заметить, что при расмотрении механизма крупных взрывов Ю.Н.Рябинин и В.Н.Родионов предположили, что в момент взрыва в постройке вулкана имеется некоторый объем газа, имеющего избыточное давление, достаточное для быстрого выброса газа и пирокластики в атмосферу. Подобные модели рассматривались в работах Г.Н.Ковалева, Б.И.Самойленко, А.В.Сторчеуса, а также Ь.АУйэоп, ХКсЬеНэе^ег, О.Науся и др. Такой подход позволил получить важные для практики оценки скоростей и энергии выброса, зависящих от начального давления. При этом, однако, процесс фрагментации магмы не рассматривался.

В первой главе приводятся современные представления о механизмах фрагментации магмы. В первых моделях механизмов фрагментации магмы, рассмотренных в 50-х годах .Т.УегЬос^еп и Е.К.Мархшшным, предполагалось,

что основной механизм фрагментации, ответственный за образование вулканического пепла (пирокластики), заключается в мгновенном слиянии (коалесцехпши) газовых пузырьков при достижении ими состояния плотной упаковки. При этом объемная доля газовой фазы оказывается в диапазоне 0.750.84. Позже A.McBirney, T.Murase и S.Sparks показали, что для сильновязких магм механизм фрагментации путем коалесценции пузырьков является маловероятным. Однако количественные модели фрагментации не получили дальнейшего развития. Идея фрагментации вязкой лавы по механизму "реологического взрыва" была предложена А.П.Максимовым. Автором диссертации в середине 80-х годов была предложена модель механизма фрагментации сильновязкой магмы, основанная на представлениях о распространении фронта волны дробления. Анаши этой модели и ее сравнение с экспериментальными данными приводится в пятой главе.

В начале 90-х годов в Инстиуте вулканологии ДВО РАН, Калифорнийском технологическом институте и Бристольском Университете были начаты работы по моделированию в лабораторных условиях эксплозивных вулканических извержений. Эксперименты, проводившиеся М.А.Алидибировым и В.К.Пановым, были направлены на моделирование фрагментации сильновязкой и затвердевшей пористой магмы, имеющей место при дискретных вулканических взрывах. При этом использовался модельный пористый материал пластиприн. Результаты этих экспериментов описываются в последующих главах диссертации.

Большинство исследований, выполненных за рубежом, было нацелено на моделирование плинианских извержений, в ходе которых маша, первоначально содержащая растворенные летучие, вспенивается и подвергается фрагментации в процессе сравнительно медленной декомпрессии. Эксперименты проводились при комнатной температуре и небольших (как правило, до 10 бар) избыточных давлениях. Так, B.Sturtevant, H.Mader и др. провели эксперименты по быстрой декомпрессии воды, насыщенной С02. Эти эксперименты показали, что выделение COj из Н>0 сопровождается сильным ускорением газо-жидкостной смеси. Расширение и ускорение смеси вызывало фрагментацию вспенивающейся жидкости. Аналогичные эксперименты, выполненные Y.Zhatig, B.Sturtevant и др., были проведены с водой, насыщенной СОг и содержащей добавки полимерной жидкости, увеличивающей вязкость воды в 20 раз. L.Hill, B.Sturtevant, I.Sugioka и M.Bursik провели эксперименты по моделированию эксплозивного извержения с помощью быстрой декомпрессии перегретой жидкости (фреона). J.Phillips и др. предложили использовать в качестве модельной среды специальную смолу, содержащую растворенный ацетон, которая также подвергалась быстрой декомпрессии. Все эти эксперименты были выполнены с маловязкими жидкостями, вязкость которых была на много порядков меньше вязкости сильновязких магм, подвергающихся фрагментации при вулканических взрывах. Коэффициенты диффузии летучих компонент в

модельных средах были на много порядков выше чем коэффициенты диффузии воды в кислых магмах. Эти факторы ограничивают применимость к вулканическим взрывам полученных результатов.

Исследования поведения водосодержащих силикатных расплавов при декомпрессии были начаты в конце 80-х годов Э.С.Персюсовым и Г.С.Штейнбергом в ИЭМ РАН и Ф.АЛетниковым, К.Е.Кузнецовым, В.Я.Медведевым, С.О.Балышевым, и В.Б.Савельевой в ИЗК СО РАН. В экспериментах Г.С.Штейнберга и Э.С.Персикова по изотермической декомпрессии водонасьпценных образцов авачинских андезитов наблюдалось вспенивание образцов. При этом начальная концентрация воды в образцах составляла 3.97-4.66 вес. %, начальное давление Ршо 2 кбар, температура Т=1000 °С, а скорость декомпрессии = 25 бар/мин,. В экспериментах по декомпрессии флюидизированных силикатных расплавов гранитного расплава, выполненных Ф.А.Летниковым и др., температура Т=850 °С, а начальное давление Ршо =1-2 кбар. Эксперименты проводились при скорости декомпрессии ~ 25 бар/с и при "шоковой" скорости декомпрессии ~ 400 бар/с. Был обнаружен эффект изменения характера пористости от изотропной пористости до пористости "каппипярного типа" при увеличении скорости декомпрессии. Следует заметить, что в этих экспериментах скорости декомпрессии были на 2 - 3 порядка ниже, чем в экспериментах, описываемых в настоящей работе, и фрагментации расплавов не наблюдалось.

Для исследования процесса фрагментации образцов спльновязкон магмы (лавы), имеющих температуру до 1000 °С и начальное избыточное давление газа до 200 бар, что эквивалентно температуре и давлению, существующим при реальных вулканических взрывах, автором диссертации был разработан новый экспериментальный метод и сконструирована специальная высокотемпературная установка, позволяющая впервые осуществить резкую декомпрессию и фрагментацию образцов магмы (лавы). Среди вопросов принципиального характера, требовавших решения, были следующие вопросы: (1) каковы критические условия возникновения фрагментации магмы; (2) каковы динамические характеристики процесса фрагментации; (3) какова зависимость гранулометрического состава продуктов фрагментации от свойств магмы, температуры, давления и других параметров; (4) каков физический механизм фрагментации магмы. В последующих главах диссертации приводятся полученные результаты.

Глава 2. Экспериментальный метод исследования фрагментации при быстрой декомпрессии. В данной главе описываются две экспериментальные установки, разработанные и сконструированные автором диссертации, принцип действия которых аналогичен принципу действия ударной трубы. Первая из двух экспериментальных установок, работающая при небольших перепадах давления до 10 бар и комнатной температуре, была использована для исследования

фрагментации пористого модельного материала (пластиприна). Проведенные на этой установке эксперименты позволили понять основные эффекты, возникающие при фрагментации пористого материала.

Для осуществления фрагментации образцов магмы (лавы) при высоких температурах и давлениях была сконструирована другая уникальная экспериментальная установка. Базовый модуль установки состоит из высокотемпературной камеры высокого давления (КВД) и низкотемпературной камеры низкого давления (КНД), которые разделены диафрагмой, разрывающейся при определешюм перепаде давления (Рис, 1). Высокотемпературная камера высокого давления (КВД) рассчитана на работу при избыточном давлении до 200 бар и температуре до 1000 °С. КВД имеет длину 450 мм, внешний диаметр 40 мм и внутренний диаметр 20 мм. Она изготовлена из специального жаропрочного сплава №тошс 105. Рабочие температура и давление были выбраны с учетом параметров природных вулканических взрывов. Внутренний диаметр камеры высокого давления Б был выбран, исходя из того, что он должен был существенно превышать характерный размер с1 неоднородностей (пузырьков и кристаллов) образцов (т.е. В»<1). Конструкция КВД аналогична конструкции аппаратов высокого давления с холодным затвором и внешним нагревом. Горячая зона располагается в центральной части высокотемпературной КВД, в то время как температура на концах КВД остается сравнительно низкой (-100 °С). КВД располагается внутри электрической печи. Образец, находящийся внутри специальной тонкостенной трубки (гильзы), помещается в центр КВД. Гильза изготовливалась из никеля, химически инертного в атмосфере аргона, а также сплава "УосасШ 36", имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Боковая поверхность цилиндрического образца имеет хороший контакт с внутренней поверхностью гильзы, что обеспечивается их склеиванием высокотемпературным цементом. В свою очередь гильза с образцом жестко соединена посредством резьбового соединения с затвором камеры высокого давления, расположенным в нижней части КВД. Образец, находящийся в горячей зоне, имеет приблизительно одинаковую температуру по его длине (ДТ 5 6-9 °С). Контроль температуры осуществляется с помощью термопары, которая находится в прямом контакте с нижним торцом образца. Давление внутри КВД контролируется манометром и датчиком давления пьезорезистивного типа. Аргон, используемый в качестве рабочего газа, подается в КВД через специальный переходник, установленный между КВД и диафрагмой. Газ заполняет поры образца (длина = 50 мм, диаметр =17 мм) и пространство между верхним торцом образца и диафрагмой. Это расстояние в большей части экспериментов составляло 212 мм.

ДИАФРАГМА

ТЕРМОПАРА

Рис.1. Схема экспериментальной установки и высокотемпературной камеры высокого давления.

Диафрагма является одним из наиболее ответственных элементов установки. Использовались стальные и медные диафрагмы толщиной 0.2 - 1.0 мм. Для обеспечения раскрытия всех лепестков диафрагмы на диафрагму с помощью специальных штампов наносились круговые и крестовые насечки определенной глубины. Воспроизводимое в экспериментах раскрытие диафрагмы обеспечивало резкую декомпрессию образцов, находящихся в КВД.

Камера низкого давления (КНД) представляет собой трубу, изготовленную из нержавеющей стали. Труба имеет длину 120 мм, внутренний диаметр 20 мм и внешний диаметр 40 мм. Эта труба соединяется с большим баком (ресивером), имеющим длину 2000 мм, диаметр 700 мм и объем около 0.7 м3, который много больше, чем объем КВД (~ 8 х 10'5 м3). Такой бак обеспечивает приблизительно постоянное (атмосферное) давление в нем во время фрагментации образца и выброса продуктов его дробления. Бак имеет специальные окна, изготовленные из оптического стекла, для фото- и киносъемки выбрасываемых продуктов дробления. Для последующего изучения продукты фрагментации извлекаются из бака после эксперимента.

Дня определения характера декомпрессии в камере высок ото давления (КВД), возникающей после разрыва диафрагмы, отделяющей КВД от камеры низкого давления (КНД), проводилось компьютерное моделирование течения с помощью программы KASIMIR (Shock Wave Laboratory, RWTH, Aachen).

Физические свойства образцов. В экспериментах использовались образцы магмы криптохупола вулкана Сент-Хеленс, а также образцы лав куполов вулканов Мсрапи, Унзен и пемз вулкана Сапторин. Основная часть экспериментов была проведена с образцами серого дацита вулкана Сент-Хеленс, соответствующими по составу и плотности материалу криптокупола 1980 г. Специальная работа была проведена по измерению ряда физических свойств этих образцов.

Серый дацит содержит ~ 30 об.% фенокристаллов (расчет сделан без учета пузырьков). Фенокристаллы имеют средний размер 210 мкм и состоят из плагиоклаза, гиперстена, роговой обманки и окислов Fe-Ti. дацита. Большая часть пузырьков имеет размеры от нескольких микрон (в среднем ~ 5 мкм) до нескольких десятков микрон. Многие пузырьки связаны друг с другом, и характерная толщина межпузырьковых перегородок находится в диапазоне 1-4 мкм. Общий химический состав образцов серого дацита был определен методом ICP-AES: содержание S1O2 составляет 63.3 вес. %. Химический состав стекла в естественных пористых образцах определялся с помощью микрозонда: содержание ЭЮг в стекле составляет 76.05 вес. %. Общее содержание воды в образцах, определенное методом титрования Карла-Фишера, - 0.61-0.62 вес. %. Плотность образцов дацита - 1.59х103 кг/м3. Общая средняя пористость - 35.9 %. Закрытая пористость, определенная методом гелиевой пикнометрии, к 7 %. Таким образом, открытая пористость составляет и 29 % и примерно 4/5 всех

Рис. 2. Экспериментальные данные зависимости вязкости образцов пористого дацита от температуры: квадраты - оригинальные данные, треугольники - скорректированные на эффект усадки.

104/Т(К)

пор приходится на долю открытых. Температура стеклования, определенная по положению дилатометрического гшка ( скорость нагрева образцов и 10 °С/мин), - Tg « 810 °С. Модуль сцепления находится в диапазоне 0.180 - 0.785 МПа / мш. Модуль сдвига G = 5.14 ГПа, модуль объемного сжатия К = 4.56 ГПа, а модуль Юнга Е = 11.21 ГПа. Газовая проницаемость образцов имеет значения 24 - 52 миллидарси (1 миллидарси = 10'15 м2). При низких обжимающих давлениях (1 МПа) скорость р-волн зависит от ориентации образца и находится в диапазоне 2900-3100 м/с. При высоких обжимающих давлениях скорость р-волн равна 4000 м/с и не зависит от ориентащш образцов.

Измерение вязкости естественных пористых образцов проводилось при Т = 900 - 982 °С методом параллельных пластин. Вязкость оказалась в диапазоне 10м4 - Ю10 82 Па с (Рис. 2). При Т > 900 °С наблюдался эффект усадки образцов, который учитывался лри вычислении вязкости (Рис. 2). Одггако эффект усадки приводил к небольшим (< 0.1 log единицы вязкости) изменениям величины измеряемой вязкости.

Исследовались также физические свойства переплавленных образцов серого дацита, и измерялась вязкость расплава. Вязкость расплава серого дацита, измеренная с помощью ротационного вискозиметра при температурах 1300 -1600 °С, находится в дипазоне 10' 66 Па с - 103,22 Па с. В диапазоне температур 735 - 800 °С значения вязкости, определенные с помощью микропенетрометра, равны 109 25 - 10,(Ш Пас.

Т(°С)

1000 950 900

Глава 3. Динамика фрагментации пористой газоиасыщенной среды при быстрой декомпрессии. В данной главе приводятся результаты экспериментального исследования динамики фрагментации образцов пористого дацита и модельного пористого материала пластиприна.

Эксперименты, проведенные при комнатной температуре и начальном перепаде давления до 8 бар (0.8 МПа), показали, что модельный пористый малопрочный материал (пласттшрин), подвергаемый резкой декомпрессии, дробится при начальном перепаде давления АРо ^ 0-5 бар (0.05 МПа). Динамика фрагментации пластиприна исследовалась с помощью скоростной киносъемки (скорость съемки 7200 кадр/с). Оказалось, что длительность стадии фрагментации существешю короче длительности стадии выброса. Процесс дробления (фрагментации) материала распространяется от свободной поверхности, подвергаемой декомпрессии, вглубь материала путем последовательного отрыва слоев материала. Скорость распространения процесса дробления составляет десятки м/с и возрастает при увеличении АРо ■ Максимальные скорости выброса фрагментов достигали 60 м/с, а ускорения 103 - 104 g. Процесс выброса носит нестационарный характер: выброс порции фрагментов чередуется с выбросом порции газа. Результаты этих экспериментов позволили схематизировать процесс фрагментации пористой газонасыщенной среды и спланировать эксперименты по фрагментации образцов магмы криптокупола вулкана Сент-Хеленс.

Эксперименты, проведенные с образцами пористого дацита, на высокотемпературной установке (Т = 15 - 900 °С, начальный перепад давления между КВД и КНД АРо = 10 - 185 бар) показали, что образцы успешно разрушаются при любой температуре, если перепад давления превышает некоторое пороговое значение. Эти критические значения ДР0, при которых наблюдалась фрагментация, снижаются с 90 бар до 30 бар при увеличении температуры от 15 °С до 900 °С.

Динамика фрагментации дацита изучалась с помощью высокочастотных пьезодатчиков давления, установленных вблизи свободной поверхности образца и под его нижним торцом. Температура Т = 20 °С. Было обнаружено, что в тех случаях, когда ДР0 не было достаточным для фрагментации образца, приход волны разрежения к верхнему торцу образца вызывал его быструю декомпрессию (Рис. 3). В образце возникало фильтрационное течете газа, выделявшегося из пор, и давление у нижнего торца образца медленно стекалось (Рис. 3). Скорость спада этого давления увеличивалась при увеличении ДР0, при котором проводился эксперимент.

i, мс

Рис. 3. Динамика падения давления на поверхности образца (Т1) и под образцом (Т2) в случае отсутствия фрагментации. Эксперимент при ЛР0 = 83 бар.

Когда ДРо было достаточным для фрагментации, датчики фиксировали момент начала фрагментации 11 и соответствующую величину сброса давления ДР&, при которых начиналась фрагментация (Рис. 4). Величина ДР& оказалась в диапазоне 85 - 120 бар и возрастала при увеличении ДРо- Промежуток времени 11 между началом декомпрессии и началом фрагментации находился в диапазоне 0.5 - 2.0 мс и уменьшался при увеличении ДРо- Аналогичная зависимость наблюдалась и для момента времени И, фиксирующего момент окончания фрагментации (т.е. прихода фронта дробления к нижнему торцу образца). Эффективная скорость декомпрессии, при которой начиналась фрагментация |с1РЛ1Т1й = ЛР|т/ И = 50 -230 бар/мс = 5.0 - 23.0 МПа/мс, также зависела от ЛРо. При перепадах давления, ненамного превышающих пороговое разрушающее давление, наблюдались эффекты задержки начала фрагментации и многоактный характер дробления.

Скорость фрагментации, определенная по данным о длительности фрагментации, оказалась в диапазоне 5-170 м/с. Наиболее низкие значения этой скорости были определены в экспериментах, где разрушение носило многоактный характер. При увеличении ДРо скорость фрагментации N возрастала (Рис. 5). Скорость фрагментации N оказалась пропорциональной величине скорости декомпрессии |<1Р/<1Т1сг = ДР^/ И, при которой начиналась фрагментация материала. Следует заметить, что полученные значения величины эффективной скорости фрагментации N существенно ниже, чем скорость звука в газе и пористой матрице дацита.

мс

Рис. 4. Запись давления датчиками Т1 и Т2 в эксперименте N° 284, ДР0 = 137 бар. 11 - момент начала фрагментации, 12 -момент окончания фрагментации. Нижний рисунок - детали кривой записи давления датчиком Т2 в том же эксперименте. 71г - длительность процесса фрагментации.

«

160

о

Рис. 5. Зависимость скорости фрагментации N от АР0 -начального перепада давления.

100 1Й0 140 1б0 180 200

Аро, бар

Процесс послойного отрыва пористой газонасыщеняой среды, распространяющийся с относительно низкой скоростью от свободной поверхности, подвергающейся быстрой декомпрессии, вглубь материала, был изучен также, используя образцы пемзы вулкана Санторин. Эксперименты были проведены при комнатной температуре, используя прозрачную КВД, способную работать при хгзбыточных давлениях до 200 бар. Были получены фотографин с высоким пространственным разрешением, показывающие процесс последовательного отрыва слоев. Трещины были ориентированы параллельно торцу цилиндрического образца.

В данной главе приводятся также результаты экспериментов по изучению выброса продуктов дробления в свободную атмосферу. Скоростная видеосъемка процесса выброса, выполненная со скоростью 1000 кадр/с, показала, что процесс выброса носит нестационарный пульсирующий характер: порции смеси газа с фрагментами дацита чередуются с преимущественно газовыми порциями. Длительность стадии выброса (tCJ к 100 - 250 мс) в десятки раз превышает длительность стадии фрагментации (trr - 1 -10 мс).

Глава 4. Гранулометрический состав продуктов фрагментации. В данной главе приводятся результаты изучения морфологии фрагментов дацита и исследования зависимости гранулометрических характеристик фрагментов от температуры, начального перепада давления и скорости сброса давления.

Морфология и структура фрагментов. Изучение фрагментов, выполненное с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопов, показало, что наиболее крупные фрагменты имеют дискообразную и пластинообразную форму, а мелкие - более изометричную форму. Частицы размером ~1 мм состоят из кристаллов, окруженных пористой стеклянной матрицей, а частицы размером

~0.1 мм и меньше могут представлять собой либо фрагменты кристаллов, либо фрагменты пористого стекла.

Угловатая форма фрагментов, наблюдавшаяся для всего диапазона температур, при которых проводились эксперименты, включая Т - 900 °С » Те я 810 °С (температура стеклования матрицы дацита), указывает на хрупкий характер дробления сильновязкого дацита. По данным ртутной пирометрии, процесс дробления при высокой Т ~ 900 °С не сопровождался изменением характера пористости материала и дополнительного вспенивания стекловатой матрицы дацита не наблюдалось.

Гранулометрические характеристики фрагментов, определенные ситовым методом (размер ячейки = 0.5 ц\ где <р = - 1о$й <1, <1 выражается в мм), меняются в широких пределах. Медианный диаметр (Мс!?) варьируется от -0.4 до -3.5 <р, а средний диаметр (М9)- от -0.15 до -2.6 (р. Коэффициент сортировки (а?) меняется от 1.1 до 2.1 <р . Медианный диаметр определялся как М/^-^о , средний диаметр как , а коэффициент сортировки как <Тц,=(<р$4-

<Ри)П.

Распределения частиц по размерам строились также в лог-нормальных координатах и в координатах, типичных для распределения Розин-Рамлера (Вейбулла). Такие распределения частиц по размерам использовались В.М.Кузнецовым, В.Н.Родионовым, И.А.Сизовым, В.М.Цветковым, Л.С.Евтсревым, Б.В.Замышляевым и др. для описания продуктов взрывного дробления пород. Считается, что соответствие распределений по размеру продуктов дробления закону Розина-Рамлера коррелирует с механизмом разрушения породы отрывом. При этом, как правило, влияние вторичного объемного дробления невелико. Лог-нормальный тип распределения характерен для многократного дробления породы. Это наблюдается в ближней зоне разрушений при подземном взрыве, т.е. там, где велики деформации разрушенной среды.

Влияние температуры на гранулометрический состав изучалось в сериях экспериментов, проведенных при начальном перепаде давления АР о - 12 ± 0.4 МПа и температуре Т = 15-20, 750, 810 и 900 °С. Оказалось, что увеличение температуры вызывает ухудшение дробления. Медианный размер фрагментов возрастает (Рис. 6, 7). При высоких температурах наблюдаются двухмодальные кривые распределения частиц по размерам (Рис. 6). Явной тенденции к изменению коэффициента сортировки а9 с ростом температуры не наблюдается (Рис. 7). Распределения по размерам фрагментов, полученных в экспериментах, проведенных при 15 - 900 °С, не соответствуют лог-нормальному распределению. Более близкими к распределению Розина-Рамлера оказываются распределения по размерам фрагментов, полученных в экспериментах,

20 -

-в -4 -2 0 2 4 6

Ф =-!одгб

Рис. 6. Влияние температуры на частотные кривые распределения фрагментов дацита по размерам (эксперименты при ДРо =120 бар; Т= 19, 750, 810 и 901°С - указана справа)

-9-

о

V

• Т=20 °С

■ Т=750 °С

а Т=810 °С

v Т=900"С

в

В«Э*

-4 -3 -2

Мс^ (Ф)

(—!— -1

Рис. 7. График "медианный диаметр -коэффициент сортировки", показывающий влияние температуры.

3

1

о

проведенных при температуре 15-20 сС. Наиболее отличными от распределения Розина-Рамлера являются распределения фрагментов для экспериментов, проведенных при Т= 900 °С.

Влияние давления на гранулометрический состав фрагментов

исследовалось в сериях экспериментов, выполненных при фиксированных температурах Т = 20 °С и 900 °С , но переменных начальных перепадах давления АРо = 10 - 185 бар. Эксперименты показали, что увеличение начального перепада давления АРо вызывает уменьшение медианного диаметра фрагментов Mdv (Рис. 8, 9). Этот эффект более заметен при давлениях ЛРд, незначительно превышающих пороговое давление фрагментации. При этом уменьшение Md9 при росте АР а более значительно для экспериментов, проведенных при 900 °С, чем при 20 °С. Ни один из экспериментов не дал распределений, соответствующих лог-нормальному распределению частиц по размерам (Рис. 10). Было обнаружено, что по мере увеличения начального перепада давления распределения становятся все более похожими на распределения Розина-Рамлера (Рис. 11). Это характерно для экспериментов, проведенных как при низких, так и при высоких температурах.

Влияние начального перепада давления на характерный размер фрагментов (Т = 15-20 °С) исследовалось при одновременном измерении динамических характеристик процесса фрагментации. Оказалось, что эффективная скорость декомпресии, при которой начиналось разрушение дацитового образца I dP/dT\¡г ~t\Pfr / tl, не влияет на характерный размер фрагментов. Этот размер оказался также не зависящим от скорости разрушения N и общей длительности процесса разрушения Величина сброса давления, при которой начиналась фрагментация, ЛPf, = Ро - Pj, , имела большее влияние на характерный размер фрагментов, чем начальный перепад давления АРо между КВД и КНД.

Сравнение гранулометрических составов экспериментальных продуктов дробления образцов магмы и продуктов дробления магмы криптокупола вулкана Сент-Хеленс, выброшенных при взрыве 18 мая 1980 г., показывает близость медианного и среднего диаметров (Mdç и М9). Коэффициент сортировки (cfy) экспериментально полученных фрагментов имеет меньшие значения (т.е. материал лучше сортирован), чем частицы отложении направленного взрыва (Рис. 12). Более мелкие размеры частиц отложений пирокластических волн обусловлены сепарацией материала в процессе формирования пирокластических волн и транспортировки пирокластики. Это было продемонстрировано в экспериментах М.А.Алидабирова и Н.М.Кравчеико. Коэффициент сортировки (iTf) экспериментально полученных фрагментов меньше, чем коэффициент сортировки пирокластики, поскольку в экспериментах максимальный размер фрагментов ограничен размером образца. В природе же нет такого ограничения.

42 Ьаг (#203)

116 Ьаг (#161)

126 Ьаг (#160)

145 Ьаг (#206)

-6-4-20 2 4 6 Ф = -1од2 с) / гчт

Рис. 8. Влияние давления на частотные кривые распределения фрагментов дацита по размерам (серия экспериментов при Т » 900 °С; АР0 = 42, 116, 126 и 145 бар).

Ар (бар)

Рис. 9. Зависимость медианного диаметра фрагментов от начального перепада давления между КВД и КНД, серия экспериментов при Т » 900 °С.

99.99 -

99.9 -

99 -

Со4 90 -

70 -

50 -

+ 30 -

Е 10 -

1 -

0.1 -

0.01 -

-6

.иеП^

Г-У

116 Ьаг (#161) 126 Ьаг (#160) 145 Ьаг (206)

-4 -2 0 2 4 ф = -1од2 й / тт

Рис. 10. Влияние начального перепада давления; распределен частиц по размерам а координата типичных для логнормального распределения, эксперименты при Т = 900 °С.

-1 -

Т

-2

-4 --5 --6

• I 116Ьаг (#161) ■ ! 126 Ьаг (#160)

♦ | 145 Ьаг (#206)

-2

-1 0 1 !п с! / тт

Рис. 11. Влияние начального перепада давления; распределения частиц по размерам в координатах, типичных для распределения Розина-Рамлера, эксперименты при Т = 900 °С.

Шф (ф)

Рис. 12. Экспериментальные данные (0), нанесенные на диаграмму "медианный диаметр - коэффициент сортировки", показывающую параметры взрывных отложений извержения вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 г. (Hoblitt et al. 1981). Сплошными линиями оконтурена область выпавшей пирокластики, а прерывистыми линиями - область пирокластических потоков, согласно (Walker, 1971).

Коэффициент сортировки экспериментальных фрагментов близок к соответствующему параметру пирокластических волн (Рис. 12). Экспериментально полученные фрагменты имеют гранулометрический состав, который находится в пределах кривых, предложенных Г.Волкером для обозначения границ отложений выпавшей пирокластики и пирокластических потоков. Следует отметить, что угловатая форма частиц, полученных в экспериментах, и текстура их поверхности идентичны аналогичным характеристикам пирокластики, выброшенной при взрыве вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 г. Это связано, во-первых, с тем, что состав и физические свойства образцов полностью соответствуют составу и свойствам магмы криптокупола.

Во-вторых, параметры наших экспериментов (температура и давление) также эквивалентны параметрам магмы криптокупола. Близость ряда параметров экспериментальной и природной пирокластики тем более примечательна, что для такого большого магматического тела, как криптокупол, следует ожидать значительных пространственных вариаций пористости, температуры и давления. Поэтому и продукты дробления различных частей магматического тела могут отличаться по морфологии и гранулометрическому составу. Наконец, следует отметить, что в экспериментах мы имеем возможность собрать и проанализировать все частицы, образовавшиеся после фрагментации образца. В природе же происходит неизбежная сепарация частиц в процессе их транспортировки. Поэтому проба, отобранная на некотором расстоянии от вулкана, не дает полного представления о первоначальном распределении по размерам продуктов дробления магмы. Данные о первоначальном распределении частиц по размерам можно пытаться получить лишь путем вычислений. При этом необходимо использовать информацию о мощности отложений и гранулометрическом составе проб пирокластики, отобранной на всей площади ее выпадения, что представляется сложной задачей. Поэтому преимущество экспериментального подхода представляется очевидным.

Глава 5. Механизмы фрагментации магмы. Результаты, полученные в главах 1 - 4, позволяют схематизировать процессы, происходящие при вулканических взрывах, следующим образом: (1) перед взрывом в канале или постройке вулкана формируется объем взрывоспособной пористой газированной магмы, обладающей запасом потенциальной энергии сжатого газа; (2) резкая декомпрессия сильновязкой магмы является основным фактором, вызывающим ее фрагментацию (дробление); (3) морфология продуктов фрагментации указывает на то, что под действием растягивающих напряжений происходит хрупкое разрушение сильновязкой магмы; (4) фрагментация магмы начинается в тот момент, когда декомпрессия создаст критический перепад давления между давлением газа в порах магмы и давлением на ее свободной поверхности; (5) фрагментация осуществляется путем распространения фронта разрушения, движущегося с некоторой конечной скоростью; (б) гранулометрический состав фрагментов зависит от ряда физических параметров и свойств магмы. Схематично процессы декомпрессии и фрагментации магмы показаны на Рис. 13. В данной главе анализируются указанные процессы и рассматриваются модели фрагментации пористых газонасыщенных тел, подвергаемых резкой декомпрессии. Эти модели позволяют объяснить результаты экспериментов и натурных наблюдений.

»0 % *с)ес

* * ♦

и и

А А

1

N 1

N.

Рис. 13. Схема декомпрессии и фрагментации магмы. Рд - начальное давление газа в пузырьках, Ра - внешнее давление, Р[г - давление при котором возникает фрагментация, га, , усс -соответственно времена начала декомпрессии, начала фрагментации и окончания декомпрессии, Л^ес -длительность декомпрессии. Состояния "1", "2" и "3" соответствуют временам / = /0, г = // < (/ < и 1 - 1(!ес> соответственно.

Рис. 14. Волновая диаграмма, показывающая распространение волны разгрузки (1), волны Рэлея (2), возможного фронта динамического разрушения (3) и волн дробления (РЩ в образце пористого дацита криптокупола вулкана Сент-Хеленс. Кривые 1-3 построены по расчетным данным; область, покрытая кривыми Р\'/, построена по экспериментальным данным. X - расстояние, отсчитываемое от верхнего торца образца, подвергающегося декомпрессии.

В начале главы 5 оцениваются характерные времена процессов тепломассообмена в силыювязкой пористой газированной магме, подвергаемой резкой декомпрессии. Выбирается элементарная ячейка системы - газовый пузырек, окруженный слоем магмы. На внешней границе этого слоя в силу симметрии задачи принимается условие отсутствия тепломассообмена. Начальные температуры и давления в газе и магме считаются равными. Принимается, что в магме растворена HjO, а на внешней поверхности в начальный момент времени действует давление Ро, уменьшающееся в процессе декомпрессии. Тогда характерные времена процессов выравнивания температур /г и концентраций Н2О to можно оценить для системы "газовый пузырек - слой магмы" как ty ~ fix, tD ~ Ad. Здесь коэффициент диффузии Н2О в магме обозначен D, вязкость магмы - г/ , коэффициент температуропроводности -плотность магмы - рш = const, коэффициент поверхностного натяжения на границе "газ - маша" - %. Внутренний радиус слоя (радиус пузырька) = а, а внешний = Ь. Характерный линейный размер / выбирается по смыслу задачи: если b » а, то I = а; если b - а « а, то / = b - а.

Декомпрессия приводит к появлению перепада давления АР между давлением газа внутри пузырька и на его поверхности. Время установления механического равновесия в газе, находящемся в пузырьке, to ~ slcg, где с.„ - скорость звука в газе. Сила инерции и сила вязкого сопротивления препятствуют установлению механического равновесия. Время установления механического равновесия, определяемое силами инерции, ttn ~ I !(АР/рга),/2. Если определяющую роль играет сила вязкого сопротивления, то АР ~ 7} w / / и t„s ~ I lw ~ ?j / АР ,где w -скорость движения границы пузырька. Характерное время изменения размера пузырька, обусловленное действием силы поверхностного натяжения, ¡sur/ ~ (Рт а"3/ <5 )1/2. При х = 3 х 10'3 см2/с, с = 300 дин/см, рш = 2500 кг/м3, cg -500 м/с, т] = 10s Па с, D = 10"s cmj/c, АР = 10 бар, а - / ~ 0.1 мм, характерные времена, приведенные выше, оказываются равными tj ~ 3 х 10"2 с, tp ~ 104 с, /<j ~ 2 х10'7 с, tin ~ 5 х10'6 с, tvis ~ 102 с, tsu,f~ 10"4 с. Таким образом, наибольшими временами характеризуются процессы диффузии to и вязкого расширения пузырька tvu. Заметим, что по мере увеличения вязкости будет происходить уменьшение коэффициента диффузии Н20. Соответственно и характерные времена /д и будут расти. При больших вязкостях инерционная оценка времеш! расширения пузырька перестает работать. Соотношение /,„ « rv„ является справедливым для газовых пузырьков, находящихся в магме, которая может иметь практически любую температуру и состав, если радиус пузырьков а < 1 мм. Это соотношение остается справедливым вплоть до низких значений вязкости т] ~ 102 - 103 Па с и при АР ~ 100 бар. Поэтому характерное время расширения пузырька при сбросе давления в сильновязкой магме можно определять как "вязкостное" время /,,„. Имеет место следующее соотношение между характерными временами: ta « tsurf « tj « ¡m K< Id ■ Неравенство

tm <<: 'о показывает, что при быстром сбросе внешнего давления процесс газоотделения не играет существешюй роли.

Затем рассматривается механическая реакция сильновязкой газированной магмы на быструю декомпрессию. Если давление сбрасывается за конечное время tdec ~ Ю"3 - 1с, то tj.se <<; U>. Неравенство t,>,,c « lD означает, что при быстрой декомпрессии магмы процессом диффузии можно пренебречь. Это неравенство также показывает, что в магме не следует ожидать нуклеации новых пузырьков. Действительно, в экспериментах, проводившихся при Г= 900 °С, не наблюдалось вспенивания дацита. Этот вывод справедлив также для вулканических взрывов, связанных с быстрой декомпрессией и фрагментацией сильновязкой пористой газированной магмой.

Неравенство tdec « lvl. означает, что при декомпрессии в слое вязкой магмы, окружающей пузырек газа, происходит рост напряжений со скоростью da/dt ~ Эти напряжения будут стремиться деформировать оболочку пузыря. Если напряжения окажутся достаточно большими, то может произойти разрыв слоя вязкой магмы. Характер разрыва (вязкий или хрупкий), зависит от скорости приложения напряжений и, следовательно, от скорости деформации do'dt. Хрупкий характер разрушения означает, что магма оказывается неспособной реагировать на прикладываемые напряжения в форме чисто вязкого течения. Энергия, затрачиваемая на деформацию магмы, не расходуется на вязкое течение, а накапливается упругим образом до того момента времени, когда прикладываемые напряжения превысят прочность магмы. Для оценки соответствующих характерных времен и скоростей деформации можно использовать соотношение Максвелла. Оно связывает вязкость магмы ц с характерным временем релаксации напряжений г. следующим образом: fj = rj! М. Здесь М - упругий модуль, выбираемый в зависимости от того, какие компоненты напряжения (растягивающие, касательные и т.д.) рассматриваются. Для простого одномерного случая в качестве значения модуля М можно использовать модуль Юнга Е . Характерное время приложения напряжений равно характерному времени декомпрессии ¿¿ес . Если tdec ,то следует ожидать упругой реакции магмы. Когда напряжения превысят прочность магмы, она разрушится.

Угловатая форма и структура частиц, полученных в высокотемпературных экспериментах, свидетельствуют о том, что фрагменты были образованы путем хрупкого разрушешм. Такой характер разрушения наблюдался во всем диапазоне температур, при которых проводились эксперименты (15 <Т <915 °С). Это означает, что материал ведет себя как твердое тело даже при Г > Tg » 810 °С. Действительно, характерное время декомпрессии образцов дацита в экспериментах t,j,,c ~ 10"3 с, а величина соответствующего сброса давления ДР к 10 ,МПа. Скорость приложения растягивающих напряжений можно оценить как (da/dt) ~ I ЛРАЛх | w 10 ГПа/с. Соответствующую скорость деформации образцов

можно оценить как ds/dt = (da/dt) / Е . При величине модуля Юнга стекловатой матрицы дациты £ « 79 ГПа (глава 2) скорость деформации можно оценить как ds/dt = 0.13 с'!. Если же в качестве значения модуля Юнга использовать величину, определенную для образцов пористого дацита £ а 11 ГПа (глава 2), то скорость деформации оказывается равной de/dt ~ 1 с'1. Т.к. в экспериментах вязкость дацита при Т ~ 900 °С была т] =Ю108 Па с, то характерное время релаксации можно оценить, используя соотношение Максвелла как г, к 5.7 с (при £«11 ГПа). При Е ~ 79 ГПа соответствующее время релаксации оказывается г, « 0.8 с. Поскольку при этом tdec 53 Ю"3 с, оказывается справедливым соотношение täcc « rs . Это рассмотрение объясняет хрупкий характер разрушения сильновязкой магмы.

Полученные экспериментальные результаты и проведенный анализ реакции сильновязкой магмы, подвергаемой резкой декомпрессии, позволяют предложить модель механизма фрагментации пористой газированной магмы волной дробления. Принимается допущение о хрупком характере разрушения магмы, и в качестве рабочей модели среды используется модель твердого тела. Рассматривается одномерный случай. Используются развитые в механике разрушения представления и анализируется модель разрушения волной дробления пористого тела. Задача о разрушении такой среды рассматривалась в механике в связи с проблемой внезапных выбросов угля, породы и газа в работах А.А,Борисенко, Ю.Ф.Коваленко, С.В.Кузнецова, А.А.Никольского, И.М.Петухова, А.М.Линькова, С.А.Христиановича и др. В диссертации при конструировании модели фрагментации сильновязкой магмы применялся известный подход С.А.Христиановича. Пусть имеется пористое газонасыщенное тело с закрытыми (изолированными) порами, которые заполнены газом, имеющим давление, избыточное по отношению к атмосферному. Свободная поверхность тела подвергается декомпрессии. Примем, что при этом не происходит разрушения магмы волной разгрузки (этот вопрос рассматривается ниже). Давление газа (ро ) внутри изолированных пор (пузырьков), расположенных вблизи поверхности, становится выше давления на свободной поверхности (ра < pö). Если возникший перепад давления Ар — ро - ра превысит прочность на разрыв материала межпузырьковых перегородок, то они разорвутся. Газ, содержащийся в разрушенных пузырьках, расширится в область низкого (атмосферного) давления, что приведет к выбросу фрагментов разорванных межпузырьковых перегородок. Давление на вновь образованной свободной поверхности, отделяющей новый слой неразрушенных пор (пузырьков) от области ускоряющейся смеси газа с частицами, упадет. К межпузырьковым перегородкам начнет прикладываться все больший перепад давления, стремящийся разорвать перегородки. Межпузырьковые перегородки разрушатся, и газ, находившийся в пузырьках, расширится, выбрасывая фрагменты перегородок. Давление на вновь образовавшейся свободной поверхности магмы снова снизится, и процесс разрушения следующего слоя

межпузырьковых перегородок повторится.. Следовательно, разрушение пористого тела будет происходить путем послойного отрыва, распространяющегося вглубь магмы. Продукты дробления (смесь газа с фрагментами) будут выбрасываться в сторону области низкого давления.

Принимая односкоростпую модель движения частиц и газа и не учитывая процесс теплообмена между ними, можно записать законы сохранения массы и энергии на фронте волны дробления. С.А.Христианович предложил вместо уравнения сохранения количества движения использовать закон расширения газа на фронте волны дробления. Скорости выброса смеси газа и фрагментов, и, и скорость волны дробления, И, могут быть определены, как:

м =_——__

«[(р,/аг-1]

где с - доля энергии, расходуемой на дробление и необратимые потери; п -постоянная политроны; р-средняя плотность: р-у(1-а) + роа.Здесъро и ра - плотности газа перед и за фронтом волны дробления, у - плотность твердой фазы, а - объемная доля газа. Исследования дробления пород при внезапных выбросах показывают, что в этих случаях, как правило, затраты энергии на дробление невелики (£, < 0.1). Анализ зависимости и от р0 / ра показывает, что наблюдается монотонный рост скорости выброса при увеличепии рд I ра . В то же время увеличение потерь энергии (увеличение £) вызывает уменьшение скорости и, что вполне закономерно. Уменьшение пористости также приводит к снижению скорости выбрасываемой смеси и, т.к. при фиксированном отношении ро / ра уменьшение ео эквивалентно уменьшению потенциальной энергии сжатого газа, находящегося в порах материала. Скорости до 300 м/с могут быть достигнуты при начальном давлении газа порядка 200 бар (при условии высокой пористости исходной магмы). Рассчитанная скорость волны дробления N не превышает нескольких десятков м/с, и, как правило, близка к 10 м/с. N оказывается много меньше скорости распространения звука в газе или твердой среде (/V « с). Для одномерного случая распространения волны дробления по телу, имеющему длину Ь, время разрушения можно оценить как: г =£/#.

Данная модель фрагментации сильновязкой магмы с изолированными порами абсолютно не критична к скорости сброса давления (скорости декомпрессии) на поверхности магмьг (естественно, до тех пор, пока сильновязкая среда ведет себя как твердое тело). Процесс дробления может возникать и распространяться при достаточно медленной начальной скорости декомпрессии свободной

поверхности магмы. Единственным условием начала разрушения должно быть лишь наличие достаточного сброса давления.

В качестве альтернативной модели фрагментации магмы волной дробления рассматривается также модель механизма фрагментации магмы при распространении волны разгрузки. Показано, что в случае быстрой декомпрессии свободной поверхности сильновязкой или твердой пористой магмы, когда напряжения ах снижаются на величину -Af, в упругой среде возникнет волна разгрузки. Рассматриваются уравнения, определяющие скорость распространения этой волны и скорость движения пористой среды. Такие уравнения позволяют рассчитать скорости распространения волны упругой разгрузки и движения материала за её фронтом, используя данные о физико-механических свойствах пористого материала.

Распространяясь вглубь, волна разгрузки будет подвергать последующие слои магмы растяжению. В результате могут образовываться трещины, параллельные фронту волны. Сжатый газ, находящийся в порах разрушаемой магмы, будет стремиться раскрыть трещины, дополнительно разрушая пористый материал. Расширение газа в сторону области низкого давления приведет к ускорению и выбросу продуктов дробления в атмосферу. Заметим, что вопросам разрушения твердой среды при высокоскоростном ударе и взрыве, когда твердая среда подвергается воздействию взрывных волн, посвящен ряд исследований. Так, эти вопросы рассматривались в работах В.В.Адушкина, А.П.Сухотина, С.С.Григоряна, В.М.Кузнецова, В.Н.Николаевского, В.Н.Родионова, И.А.Сизова, В.М.Цветкова, Е.И.Шемякина и др.

Анализ экспериментальных данных показывает, что приход волны разрежения к верхнему торцу образца создает резкую декомпрессию и вызывает возникновение растягивающих напряжений в материале. В большинстве экспериментов свободная поверхность образца находилась на расстоянии 212 мм от диафрагмы, и скорость приложения растягивающих напряжений составляла {da/di) ~ I AP/t¿ec 1=10 ГПа/с. Соответствующие скорости деформации могут быть оценены как s - а / Е. При величине модуля Юнга £«11 ГПа значения скоростей деформации оказываются ~ 1 с"1. Такие величины скорости деформаций возникали в большей части экспериментов.

Наиболее высокие скорости сброса давления и, следовательно, наиболее высокие скорости деформации достигались при расположении образца вблизи диафрагмы (расстояние < 5 мм). Специальные измерения в месте расположения поверхности образца показали, что давление сбрасывается на величину ~ 10 МПа за время t¿eс ~ 0.1 мс и соответствующая скорость сброса давления составляет ~ 100 МПа/мс =100 ГПа/с, Сравним это время tdic ~ 0.1 мс со временем распространения по образцу продольной волны. Для образца дацита, имеющего длину L = 50 мм и скорость продольных волн ср ю 3000 м/с, время распространения продольной волны составляло/ ~ L/ср~ 16.6 мкс. За это время растягивающие напряжения, вызываемые декомпрессией, могли вырасти на

величину м 1 МПа. Таким образом, в случаях наиболее быстрой декомпрессии образца время падения давления до величины, достаточной для начала разрушения образца (АР > 9 МПа), составляло t я 100 мкс. Это время t да 100 мке много больше времени распространения по образцу продольной волны (16.6 мкс). Следовательно, растягивающие напряжения могли привести лишь к упругой деформации материала без его разрушения.

В пользу такого вывода говорят и данные измерения скорости разрушения образцов. Если бы разрушение материала происходило из-за распространения волны разгрузки, то характерную скорость распространения фронта разрушения можно было бы оценить, как c/r ~ 0.4 с л , где cR -скорость распространения поверхностной волны Рэлея, определяемая как:

0.87 +1.12v IG

с,, я--- •,

l+v р

Здесь G - модуль сдвига, v - коэффициент Пуассона. Для G = 5.14 ГПа, v ~ 0.09 получаем оценку сц = 1601 м/с. Следовательно, скорость распространения возможного фронта динамического разрушения cj, к 640 м/с. Эта скорость почти в 4 раза превышает измеренные максимальную величину скорости распространения фронта дробления (N = 170 м/с) и более, чем в 100 раз, минимальную величину (N = 5 м/с). Таким образом, фрагментация дацита происходила не по механизму динамического разрушения, связанного с быстрой разгрузкой материала.

Можно сделать вывод, что основным механизмом разрушения пористого дацита, подвергающегося резкой декомпрессии, было разрушение путем распространения волны дробления. Диаграмма, показывающая характерные скорости распространения различных волн в пористом даците, показана на Рис. 14. Этот механизм объясняет довольно низкие скорости распространения фронта разрушения (5-170 м/с) и многоактность процесса фрагментации при невысоких ДРо.

Предложенная модель механизма фрагментации сильновязкой магмы позволяет проанализировать факторы, определяющие гранулометрический состав фрагментов. Показано, что характерный размер фрагментов определяется, в частности, характерной толщиной отрываемых слоев пористого материала. В случае разрушения материала, имеющего абсолютно изолированные поры, характерный размер фрагментов должен определяться толщиной межпузырьковых перегородок (стенок пузырьков или пор). Если материал имеет соединенные поры и обладает проницаемостью к, то характерную толщину отрываемых слоев пористого материала можно оценить, следуя С.А.Христиановичу, как

/ = Фо

»¡/¿V

где ро - давление газа в порах, т - пористость материала, N - скорость распространении волны дробления, к - проницаемость и ц - вязкость газа. При этом предполагается, что течение газа подчиняется закону Дарси.

Отрываемые слои материала могут дополнительно дробиться. Для оценки характерного размера фрагментов можно применить энергетический подход Гриффитса (предполагается хрупкое разрушение). Такой подход широко используется при описании процессов разрушения пород при взрыве, ударе и т.д. Если материал имеет прочность на разрыв ас и модуль Юнга Е, то запасаемая в материале упругая энергия, которая может быть израсходована на его разрушение, равна по порядку величины огс2/2 Е. Рассмотрение энергетического баланса показывает, что характерный размер фрагмента определяется зависимостью:

с!~ (К,с1ъ)2 .

Здесь хрупкие свойства среды описываются фактически только модулем сцепления К/с (равным величине коэффициента интенсивности напряжений, при которой происходит разрыв материала).

Анаши экспериментальных данных показывает, что характерная толщина фрагментов/«= 1.24 мм,еслир0= 10 МПа, т = 0.35, к = 24-10"15 м2, Ы= 25 м/с, ц = 2.2-10 5 Па с. Если Лг= 125 м/с, а остальные параметры те же самые, то /»- 0.25 мм. Во время отрыва слоев материал обладает запасом упругой энергии, которая может быть израсходована на дополнительное хрупкое разрушение. При этом характерный размер фрагментов будет определяться напряжением, при котором происходит разламывание слоев, и модулем сцепления материала: Оценки показывают, что для значений К/с ~ 0.77 МН/мзд и напряжений, при которых происходит разрушение ~ 10 МПа, характерный размер фрагментов можно оценить как (1-6 мм. Если же К/с -0.18 МН/мзп, а ос ~ 18 МПа, то получим с! ~ 0.1 мм. Оцененные таким образом размеры близки к размерам экспериментальных фрагментов. Модуль сцепления К/с должен быть отнесен к числу наиболее важных характеристик сильновязких и твердых магм.

Следует заметить, что близость распределений экспериментальных фрагментов по размерам закону Розина-Рамлера может быть объяснена разрушением образцов только за счет запасенной потенциальной энергии (энергии упругих деформаций и энергии сжатого газа). При этом никакого внешнего механического воздействия не производится, и разрушение осуществляется преимущественно отрывом. Как показано В.Н.Родионовым и др., аналогичные процессы наблюдаются в дальней зоне взрыва при взрывном разрушении пород, когда напряжения носят растягивающий характер и распределение продуктов по размерам близко закону Розина-Рамлера. В

ближней же зоне взрыва распределения частиц по размерам приближаются к лог-нормалыюму, что характерно дал процессов, включающих многократное дробление.

Проанализируем наблюдаемое в экспериментах уменьшение характерного размера фрагментов при увеличении величины и скорости сброса давления. При постоянной величине прощщаемости к, пористости т, вязкости газа ц характерная толщина фрагментов определяется величиной перепада давления ро , при которой начинается отрыв слоев материала, и скоростью распространения фронта волны дробления N. В экспериментах мы наблюдаем, что при увеличении перепада давления в 1.5 раза скорость волны дробления возрастает в 5 раз. В результате характерный размер фрагментов может уменьшиться более, чем в 3 раза. Таким образом, увеличение перепада давления должно приводить к уменьшению толщины отрываемых слоев материала. Отметим, что чем менее проницаемой будет магма (при прочих неизменных параметрах), тем меньше будет характерная толщина отрываемых слоев и, следовательно, меньше характерный размер образующихся фрагментов. В пределе в случае абсолютно непроницаемой магмы (все поры изолированы) характерная толщина фрагментов должна определяться характерной толщиной межпузырьковых перегородок.

Поскольку магма содержит пузырьки и кристаллы различного размера, то такой материал может быть рассмотрен как несовершенный, содержащий неоднородности и изначально предрасположенный к разрушению. Однако в наших экспериментах характерный размер фрагментов дацитовой магмы превышает размеры межпузырьковых перегородок (—1-10 мкм), пор и кристаллов дацита. Твердые включения могут играть более существенную роль при больших величинах и скоростях сброса давления, когда характерный размер фрагментов станет сравним с характерным размером неоднородностей.

Повышение температуры приводит к росту диссипации механической энергии. Наличие неупругих (пластических) деформаций должно влиять и на характерный размер фрагментов. Известно, ч то неупругие деформации могут возникать в стеклах уже при Т > 0.7 Те. Для образцов пористого дацита вулкана Сент-Хелене температура 750 °С, при которой был проведен ряд экспериментов, соответствует уже 0.9 'Гц (температура стеклования для стекловатой матрицы дацита равна Тг = 810 °С). Л температура 900 °С существенно превышает Таким образом, увеличение температуры должно существенно влиять на характер разрушения, что и наблюдается в экспериментах.

Когда характерный размер фрагментов определяется толщиной отрываемых при распространегаш волны дробления слоев, прочность материала и характер фильтрационного течения являются параметрами, чувствительными к температуре. При увеличении температуры от 20 °С до 900 °С прочность дацита снижается в 3 раза. Вязкость газа пропорциональна -1Т. Поэтому при

увеличении Т в 4 раза вязкость газа возрастет в 2 раза. Таким образом, единственным параметром, способным объяснить рост характерной толщины отрываемых слоев /• при увеличении Т, является проницаемость к.

Характеристикой материала, ответственной за рост трещин в процессе хрупкого или квазихрупкого разрушения, является, в первую очередь, модуль сцепления К ¡с. Эта характеристика материала входит в соответствующее уравнение во второй степени и также является чувствительной к температуре. Так, согласно данным М.Клрр и О.С!гас1у, модуль сцепления металлов (стали) зависит от температуры как

Т 1

Здесь индекс 0 соответствует значению модуля сцепления при нормальной температуре, Г - текущая температура, Тт - температура плавления. Видаю, что приближение текущей температуры к температуре плавления вызывает резкий рост модуля сцепления. С другой стороны, уменьшение прочности дацита в 3 раза должно вызывать увеличение характерного размера фрагментов в 9 раз. Таким образом, оба эти фактора должны приводить к существенному росту характерного размера фрагментов при приближении температуры магмы к температуре плавления. Именно этот эффект и наблюдается в наших экспериментах.

Механизм фрагментации магмы и некоторые проблемы взрывных вулканических извержений. В случае крупных взрывов характерные величины скорости декомпрессии могут быть оценены как (ЗР/Л ~ 1 - 104 МПа/с при ~ 10'3 - 10

с и ЛРо ~ 10 МПа. Сравнение оценок потенциальной энергии сжатого газа (с]х) и потенциальной энергии упругих деформаций ((/<■/) показывает, что для магмы, в порах которой ЛРо ~ 10 МПа, справедливо неравенство де/ « д*. Тем не менее, именно упругая энергия обеспечивает основной вклад в работу по образованию в процессе разрушения новой поверхности. С другой стороны, потенциальная энергия сжатого газа играет важную роль в ускорении фрагментов, дополнительной фрагментации крупных кусков и в их выбросе в атмосферу.

В главе приводятся оценки характерных длительностей разрушения криптокуполов при крупных направленных взрывах. Так, при направленном взрыве вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 г. объём криптокупола мог достигать 0.2 км3. Его диаметр можно оценить в 700-800 м. Полная потенциальная энергия сжатого газа, находящегося в объеме криптокупола, может быть оценена как ~ 1016 Дж. При пористости а я 0.5, давлении газа в порах к 200 - 300 бар и затратах на дробление £; « 0.1 эффективная скорость распространения волны дробления могла быть N к 5 м/с. Скорость и истечения газопирокластической смеси в атмосферу при этих параметрах могла достигать

200 - 300 м/с. Тогда характерное время фрагментации должно быть tf,~D/N. При N ~ 5 м/с, D ~ 700-800 м имеем ¡> ~ 140-160 с. Эта оценка длительности взрыва совпадает с длительностью, определенной по спутниковым данным t„ ~ 160 с. Двухактиость направленного взрыва на вулкане Сент-Хеленс можно объяснить временной остановкой волны дробления, аналогично тому, как это происходило в наших экспериментах.

Аналогичным образом можно оценить характершле длительности разрушения частей лавовых куполов при взрывных извержениях. Так, при извержении вулкана Безымянный в 1985 г. (глава 1) характерный линейный размер объёма газированной магмы, раздробленной при небольшом направленном взрыве, может быть оценен как 100 м. При характерном размере L « 100 м и скорости волны дробления ~ 5 -10 м/с длительность процесса разрушения могла составлять ~ 10-20 с. Длительность истечения продуктов фрагментации (газо-пирокаластической смеси) могла быть существенно больше, что соответствует результатам наших экспериментов.

Отметим также, что достаточно частым явлением, наблюдаемым при обрушении частей лавового купола, является формирование пирокластическях потоков. Некоторые из этих пирокластических потоков могут образовываться в результате дробления частей лавового купола. В таких случаях скорость истечения газонирокластической смеси оказывается недостаточной для того, чтобы произвести выброс в определенном направлении, и пирокластика движется главным образом под действием силы тяжести вдоль склона вулкана. При этом происходит дополнительное дробление крупных обломков.

Характерные длительности разрушения магмы в выводном канале при взрывах вулканского типа оцениваются для вулканских взрывов, происходивших в ходе извержения вулкана Карийский в 1970 г. (глава 1). Объём материала, выбрасывавшегося при взрывах первого типа на вулкане Карымский, 104 м3. При площади канала S = 500 м2 протяженность объема магмы в канале составляла На 20 м. Длительность взрывного разрушения магмы может быть оценена как t » 2 - 4 с (при эффективной скорости фрагментации N ~ 5-10 м/с). При взрывах 2-го типа высота разрушавшегося магматического тела составляла H « 200 м. Следовательно, длительность взрывного разрушения магмы могла быть t я 20-40 с ( при скорости фрагментации N » 5-10 м/с). Если давление газа в пористом магматическом теле, АР ~ 100 бар, то при пористости 0.5 - 0.7 этого давлешм могло быть достаточно для обеспечения выброса гшрокластики со скоростью и ~ 100 - 200 м/с. Фрагментация магмы при "слабых" вулканских взрывах 3 типа также могла осуществляться посредством распространения волны дробления за характерное врем < I с, однако процесс истечения газогшрокластической смеси мог быть более длительным, чем собственно процесс фрагментации. Скорость высвобождения энергии оценивается, как Е ~ 2 х 109 Дж/с. Изменение давления за фронтом волны

дробления могло приводить к остановкам процесса дробления, что объясняет наблюдавшуюся многоактность взрывов вулканского типа. Следует также учесть и тот факт, что слабые взрывы вулканского типа происходили в период, когда кратер вулкана был заполнен обломками пород и пирокластикой. Эта засыпка могла играть роль своеобразного клапана и контролировать процесс разрушения магматического тела, а также процесс истечения газопирокластической смеси в атмосферу.

Некоторые следствия для проблемы образования пнрокластшси при вулканических взрывах. Проведенные эксперименты впервые показали, что пирокластика может образовываться в результате фрагментации сильновязкой магмы, подвергаемой резкой декомпрессии. Этот процесс происходит без какой-либо коалесценции пузырьков и может возникать при любой пористости магмы, включая случаи достаточно низкой пористости ( а < 35 об. %). Этот вывод существенно ограничивает господствовавшие достаточно длительное время представления о том, что пирокластика может образовываться лишь при слиянии (коалесценции) газовых пузырьков, находящихся в магме.

Наблюдаемое в экспериментах дробление образцов пористой породы при низкой температуре объясняет природу образования так называемого неювенильного пепла (резургентной пирокластики). Отсутствие ясного понимания механизма образования такой пирокластики породило в вулканологии достаточно широко распространенное мнение о том, что такая пирокластика может образовываться лишь в результате фреатических взрывов. Более того, наличие резургентной пирокластики стало рассматриваться как доказательство того, что извержение было фреатического или фреатомагматичсского типа. Наши эксперименты четко показывают, что пирокластика, имеющая угловатую (обломочную) форму, может быть образована в ходе чисто магматического извержения путем дробления как холодной, затвердевшей, так и высокотемпературной сильновязкой пористой магмы.

Некоторые следствия для проблемы оценки вулканической опасности при крупных взрывах. Внедрение крупных объемов магмы в вулканическую постройку и образование интрузивных и экструзивных тел могут вызывать нестабильность вулкашгческих построек и их обрушение. Известными примерами являются обрушения построек вулканов Безымянный в 1956 г., Шивелуч в 1964 г., вулкана Сент-Хеленс в 1980 г. и др. Недавно И.В.Мелекесцев, В.В.Пономарева и О.Н.Вольшец рассмотрели возможность обрушения вулкана Кизимен. В.В.Адушкин, КШ.Зыков и С.А.Федотов оценили размеры возможного обрушения Ключевского вулкана - самого высокого вулкана в Европе и Азии. В работе В.В.Адушкина, Ю.Н.Зыкова и Б.А.Иванова было проведено численное моделирование лавинообразного обрушения вулкана Корякский, расположенного в непосредственной близости от г. Петропавловск-

Камчатского. В случае такого обрушения при наличии в этот момент в постройке вулкана крупного объема сильновязкой газированной магмы также можно ожидать возникновения крупного направленного взрыва. Развиваемые в настоящей работе представления позволяют сделать оценки характерных параметров таких взрывов (скорости выброса продуктов дробления магмы, длительности выброса, расхода выбрасываемого материала и др.). Разработашшй экспериментальный метод позволяет определить величину критического сброса давления, достаточную для возникновения фрагментации природных образцов вулканических пород. Это имеет особую важность для оценок размеров обрушения части постройки вулкана, необходимых для инициирования взрыва.

Достаточно распространенной в вулканологии является также точка зрения, согласно которой взрывные извержения возможны лишь при поступлении свежих горячих порций магмы. Наши экспериментальные результаты показывают, что эта концепция не является абсолютно однозначной. Дробление вулканических пород, сопровождающееся образованием пирокяастики и ее выбросом в атмосферу, возможно как при высоких температурах, так и при низких. Для взрывоподобного дробления магмы, находящейся при низкой температуре, требуются более высокие пороговые перепады давлений, но при одинаковых перепадах давлений холодная магма дробится лучше, чем находящаяся при высокой температуре (Т ~ 1000 С). Этот вывод имеет важное значение для оценки поведения материала интрузий и внутренних частей экструзивных куполов, подвергающихся резкой декомпрессии. Например, если внутри вулкана имеется интрузия, маша интрузии имеет достаточное давление газа внутри пор и подвергается резкой декомпрессии из-за обвала или развития трещин, то взрывное дробление магмы и выброс пирокластики может произойти даже при температурах, которые значительно ниже температуры солидуса магмы. Таким образом, относительно холодные магматические тела также могут быть весьма опасными, если они подвергаются резкой декомпрессии. В этом смысле даже вулкан, не извергавшийся длительное время, но имеющий внутри себя остывшую или остывающую взрывоспособнуго магму в виде интрузии (криптокупола) (т.е имеющую некоторую пористость, достаточное для фрагментации поровое давление газа), должен рассматриваться как потенциально опасный с точки зрения возможности крупного направленного вулканического взрыва, который может быть инициирован внезапным обрушением части его постройки. Этот вывод имеет важное значение для проблемы оценки вулканической опасности.

Представления о механизме дробления сильновязких магм при вулканических взрывах, развиваемые в настоящей работе и основанные на экспериментальных данных, позволяют подойти вплотную к количественным оценкам параметров возможных крупных вулканических взрывов и, следовательно, к оценке вулканической опасности для районов, прилегающих к потенциально опасному

вулкану. При этом появляется возможность оценивать поражающие факторы крупных вулканических взрывов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные выводы данной работы.

1. Взрывы, возникающие на вулканах, имеющих сильновязкую газированную магму, протекают по двухстадийной схеме: на стадии подготовки в постройке вулкана формируется взрывоспособпое пористое магматическое тело, а на вызываемой резкой декомпрессией стадии развития взрыва происходит фрагментация (дробление) этого тела, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления (пирокластики) в атмосферу. Процесс фрагментации магмы играет ключевую роль в развитии вулканических взрывов.

2. Предложен новый метод и создана уникальная экспериментальная установка для исследования фрагментации сильновязкой магмы, находящейся при температуре до 1000 °С и давлении до 200 бар, которые эквивалентны температурам и давлениям, существующим в природе при вулканических взрывах.

3. Определен пороговый (критический) перепад давления, вызывающий фрагментацию магмы. Показано, что процесс фрагментации сильновязкой магмы происходит с относительно невысокой конечной скоростью, зависящей от величины и скорости сброса давления; длительность стадии выброса фрагментов оказывается существенно выше длительности стадии фрагментации.

4. Получены данные о морфологии и структуре экспериментальных продуктов дробления образцов магмы, указывающие на хрупкий характер дробления сильновязкой магмы при быстрой декомпрессии. Установлены зависимости гранулометрического состава продуктов дробления от начального перепада давления, температуры и скорости декомпрессии. Экспериментально обнаружен эффект возрастания характерного размера фрагментов с ростом температуры. Проведено сравнение гранулометрического состава частиц, полученных в экспериментах, с аналогичными характеристиками природной пирокластики.

5. Разработана модель механизма фрагментации силыювязкой магмы при вулканических взрывах. Эта модель основана на представлениях о фрагментации магмы волной дробления и согласуется с полученными экспериментальными данными. Справедливость предложенноой модели продемонстрирована при рассмотрении конкретных вулканических взрывов. Показана необходимость учета механических и фильтрационных свойств образцов магмы (лавы) (прочности на разрыв, модуля сцепления и проницаемости).

6. Предложено использовать развитые в работе представления о механизме фрагментации сильновязких магм при реконструкции эруптивных событий по данным изучения пирокластики. При оценках вулканической опасности необходимо учитывать возможность взрывоподобного дробления относительно холодных газонасьпцснных магматических тел, находящихся внутри вулканических построек, склоешых к крупномасштабному обрушению.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Алидибиров М.А. О высвобождении энергии при вулканических взрывах. // Вулканизм и связанные с ним процессы. - Петропавловск-Камчатский, 1985.-Вып. 1,-С. 68-70.

2. Алидибиров MA. Динамика разрушения газированной магмы при вулканических взрывах. // Вулканологические исследования иа Камчатке. -Петропавловск -Камчатский, 1985. - С. 3-5.

3. Алидибиров М.А. Модель высвобождения энергии при вулканических взрывах вулканского типа. // Вулканология и сейсмология. - 1987. - № 4. - С. 50-58.

4. Алидибиров М.А., Белоусов А.Б., Кравченко КМ. Фаза направленного взрыва извержения вулкана Безымянный в 1985 г. // Вулканология и сейсмология. -1987. - № 5. С. 81-89.

5. Алидибиров М.А. О механизме эксплозивной деятельности экструзивных куполов. // Вулканологические исследования на Камчатке. - Петропавловск-Камчатский, 1988. - С. 6-7.

6. Алидибиров М.А., Кравченко Н.М. Экспериментальное исследование псевдоожижения материала гшрокластических потоков извержения вулкапа Безымянный 1985 г. //Вулканология и сейсмология. - 1988. - № 2. - С. 98-104.

7. Алидибиров М.А., Богоявленская Г.Е., Кирсанов И.Т., Фирстов П.П., Гарина О.А., Белоусов А.Б., Жданова E.IO., Малышев А.И. Извержение вулкапа Безымянный в 1985 г. // Вулканология и сейсмология. - 1988. - № 6. С. 3-17.

8. Alidibirov M. Physical model of magma fragmentation during volcanic explosions. // IUGG XIX General Assembly, Abstr. v.2. - Vancouver, Canada, 1987. - p. 391.

9. Alidibirov M. The model for explosions of the Vulcanian type. // Int'l Vole. Conf. Abstr. - Kagoshima, Japan, 1988. - p. 280 .

10. Alidibirov M., Panov V. Fragmentation of highly viscous magmas during volcanic blasts: laboratory simulations. // Int'l Gelog. Congress, Abstr. v.2. - Kyoto, Japan, 1992.-p. 493.

11 .Alidibirov M. Laboratory modeling of volcanic blasts. // Тепа Nova. - 1993, - v. 5.-p. 567.

12. Alidibirov M. A model for viscous magma fragmentation during volcanic blasts. // Bulletin of Volcanology. -1994. - v.56. - P. 459-465.

13. Alidibirov M. Lava dome disintegration and pyroclastic flows. // Int'l, Volcan. Congr., Abstr. - Ankara, Turkey, 1994. - p. 71.

14. Alidibirov M. A model for the mechanism of the May 18,1980, Mount.St.Helens blast. // Journal of Volcanology and Gepthermal Research. - 1995. - v.66. P. 217225.

15. Alidibirov M., DingwelI D.B. Experimental study of highly viscous magma fragmentation in explosive volcanic eruptions. // Periodico di Mineralogía. - 1995. - v. LXIV, no. 1-2. - P. 71-72.

16. AlidibirovM., Dingwell D.B. An experimental facility for the investigation of magma fragmentation by rapid decompression. // Bulletin of Volcanology. - 1996. -v.58.-P.411-416.

17. Alidibirov M., Dingwell D.B. Experiments on magma fragmentation by rapid decompression: effects of temperature and decompression rate. // Terra Nova. -1996.-v. 8.-p.2.

18. Alidibirov M.. Dingwell D.B. Magma fragmentation by rapid decompression. // Nature. - 1996. - v.380. - P. 146-148.

19. Alidibirov A/,, Dingwell D.B. Factors governing fragmentation of highly viscous vesicular magma. // Terra Nova. - 1997. - v.9. - p.189.

7Q Alidibirov M„ Dingwell D.B. Fragmentation of dome magma by rapid decompression: preliminary results for Unzen. // Proceed. Unzen Int'l. Workshop. -Sliimabara, Japan, 1997. - P. 106-107.

21. Alidibirov M„ Dingwell D.B., Stevenson R.J., Hess K.-U.. Webb S.L., Zinke J. Physical properties of the 1980 Mount St. Helens cryptodome magma. H Bulletin of Volcanology. - 1997. - v. 59. - P. 103-111.

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Алидибиров, Михаил Алхазурович, Москва

Президиум России ¡

ц - ' - Of; 19|<Рг.,№ Wi/jfy

\ 1 ' '

iijj.V.vVrpj'f " í., i:¡; i \,.?.л «Гл, i

tpusjs <¿JC£> - eAA^í-t \ | =

Началаиг u уп г ог./«аы,. ЬЛК Г '

/РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ВУЛКАНИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОХИМИИ

На правах рукописи УДК 550.3

АЛИДИБИРОВ МИХАИЛ АЛХАЗУРОВИЧ

МЕХАНИЗМ ФРАГМЕНТАЦИИ СИЛЬНОВЯЗКОЙ ПРИ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ВЗРЫВАХ (экспериментальное исследование)

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор В.Н.Родионов

Москва

1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................Стр. 5

ГЛАВА 1. ЭКСПЛОЗИВНЫЕ ИЗВЕРЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМА ФРАГМЕНТАЦИИ МАГМЫ........................................................................15

1.1. Характерные параметры вулканических взрывов..............................22

1.2. Представления о механизмах фрагментации магмы.........................33

1.3. Проблема фрагментации магмы при вулканических взрывах............37

Выводы по главе 1..................................................................................40

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ФРАГМЕНТАЦИИ ПРИ БЫСТРОЙ ДЕКОМПРЕССИИ................................42

2.1. Фрагментация модельного пористого материала.............................43

2.1.1. Экспериментальная установка для исследования фрагментации модельного пористого материала.................................................43

2.1.2. Физико-механические свойства модельного материала................48

2.2. Фрагментация образцов магмы при высоких температурах и давлениях........................................................................................49

2.2.1 Высокотемпературная экспериментальная установка....................50

2.2.2. Физические свойства образцов дацита.........................................64

Выводы по главе 2..................................................................................83

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ФРАГМЕНТАЦИИ ПОРИСТОЙ ГАЗОНАСЫЩЕННОЙ

СРЕДЫ ПРИ БЫСТРОЙ ДЕКОМПРЕССИИ...............................................85

3.1. Динамика фрагментации пористого модельного материала...........85

3.1.1. Пороговый сброс давления, вызывающий фрагментацию............86

3.1.2. Динамика распространения трещин.............................................87

3.1.3. Динамика выброса фрагментов....................................................91

3.1.4. Характер изменения давления в процессе фрагментации.............94

3.2. Динамика фрагментации пористого дацита......................................95

3.2.1. Пороговый сброс давления, вызывающий фрагментацию

пористого дацита...........................................................................98

3.2.2. Динамика дегазации пористого дацита при отсутствии

фрагментации................................................................................99

3.2.3 Динамика дегазации пористого дацита при его фрагментации.....103

3.2.4. Скорость фрагментации пористого дацита..................................109

3.2.5. Наблюдение процесса фрагментации и выброса........................113

Выводы по главе 3................................................................................121

ГЛАВА 4. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРОДУКТОВ ФРАГМЕНТАЦИИ...................................................................................125

4.1. Морфология фрагментов дацита....................................................125

4.2. Гранулометрические характеристики фрагментов..........................129

4.3. Влияние температуры на гранулометрический состав фрагментов. 135

4.4. Влияние давления на гранулометрический состав фрагментов.......142

4.5. Влияние скорости декомпрессии на гранулометрический состав фрагментов.....................................................................................150

4.6. Гранулометрические характеристики фрагментов и динамика процесса фрагментации.................................................................152

4.7. Сравнение параметров экспериментальных и природных продуктов дробления магмы...........................................................................155

Выводы по главе 4................................................................................161

ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМЫ ФРАГМЕНТАЦИИ МАГМЫ.................................164

5.1. Реакция сильновязкой пористой газированной магмы на резкую декомпрессию.................................................................................165

5.1.1. Соотношение характерных времен процессов тепломассообмена

в пористой газированной магме при быстрой декомпрессии......167

5.1.2. Механическая реакция сильновязкой газированной магмы на быструю декомпрессию...............................................................172

5.2. Механизмы фрагментации пористой газированной магмы, подвергающейся быстрой декомпрессии........................................177

5.2.1. Разрушение пористого тела волной дробления...........................177

5.2.2. Разрушение пористого тела при распространении волны разгрузки....................................................................................191

5.2.3. Анализ экспериментальных данных по динамике фрагментации.. 195

5.2.3.1. Механизм фрагментации пористого дацита..............................195

5.2.3.2. Механизм фрагментации пластиприна......................................204

5.3. Факторы, определяющие гранулометрический состав фрагментов.....................................................................................212

5.3.1. Оценка характерной толщины фрагментов при разрушении

пористого тела волной дробления................................................212

5.3.2. Энергетический подход к оценке характерного размера фрагментов..................................................................................215

5.3.3. Анализ экспериментальных данных по гранулометрическому составу фрагментов дацита.........................................................217

5.3.3.1. Влияние величины и скорости сброса давления на характерный размер фрагментов...................................................................219

5.3.3.2. Влияние температуры на характерный размер фрагментов.......222

5.4. Механизм фрагментации магмы и некоторые проблемы взрывных

вулканических извержений..............................................................224

5.4.1. Оценки характерных параметров вулканических взрывов.............225

5.4.2. Некоторые следствия для механизма образования пирокластики при вулканических взрывах.........................................................236

5.4.3. Некоторые следствия для проблемы оценки вулканической опасности при крупных взрывах...................................................238

Выводы по главе 5................................................................................240

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................243

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................245

ВВЕДЕНИЕ

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Предмет исследования - процесс фрагментации (дробления) сильновязкой магмы при вулканических взрывах. До последнего времени процесс фрагментации магмы при вулканических взрывах был практически не исследован и представления о механизмах фрагментации магмы были весьма приближенными. Цель данной работы - изучить процесс фрагментации сильновязких магм при вулканических взрывах, проанализировав данные натурных наблюдений и схематизировав явление вулканического взрыва; проведя эксперименты по фрагментации образцов магмы в тщательно контролируемых лабораторных условиях, близким к природным; исследовав зависимость продуктов фрагментации и динамики процесса фрагментации от температуры, давления и других параметров; рассмотрев концептуальные модели механизмов фрагментации.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Процесс фрагментация сильновязкой магмы в значительной степени определяет динамику взрывных вулканических извержений; исследование механизмов этого процесса представляет большую важность для разработки реалистичных количественных моделей взрывных извержений, в том числе и катастрофических. Наряду с этим, исследования в данной области создают теоретическую основу для решения прикладных задач, связанных с прогнозированием характера и

параметров взрывных извержений, оценки вулканической опасности, связанной с крупными катастрофическими взрывами. На период начала исследования по многим разделам данной области физической вулканологии отсутствовали достаточно ясные общие представления; экспериментальная вулканология как направление практически отсутствовала. Имелся ряд нерешенных вопросов принципиального характера, в частности:

(1) какова природа и механизм вулканических взрывов и какова роль процесса фрагментации магмы при взрывах ;

(2) каковы критические условия возникновения фрагментации магмы при взрывах;

(3) каковы динамические характеристики процесса фрагментации магмы (скорость, длительность, расход и др.);

(4) какова зависимость гранулометрического состава продуктов фрагментации от свойств магмы, температуры, давления и других параметров.

(5) каков физический механизм фрагментации магмы ? Исследованию этих вопросов и посвящена диссертация.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Вулканические взрывы, возникающие на вулканах, имеющих сильновязкую газированную магму, протекают по двухстадийной схеме: на стадии подготовки в постройке вулкана формируется взрывоспособное пористое магматическое тело, а на стадии развития взрыва, вызываемой

резкой декомпрессией, происходит фрагментация (дробление) этого тела, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления (пирокластики) в атмосферу. Процесс фрагментации магмы играет ключевую роль в развитии вулканических взрывов.

2. Предложен новый метод и создана экспериментальная установка для исследования фрагментации сильновязкой магмы, находящейся при температуре до 1000 °С и давлении до 200 бар, которые соответствуют температурам и давлениям, существующим в природе при вулканических взрывах.

3. Определен пороговый (критический) перепад давления, вызывающий фрагментацию магмы; получена зависимость гранулометрических характеристик продуктов дробления магмы от температуры, величины и скорости сброса давления; определены физико - механические свойства магмы, влияющие на эффективность её дробления.

4. Показано, что процесс фрагментации сильновязкой магмы происходит с относительно невысокой конечной скоростью, зависящей от величины и скорости сброса давления; длительность стадии выброса фрагментов оказывается существенно выше длительности стадии фрагментации.

5. Предложена модель механизма фрагментации сильновязкой магмы при вулканических взрывах, основанная на представлениях о фрагментации магмы волной дробления, согласующаяся с полученными экспериментальными данными; справедливость этого механизма

продемонстрирована при рассмотрении конкретных вулканических взрывов.

6. Предложено при реконструкции эруптивных событий по данным изучения пирокластики использовать развитые в работе представления о механизме фрагментации сильновязких магм; при оценках вулканической опасности учитывать возможность взрывоподобного дробления относительно холодных газонасыщенных магматических тел, находящихся внутри вулканических построек, склонных к крупномасштабному обрушению.

Разработанная соискателем и изложенная в диссертации совокупность положений, сводка которых дана выше, представляет собой крупное достижение в развитии физической вулканологии - перспективного направления современной геофизики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Основная часть результатов данной работы в момент публикации имела приоритетный характер и была получена впервые в мире. Важнейшие результаты, полученные впервые, следующие:

(1) Предложена физически ясная схема явления вулканического взрыва как двухстадийного процесса; показано, что на стадии развития взрыва, вызываемой резкой декомпрессией, происходит фрагментация сильновязкой магмы, в процессе которой высвобождается потенциальная

энергия сжатых газов и происходит выброс продуктов фрагментации (пирокластики) в атмосферу.

(2) Предложен новый метод экспериментального исследования фрагментации магм при быстрой декомпрессии. Спроектирована и создана уникальная экспериментальная установка, не имеющая мировых аналогов, позволяющая проводить исследования процесса фрагментации магмы при температурах до 1000 °С и давлениях до 200 бар с использованием образцов реальных вулканических пород. Впервые в лабораторных условиях осуществлена фрагментация образцов высоковязкой магмы при температурах и давлениях эквивалентных существующим в природе при вулканических взрывах.

(3) Экспериментально определены критические условия начала фрагментации магмы, обнаружен эффект снижения порогового перепада давления, вызывающего фрагментацию, при увеличении температуры. Впервые измерена скорость процесса фрагментации и определена ее зависимость от величины и скорости сброса давления. Обнаружен эффект многоактности процесса разрушения, при перепадах давления, незначительно превышающих порог фрагментации. Определены динамические характеристики процесса выброса продуктов фрагментации магмы.

(4) Получены данные о морфологии и структуре продуктов дробления образцов магмы, указывающий на хрупкий характер фрагментации сильновязких магм при резкой декомпрессии. Установлены зависимости гранулометрического состава продуктов дробления от начального

перепада давления, температуры и скорости декомпрессии. Экспериментально обнаружен эффект возрастания характерного размера фрагментов с ростом температуры. Проведено сравнение гранулометрического состава частиц, полученных в экспериментах, с аналогичными характеристиками природной пирокластики.

(5) Предложена новая модель механизма фрагментации сильновязкой магмы, позволяющая рассчитывать характерные параметры вулканических взрывов (длительность, скорость и расход выбрасываемой газо-пирокластической смеси). Впервые предложено учитывать ряд свойств магмы (модуль сцепления и проницаемость) при разработке моделей вулканических взрывов. Показана важность влияния структуры магмы и характера декомпрессии на преимущественную реализацию того или иного механизма фрагментации.

(6) Показана важность полученных результатов для объяснения механизма образования пирокластики. Впервые предложено учитывать возможность взрывоподобного разрушения относительно холодных магматических тел, находящихся внутри вулканических построек, подвергаемых крупномасштабному обрушению.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проблемы прогноза возможности возникновения крупных катастрофических вулканических взрывов и оценки потенциальной вулканической опасности являются важнейшими проблемами современной физической вулканологии, имеющими практическое значение. Для решения этих проблем необходимо ясное

понимание механизма взрывных извержений и, следовательно, механизма фрагментации сильновязких магм. Экспериментально полученные данные о характере фрагментации высоковязких магм при резкой декомпрессии являются важным шагом к пониманию процессов, происходящих при взрывных магматических извержениях. Разработана методика определения критических параметров (перепада давления и скорости сброса давления), способных вызвать взрывоподобное разрушение образцов магмы (лавы) при быстрой декомпрессии. Развитый экспериментальный метод может применяться для определения таких критических условий возникновения вулканических взрывов (в том числе катастрофических), как характерный размер обрушения части вулканической постройки и характерная скорость сброса давления, способные вызвать взрыв. Экспериментальные данные о динамике дробления магмы представляют особую важность для определения опасности при вулканических взрывах, позволяя рассчитывать такие параметры взрывов, как скорость, длительность и расход при выбросе продуктов дробления, что прямо связано с поражающим эффектом взрывов. Полученные данные по зависимости гранулометрического состава продуктов дробления сильновязкой магмы от величины сброса давления, скорости сброса давления и температуры позволяют создать основу для определения характерных параметров взрывов по данным гранулометрического состава пирокластики, выбрасываемой при вулканических взрывах - проблема требующая своего решения длительное время. Разработанный новый экспериментальный метод

исследования дробления пористых материалов в условиях резкой декомпрессии в широком диапазоне температур и давлений имеет большую практическую ценность для ряда других областей науки и техники.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации были представлены на ряде всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе на Всесоюзном вулканологическом совещании (Петропавловск-Камчатский, 1985), на Международном симпозиуме по геодинамике глубоководных желобов Тихого океана (Южно-Сахалинск, 1987), на двух Генеральных ассамблеях МАВХНЗ (IAVCEI) (Санта-Фе, США, 1989; Пуэрто Валларта, Мексика, 1997), на трех совещаниях Американского геофизического союза (AGU Fall Meeting) (Сан-Франциско, США, 1993, 1995, 1996), на трех симпозиумах Европейского союза по геонаукам (EUG) (Страссбург, Франция, 1993, 1995, 1997), на Международном геологическом конгрессе (IGC) (Киото, Япония, 1992), на Международном симпозиуме по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (EMPG-6) (Байройт, Германия, 1996), на международных вулканологических конференциях и конгрессах (Кагошима, Япония, 1988; Колима, Мексика, 1993; Анкара, Турция, 1994; Рим, Италия, 1995; Тойя, Япония, 1995; Бристоль, Великобритания, 1996; Тира, Греция, 1996), а такж