Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Природа сейсмических сигналов на активных вулканах

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Природа сейсмических сигналов на активных вулканах"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ » ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

л

На правах рукописи

/ ') »- > •• •

с • УДК 550.34

УДК 551.21

Гордеев Евгений Ильич ПРИРОДА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА АКТИВНЫХ ВУЖАНАХ

Специальность: 04.00.22 -физика твердой земли

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москза-1998

Работа выполнена в Камчатской опытно-методической сейсмологаческой парта I еофнзической службы РАН

Официальные оппоненты: Член-корреспондент РАН, доктор

физико-математических наук, профессор A.B. Николаев,

Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук А.О. Глико,

Доктор физико-математических наук А.А.Спивак

Ведущая организация: Институт морской геологии и

геофизики ДВО РАН (г. Южно ■ Сахалинск)

Защита состоится у/%» ¿^¿-г^/^^ЛУХ 998 г. в час в аудитории

__на заседании Диссертационного Совета Д.053.05.81 в Московском

Государственном Университете им М.В. Ломоносова"

Адрес: 119899, ГСП, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « (Р » ¿^^¿SASg^l998 I

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат.наук ^у L.»^*' ( В.Б.Смирнов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Сейсмические исследования на активных вулкана*, возникли почти одновременно с появлением инструментальных сейсмологических наблюдений. В начале нашего века впервые были обнаружены сейсмические сигналы связанные с активизацией вулкана Усу в Японии. С того времени началась история исследования сейсмичности вулканов. Но в отличие от значительных достижений в исследовании тектонических землетрясений, прогресс в исследовании сейсмических сигналов связанных с деятельностью вулканов наступил только несколько десятилетий назад. Во - первых, это было связано с тем, что вулканические землетрясения и другие сейсмические сигналы на активных вулканах имеют максимальную интенсивность на несколько порядков меньше, чем тектонические землетрясения и для их исследования необходимо создавать специальные системы наблюдений. Во • вторых, если тектонические землетрясения происходят практически постоянно, то сейсмические сигналы на вулканах появляются, в основном, во время извержений, периодичность которых составляет десятки и сотни лет. Возможность детальных сейсмических наблюдений на вулканах возникла при появлении портативных автономных сейсмических станций и, в настоящее время, на большинстве активных вулканов мира установлены локальные сети сейсмических станций с непрерывными наблюдениями за сейсмической активностью вулканов.

Практически с самого начала сейсмических наблюдений на активных вулканах было обнаружено множество сигналов, которые принципиально этличалнсь от записей тектонических землетрясений. Необычная форма шписи в виде длительных непрерывных колебаний получила общее чазвание «вулканическое дрожание». Сигналы такого типа появлялись зеегда во время извержения вулканов. Кроме таких длительных сигналов на жтивных вулканах были обнаружены слабые землетрясения, которые имели шачительно более низкочастотный характер записи, чем обычные тектонические землетрясения такой же мапштуды. На записях шзкочастотных землетрясений отсутствовали явные вступления различных |>аз сейсмических волн. Вместе с нормальными вулканическими «млетрясениями (подобным обычным тектоническим) низкочастотные емлетрясения всегда предшествовали извержению вулканов. Следующий тип сейсмических сигналов на активных вулканах - это ейсмические сигналы сопровождающие вулканические взрывы в кратере в 1роцессе извержения. Эти сигналы по форме и по спектральному составу >лиэки к низкочастотным вулканическим землетрясениям, Разнообразие сейсмических сигналов на активных вулканах и отсутствие, настоящему времени, ясного понимания природы происхождения этих

сигналов вызывает определенные трудности для их классификации созданию методических приемов для обработки. Для многих исследователе очевидно, что сейсмические сигналы предшествующие и сопровождают! извержения вулканов содержат обширную информацию о процесс-подготовки извержений, о динамике и параметрах магматических расплаво о процессах газовыделення и развитии извержений во времени. Все эт проблемы являются актуальными для оценки вулканической опасности, Ш прогноза извержений вулканов и слежения за ходом извержения.

Для решения этих проблем необходимо детально изучить характеристик сейсмических волновых полей для определения влияния среды 1 оригинальный спектр излучения источника и, на основании этих данных, также с использованием физико-механических параметров магматически расплавов получить правдоподобную модель источника сейсмически сигналов.

До последнего времени остаются нерешенными вопрос принципиального характера.

1) Отсутствует единый подход для классификации сейсмических сигналс на активных вулканах.

2) Исследования сейсмических волновых полей вулканического дрожан* носят разрозненный характер и, до настоящего времени, нет полно! понимания о волновом составе, о скоростях распространения и поглощении сейсмических волн.

3) Не существует уверенных результатов о положении источнике сейсмических сигналов для вулканического дрожания и нет детальнь иследований развития процесса вулканического дрожания во времени.

4) До настоящего времени нет однозначного представления о приро; возникновения вулканического дрожания и существующие моде/ источников вулканического дрожания ча.то находятся в противоречии результатами наблюдений.

Исследование всех перечисленных вопросов и является предмете диссертационной работы.

Цель работы. Цель исследования в настоящей работе - особенности свойства сейсмических сигналов на активных вулканах, в основно вулканического дрожания, и построение модели источника вулканическо! дрожания. Сами по себе сейсмические сигналы на вулканах известны дав! и их изучение проводилось многими исследователями на различнь вулканах мира. Существует множество моделей источников ннзкочастотнь сейсмических сигалов. Но до настоящего времени не проводило) детального систематического анализа волновых полей сейсмически сигналов на актиэных вулканах и модели источников представляют, основном, теоретические разработки, часто находящиеся в противоречии экспериментальными результатами. Задача данной работы получить I

}

результатам наблюдения вулканического дрожания и сейсмических сигналов от вулканически* взрывов для различных извержении обобщенные характеристики волновых полей сейсмических сигналов и провести их сравнение с результатами моделирования волновых полей в сложнопостроеиных средах. Определение влияния среды на волновые поля вулканического дрожания при распространении сейсмических сигналов в сложных неоднородных средах является главной задачей аналитического моделирования выполненного в этой работе. Будет построена модель источника вулканического дрожания по результатам экспериментальных наблюдений и аналитического моделирования. Модель источника, полученная в этой работе, является общей для всех вулканов и связана с процессами выделения газовой компоненты в магматических расплавах.

В работе показано, что спектральный состав низкочастотных сейсмических сигналов связан с физико-механическими свойствами магматических расплавов, и по наблюдениям сейсмических сигналов можно контролировать изменения свойств магматических расплавов и, соответственно, состав продуктов извержения. Модель источника вулканического дрожания представленная в ггоП работе принципиально отличается от всех ранее рассмотренных моделей. Принимая за основные источники возмущения, пульсации давления в газонасышенных магматических расплавах, приводящие к возникновению упругих сейсмических волн в окружающей среде, мы исключили необходимость привлечения резонансных особенностей источников, связанных с различными формами объемов расплавленного материала. Контроль развития во времени низкочастотных сейсмических сигналов позволяет создать надежный независимый н непрерывный метод слежения за развитием вулканических процессов ц прогноза начала и развития будущих извержений.

Научная новизна. В данной работе и предшествующих публикациях автором впервые предложена модель излучения сейсмических волн в результате процессов газовыделения в ыстивной газонасыщенной магме. Рассмотренная модель источника , однозначно связывает физико-механические параметры расплава с динамическими и частотными характеристиками сейсмических сигналов. Показано, что временные изменения интенсивности и спектрального состава вулканического дрожания непосредственно зависят от активности выделения свободной газовой компоненты в процессе извержения. С помощью аналитического моделирования сейсмических волновых полей от различных типов источников определено влияние среды на распространяющиеся сейсмические сигналы в вулканических постройках и определены основные характеристики сейсмических сигналов. Впервые предложена методика прогнозирования вулканической активности и слежения за развитием

вулканических извержений с использованием свойств и временны характеристик низкочастотных сейсмических сигналов. Получении результаты позволяют по новому использовать сейсмологически результаты наблюдения сейсмических сигналов на активных вулканах целью прогноза твержений, слежения за вулканической активностью 1 определения физико-механических параметров магматических расплавов.

Научная и практическая ценность; степень внедрении. Теоретически разработки автора по определению направления на источит вулканического дрожания впервые были применены при исследовант вулканического дрожания при Большом трещинном Толбачинскоь извержении (БТТИ). Эти результаты опубликованы в монография; «Геологические н геофизические данные о Большом трещшшол Голбачннском извержении 1975-1976 г.» ( под редакцией С.А.Федотова ( Е.К.Мархииина, М., Наука, 1978 г.) и «Большое трешшшое Голбачинско! извержение, Камчатка 1975-1976» (под редакцией С.А. Федотова, М. Наука.1984). В периоде 1981 по 1985 гг., при выполнении НИР по решении: научно-технической проблемы «Разработать методы прогноза места н времени сильных землетрясении, цунами и вулканических извержений на основе изучения сейсмических и геофизических полей,.,.» (тема ГК1П 0.74.03.01, Распоряжение Президиума АН СССР № 10103-875 от 27.05.81 г.) и МИР Института вулканологии ДВО РАН «Исследование физических процессов в очагах землетрясении и вулканов, сейсмичности н глубинного строения сейсмогенных и вулканических структур с целью создания теоретических основ прогноза землетрясений и извержений вулканов на Камчатском геодинамическом полигоне» были получены принципиальные результаты по динамическим н кинематическим свойствам волновых полей сейсмических сигналов и по характеристикам источников вулканического дрожания во время извержения плк. Ллаид (1981 г.) и впк. Ключевской (1984, 1986 гг.). Результаты этих исследований были использованы для оценки развития извержений этих вулканов. В последующие годы (19861990 гг.), при выполнении научно-технических заданий по программе 0.74.03 ГКН'Г «Разработать и внедрил, в практику народною хозяйства методы оценки опасности н комплекс мероприятий для уменьшения ущерба от землетрясении, пупами и вулканических извержений» автором были продолжены исследования сейсмических сигналов «о время извержения влк. Ключевской! Результаты этих исследований отражены в ежегодных отчетах Камчатской опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН, а также в публикациях. Начиная с 1991 года автор активно, сотрудничает в международных экспериментах на активных вулканах. Являясь членом рабочей группы «Сейсмические явления на активных вулканах» в составе Европейской Сейсмологической Комиссии автор принял участие в многолетних исследованиях сейсмических и акустических

■игналов на влк. Стромболи (Италия). В течение 1992-1996 гг. был проведен )яд специальных комплексных экспериментов по результатам которых юстроена принципиально новая модель источника вулканического фожания. Впервые в мире создана модель источника низкочастотных :ейсмических сигналов на активных вулканах по параметрам которых могут >ыть определены физико-механические свойства магматических расплавов. Чолучена связь между параметрами сейсмических сигналов от извержений >улканов и процессами подготовки и развития вулканических извержений. >ти результаты были использованы для прогноза вулканической опасности >о время развития сейсмического кризиса на влк. Корякский в 1994 году Гордеев, Сенюков,1997).

Защищаемые положения. I. Создана принципиально новая система сласснфикации сейсмических сигналов связанных с деятельностью ¡улканов. В основу классификации положена природа происхождения :игналов и их свойства.

2. Разработаны и использованы оригинальные методы анализа яеетандартных сейсмических сигналов большой длительности 'вулканического дрожания).

3. Получены основные свойства волновых полей вулканического дрожания и сигналов от вулканических взрывов и определено местоположение источников этих сигналов, которое всегда совпадает с положением активного кратера.

4. Было выполнено математическое моделирование для оценки влияния :реды на сейсмические сигналы вулканического дрожания в результате распространения и определена функция источника.

5. Построена модель источника вулканического дрожания, которая объясняет генерацию сейсмических сигналов процессами в газонасыщенном вязко-упругом магматическом расплаве. Впервые предложена обобщенная модель источника вулканического дрожания и низкочастотных вулканических землетрясений, которая объясняет подобие этих сигналов для различных вулканов, отличающихся как по строению, так и по характеру извержений.

6. Показано, что параметры и временные характеристики низкочастотных вулканических землетрясений отражают свойства и процессы в магматических расплавах на глубине и являются надежным методом контроля активизации магмы и прогноза извержений вулканов.

Разработанная соискателем и изложенная в диссертация совокупность оригинальных методов исследования сейсмических сигналов на активных вулканах, а также аналитическое построение модели источника вулканического, дрожания представляет собой крупное достижение в развитии сейсмологии вулканов, наиболее перспективной области прогноза и контроля вулканических извержений.

Фактический материал; вклад автора. В основу диссертации положены материалы наблюдений полученных с помощью специально созданных сейсмологических сетей на вулканах во время извержений. Такие сети, состоящие из автономных сейсмических станций, были установлены но,, руководством и с непосредственным участием автора на влк. Толбачик (Камчатка, Россия; 1975-1976 гг.), влк. Алаид (Камчатка, Россия; 1981 г.), влк. Ключевской (Камчатка, Россия; 1984,1986,1987 гг.), влк. Безымянный (Камчатка, Россия; 1988 г.), влк. Авачинский (Камчатка, Россия; 1991 г.) н влк. Стромболи (Эоловы о-ва, Италия; 1992-1996 гг.). Обработка и итерпретация результатов наблюдений проводилась непосредственно автором. Теоретические модели были созданы автором и подтверждены по результатам наблюдений на влк. Стромболи (Эоловы о-ва, Италия). Численное моделирование сейсмических волновых полей в сложно построенных средах в виде комплекса прикладных программ было создано в Вычислительном Центре СО РАН. Постановка задачи для численного моделирования была сформулирована автором. Расчет и интерпретация синтетических волновых полей для специальных моделей среды и параметров источников проводились непосредственно автором в Камчатской опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН. На этапе обобщения данных при выполнении НИР, подготовке публикаций и данной работы, автор использовал также опубликованные результаты других отечественных и зарубежных исследователей, в частности результаты по составу волновых полей вулканического дрожания и моделям источников дрожания с приведением необходимых ссылок на первоисточники.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано более 20 работ. Наиболее полно её основные положения с^ражены в серии статей, опубликованных п отечественных (Гордеев, 1984; 1985; Гордеев и др., 1986; 1989; 1997а;1997б) и в зарубежных изданиях (Оог£кеу, 1992; 1993а; 1993с; Согс1ееу е1 а!., 1989; 1990; 1995; 1996; 1997), а также в коллективных монографиях « Геологические и геофизические данные о Большом трещинном Толбачинском извержении 1975-1976 гг.» (под редакцией С.А.Федотова и Е.К.Мархинина, М., Наука, 1978 г.) и «Большое трещинное Толбачинское извержение, Камчатка 1975-1976» (под редакцией С.А. Федотова, М., Наука, 1984) и в ежегодных отчетах КОМСП ГС РАН (Петропавловск-Камчатский, 1980-1996). В статьях, опубликованных в соавторстве, представлены результаты исследований, проведенных под руководством и с непосредственной обработкой и интерпретацией автора. В этих работах автором поставлены научные задачи, проведено детальное планирование полевых экспериментов, получены и проанализированы результаты

сейсмологических наблюдений, проведено обобщение полученных результатов и сделаны окончательные выводы.

Основное содержание работы и отдельные eg части представлялись и докладывались на научных сессиях Дальневосточной секции Междуведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (МСССС) при Президиуме АН СССР (Магадан, J980; Петропавловск-Камчатский, 1981; Владивосток, 1982; Южно-Сахалинск, 1984; Магадан, 1985; Петропавловск-Камчатский, 1986), на международном совещании по вулканизму островных ду г (Токио, 1981), на итало-советском симпозиуме по прогнозу вулканических извержений и сейсмической активности (Палермо, (983) , на научной сессии Сибирской и Дальневосточной секций МСССС (Иркутск, 1988), на международной вулканологической конференции (Кагошима, 1988), на международных совещаниях рабочей группы Европейской сейсмологической комиссии (ECK) (Сент Роман, 1991; Стромболи, 1992; Ланзароте, 1993; Николоси, 1994; Неаполь, 1996; Амблесайд, 1997), на Осенней Сессии Американского Геоф шческого Союза (Сан-Франциско, 1993; 199S; 1997), на международном вулканологическом конгрессе (Пуерто-Валларта, 1997), на научных конференциях, сессиях и семинарах в Институте вулканологии ДВО РАН. в университетах Флоренции, Катании, Рима, Камерино, Салерно (Италия), в университете штата Вашингтон (Сиеттл) и в Аляскинском университете (Фербенкс), в Аляскинской вулканологической обсерватории (Анкоридж) и 0 вулканологической обсерватории Каскадных гор (Ванкувер), в институте геофизики Мексиканского университета (Мехико) и в Камчатской опытно-методической сейсмологической партии ГС РАН.

Объем н структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, б-ти глав, заключения, трех приложений и списка литературы, включает 266 стр. текста (без содержания и списка литературы), 112 рисуиков, 3 таблицы. Список литературы содержит 217 наименований работ. Общий объем диссертации составляет 291 стр.

Благодарности. Многочисленные дискуссии и полезные обсуждения автор провел с основоположником исследования вулканического дрожания на Камчатке П.И.Токаревым, к сожалению так рано ушедшим от нас. Искренняя благодарность и светлая память П.И.Токареву. При проведении исследований, положенных в основу диссертации, автор постоянно получал помощь в организации полевых экспериментов, анализе материалов наблюдений и подготовки специального программного обеспечения от сотрудников КОМСП ГС РАН В.Н. Чеброва, Е.И. Савинова, В.В. Марфеля, В.И. Сшшцына, П.С. Федорова, Ю.Ю. Мельникова, Д.В. Дрозшша, С.Л. Сенюкова, О.Г. Волович, Т.П. Хубуная, О. П.

Нечмпоренко. Особую благодарность автор выражает сотрудникам Вычислительного Центра СО РАН А.Г. Фатьянову, Б.Г. Михайленко, Н.М. Держи, В. Н. Мартынову, В.В. Мирошникову и Л.А. Ананьевой за создание уникального комплекса прикладных программ по численному моделированию сейсмических волновых полей в сложно- построенных средах. Полезные советы и ценные критические замечания на различных этапах подготовки и обсуждения работы и ей составных частей автор получил от

A.А,Г'усева, А.В.Вихулнна, В.А.Широкова, А.В.Сторчеуса,

B.Б.Смнрцова, И.В.Мелскесцева, А.П.Хренова, Ю.А.Тарана, М.А.Алндибирова, В.М.Павлова. При проведении экспериментальных исследований на влк. Стромболн постоянную помощь, и активное участие автор получал от М.Рипспс и М.ДсллаСкъява. Автор выражает благодарность проф. Р.Шику, проф. С.Греста, проф. С.МакНатту, проф. Е. ДельПеццо, проф.

C.Мелону, проф. Дж.Лису за летальные обсуждения результатов исследований, обобщенных в диссертации. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь в оформлении работы выражаю моей жене Л.В.Гордеевой.

Диссертация выполнена в Камчатской опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН.

Глава Г

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ СВЯЗАННЫЕ С АКТИВНОСТЬЮ ВУЛКАНОВ

Практически всегда активные вулканические процессы сопровождаются сейсмическими сигналами. Впервые такие сшиалы были отмечены в начале века в Японии, на влк. Усу (Отоп, 1911). Различные виды вулканической деятельности (от эксплозивной до эффузивной) характеризуются различными типами сейсмических сигналов. Эти сигналы в настоящее время разделяются на большое количество различных групп, в основном, по виду записи. Многочисленные наблюдения па различных вулканах.во всем мире позволили классифицировать эти сигналы по характерным особенностям •»г.чиси. Впервые систематизация сейсмических сигналов связанных с вулканами, была предпринята Минаками (Мшакапн, 1960). Он выделил несколько характерных типов сейсмических сигналов: . Л-тип) - землетрясения расположенные под вулканическими постройками ¡¡а г;,. 0инах от 1 до 10 км. Такие землетрясения существуют практически для всех активных вулканов и достаточно часто они предваряют извержения. Для землетрясений типа А существуют четкие вступления волн

ч

1 и Б и преобладающие высокие (около 10 Гц) частоты максимальных качений спектральных составляющих.

(-тип) - гипоцентры этих землетрясений находятся вблизи поверхности менее 1 км) в районе активного кратера. В основном, волновой состав таких емлетрясеннй представлен поверхностными волнами и вступления Б - волн

бычно не выделяются. Вступления Р - волн слабые м частотный состав 1-3 Ц.

Ърывные землетрясения) - эти землетрясения всегда сопровождают 1зрывы в кратере вулкана. Волновой и частотный состав взрывных емлетрясеннй практически идентичен землетрясениям типа В, хотя штенсивность их во всех случаях выше.

Чепрерывное вулканическое дрожание) - при непрерывном истечении газо-юпловых потоков или лавы взрывные землетрясения становятся «прерывными и образуют так называемое вулканическое дрожание, готорое может продолжаться часы и даже дни в постоянном режиме. Частотный состав вулканического дрожания полностью соответствует составу взрывных землетрясений. Классификация Минаками позволила разделить все сигналы на >пределенные группы и рассматривать их характеристики изолированно в саждой группе. Конечно тахой подход не учитывал многих особенностей шгналов, которые проявляются при более тщательном анализе. Например, гакие характеристики как волновой состав, местоположение источников юзволяют провести более тщательную классификацию, хотя многие юпытки сделать это наталкивались на значительные неопределенности, :вязанные с трудностями в определении, как волнового состава, так и местоположения источников. *

Свойства низкочастотных сейсмических сигналов, к которым относятся гак называемые низкочастотные вулканические землетрясения [землетрясения типа В), сейсмические сигналы от вулканических взрывов и вулканическое дрожание принципиально отличаются от вулкано-гектонмческих землетрясений (землетрясения типа А), в первую очередь, по волновому составу. Если сейсмические сигналы от вулкано-текгон««еских землетрясений состоят из объемных волн и имеют четко выраженные вступления продольных и поперечных волн, то низкочастотные сигналы, состоящие, в основном, из поверхностных волн, могут длиться минуты и даже часы (как для вулканического дрожания)'и не имеют явных вступлений различных типов сейсмических волн. Исследование волновых полей низкочастотных сигналов дает основание считать, что эти сигналы состоят нз поверхностных волн двух типов: волн типа Релея, поляризованных в вертикальной радиальной плоскости по направлению к источнику и волн типа Лява, поляризованных в горизонтальной плоскости с преобладающей тангенциальной компонентой к направлению на источник.

Для понимания природы вулканического дрожания, что необходимо для исследования вулканических процессов, необходимо знать детальные характеристики сейсмических волновых полей вулканического дрожания и, на основании современных представлений о процессах происходящих л магматических расплавах, найти основные свойства источника вулканического дрожания, которые будут использованы для построения реальной модели источника.

Модели источников вулканического дрожания, созданные к настоящему времени отличаются большим разнообразием, как по параметрам излучающих объемов, так и по процессам генерации сейсмических сигналов. В основном, такие модели являются теоретическими и часто находятся а противоречии с экспериментальными данными.

Все эти проблемы были основной темой исследования автора в предыдущие годы и опубликованы в серии статей. В настоящей работе представлены окончательные результаты, завершающие определенный этап в изучении вулканического дрожания.

Глава 2

ВОЛНОВЫЕ ПОЛЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ДРОЖАНИЯ

Типичным сейсмическим сигналом, сопровождающим извержения вулканов, является вулканическое дрожание, непрерывные сигналы с длительностью до часов и иногда дней. Отличие таких сигналов от традиционных сейсмических сигналов для тектонических землетрясений требует специального подхода для их изучения. Как для всяких случайных процессов, наиболее удобным методом исследования являются статистические методы. Применение таких методов исследования вулканического дрожания позволило сдределить основные свойства волновых полей: поляризацию, скорости распространения, поглощение, спектральный и волновой составы.

2,1. Поляризация и скоростные характеристики вулканического дрожания, Непрерывный характер вулканического дрожания создает много трудностей при определении характеристик волновых полей. В то же время использование длинных рядов позволяет применять различные статистические методы для получения устойчивых результатов. Поляризационный анализ записей вулканического дрожания, полученных на многих вулканах мира, выделяет два основных типа поверхностных сейсмических волн присутствующих в вулканическом дрожании: волны типа Рэлея, поляризованные в вертикальной радиальной плоскости и имеющие траектории движения частиц близкие к эллиптическим и волны типа Лява, поляризованные линейно в горизонтальной плоскости с

преобладающими движениями ориентированными ортогонально по отношению к направлению па источник.

Скорости распространения сейсмических волн, составляющих вулканическое дрожание имеют, величины соответствующие скоростям распространения для поверхностных волн типа Рэлея и Лива, и обладают значительной дисперсией. Определения скоростей, выполненные для вулканического дрожания на различных вулканах, дают значения близкие по абсолютным величинам.

2.2. Поглощение и спектральный состав вулканического дрожания. В целом, для сложных волновых полей вулканического дрожания определение поглощения даст некоторую интегральную величину, так как вулканические постройки представлены хаотическим набором слоев различной ориентации, различных размеров и с резко контрастными механическими параметрами, от рыхлых пепловых отложений, до плотных консолидированных слоев и лавовых потоков. Высокие значения коэффициентов поглощения создают условия для быстрого затухания сейс!..,1ческих волн и, на значительных расстояниях (десятки длин волн) из-за более слабого геометрического расхождения для поверхностных волн (цилиндрические волны) по сравнению с объемными волнами (сферические волны) в составе вулканического дрожания преобладают поверхностные волны. Выделение объемных волн возможно только на близких расстояниях (порядка длины волны) и для одиночных сигналов. Соотношение интенсивности объемных и поверхностных волн на малых расстояниях от источника (несколько длин волн) соответствует близповерхностному положению источника вулканического дрожания, глубина которого составляет несколько десятков метров. Зависимость поглощения с частотой значительно искажает спектральный состав вулканического дрожания на больших расстояниях из-за значительного затухания высокочастотных составляющих и преобладания низкочастотных Поэтому исследование спектрального состава вулканического дпожания необходимо проводить с учетом значительного влияния среды в процессе распространения. Наиболее достоверными будут спектры в ближней зоне источника. Учет влияния среды на спектры достаточно сложен, так как сложное строение вулканов может внести существенно различные искажения для различных путей распространения. Наиболее критичным, является спектральный состав, поэтому для корректного анализа спектров источников вулканического дрожания необходимо проводить наблюдения в непосредственной близости от активного кратера. По многочисленным наблюдениям было определено, что основная доля энергии вулканического дрожания распределена п диапазоне от I до 5 Гц.

2.3. Акустические сигналы во время извержения и их соотношение с вулканическим дрожанием. Практически всегда извержения вулканов

сопровождаются акустическими сигналами. Они возникают, либо в процес< истечения газо-пепловых потоков, либо от отдельных взрывов, либо пр непрерывном газовыделении. В звуковом диапазоне это ощущается на сл> и, в некоторых случаях, при особенно снлькых извержениях генерируюте ударные волны, фронт которых можно наблюдать визуально. Наблюдем акустических волн при извержениях вулканов впервые достаточно полн были проведены во время Большого трещинного Толбачииского изверженн на Камчатке. Акустические волны регистрировались с помощы широкополосного микрофона и была сделана классификация вол различных типов (Сторчеус, 1987). Практически во всех случая акустические сигналы сопровождаются интенсивными сейсмическим сигналами с постоянным временным сдвигом. Устойчивый временно сдвиг, связанный с различием скоростей распространения указывает н одинаковую природу происхождения акустических и сейсмических воль Более подробный анализ соотношения акустических сигналов 1 сейсмических волн вулканического дрожания дает прямую зависимое?, между интенсивностью акустических и сейсмических сигналов и значение отношения энергии акустических и сейсмических волн. Эта зависимое? убедительно показывает, что вулканическое дрожание и акустически сигналы имеют одинаковое происхождение и главной причиной и; генерации являются процессы газовыделення. В результате газовыделени! возникают возмущения, которые распространяются в атмосфере н в твердо! среде. Вариации давления могут возникать, как прн одиночных взрывах когда происходит выделение газа из-за избыточного давления за коротки} промежуток времени, так и при непрерывных процессах газовыделення которые образуют газо-пепловые потоки, либо выделение только гаэоиоГ составляющей. И в том и в другом случае, вариации давленш распространяются в виде волн в атмосфере н в твердой среде. С.этих позиций понятно поверхностное положение источников вуланнческогс дрожания и, соответствие временных изменений интенсивности дрожания с активностью извержения.

Глава 3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ДРОЖАНИЯ

Для определения свойств волновых полей сейсмических сигналов было использовано сравнение результатов экспериментальных наблюдении с результатами аналитического моделирования. Теоретические сейсмограммы рассчитывались для сложнопостроенных сред и для различных типов источников. Параметры среды были приняты по результатам сейсмического просвечивания (скорости сейсмических волн и параметры горизонтальных

слоев) и из экспериментальных определений физических свойств- горных пород. Для выбора временной функции источника был использован метод аналогии с временной функцией! одиночного взрыва. Как было отмечено во многих исследованиях вулканического дрожания (Мшакапн, 1960; Токарев » Лемзиков, 5980;. Гордеев и др., 1986; МсЫнМ, 1986; Koyaлagi е1 а1., 1987; Репаггш! е! а!., спектральный состав, волновые характеристики и

соотношение интенсивности сейсмических сигналов с вулканической активностью- для одиночных вулканических взрывов и непрерывного вулканического дрожания практически совпадают. Поэтому для источника мы можем принять временную функцию как изменение во времени интенсивности одиночного взрыва. Временные функции источника била выбраиы для принципиально разных тнияа источиыхоа (резонансный с постоянной частотой, однополяриые одтючшые импульсы различной длительности и последовательность одиночных ощизесищцшх импудьсоя с различными значениям» временных сдвигов между саседштн импульсами).

3.1. Временные фумкцш* источников.

1. Импульс Пузырем. Временная функция истежажса в виде имаулгьха Пузырева записывается следующим образом:

. 14,(1-1,)'

/0) = е '* соз2^0«-/,), где /, - частота, <„ - эффективная длительность и у - параметр, определяющий затухание амплитуды со временем.

Импульсный источник с резонансом на частоте /„ дает возможность моделировать резонансную модель с затуханием. Фурье-преобразование функции Пузырева записывается следующим образом:

В зависимости от параметра у, который определяет многофазность источника, можно сформировать функцию источника, как длительный пакет гармонических колебаний с частотой /„. Реально такая функция может описывать резонансную модель источника.

2. Импульсный источник может быть представлен в следующем виде:

где а = г- общая длительность сигнала.

Основная формула этого источника принята, как наиболее близкое приближение к реальны..! акустическим сигналам от одиночных взрывов. Однополярные вариации давления могут быть основным возмущением при

процессах газовыделения, когда избыточное давление реализуется в момент взрыва, либо при выделении отдельных газовых пузырей на свободной поверхности магматического расплава. Фурье-преобразование такой 'функции выглядит следующим образом: ^ .

' . ■ , 1 - ' и . ■

Очевидно, что спектры однополярных импульсов определяются

длительностью этих импульсов. Частотный'^состав спектров обратно

пропорционален длительности импульса. ' '

3. Набор импульсных источников. С помощью различных комбинаций последовательностей однополярных импульсов Можно создать комплексные источники, спектральные параметры которых 'зависят от временных функций таких последовательностей. В нашей ^о^ели мы рассмотрим комплексный источник, состоящий из последовательного набора

■чу! 45 Л

однополярных импульсов различной амплитуды , и с различными временными запаздываниями между ' импульсами.' 'Аналитически такой источник выражается следующей формулой: *••""

V 11 - «Л( и ]'

/(0 = 1Г

• - ЭЙ .eli.4l.-tfi-

где а и о такие же параметры, как и для однопомрнрго импульса в модели 2.

3.2. Результаты моделирования. Основная работа по построению математической модели была выполнена в ВЦ ¿О РАН А.Г.Фатьяновым и Н.М.Держи. Принципы построения приведены работах А.Г.Фатьянова и Б.Г.Михайленко (Фатьянов, 1980; Фатьянов, Михайленко, 1988). Главной проблемой при построении модели был выбору параметров среды и источника. Вариации параметров должны отражать влияние среды и источников на волновую; картину. Анализ Зависимости особенностей волновых полей от строения среды был Тфоведен прч постоянных параметрах источника для полупространства, еЛоя'',йа"полупространстве и набора слоев на полупространстве. Было определено, что набор слоев на полупространстве влияет на состав волновых полей сейсмических сигналов также, как и одиночный слой с эффективной толщиной и со средними значениями упругих параметров. '

Влияние длительности источника1 или егй-'спектрального состава определяется соотношением длины волны и т&лЩины' одиночного слоя. Было показано, что существует критическая вёйи^ияа'отношения длины волны к толщине слоя, когда в едав. вотшш&гЩЯВвйя'Ы^ резонанса и в результате из одиночного импульса формируется длительный волновой пакет. Уменьшение отношения длины волны к толщине слоя (толстые слои) создает условия подобные условиям для полуА'^&транЬт^ когда в роли полупространства выступает слой. Глубина полвжения источника играет важную роль В соотношении доли объемных и поверхностных волн в общей ■ "".'..'■ ••эта, г. »»пг

волновой картине. Так для глубин больших 0.2 длнны волны и» малы-расстояниях от источника (несколько длин волн) объемные волнь. становятся преобладающими. Для волновой картины с источником в вид. последовательности одиночных импульсов важным параметром является временной интервал между импульсами. При величине интервала от 0.4 длины одиночного импульса до длины импульса, в волновом составе возникает гармоническая компонента с периодом, совпадающим по величине с временным сдвигом между одиночными импульсами. При временных сдвигах больших длительности одиночного импульса, волновая картина соответствует суперпозиции волновых полей от одиночных импульсов и представляет непрерывный сейсмический сигнал.

Изменение контрастности границ между слоем и полупространством (увеличение соотношения импедансов) улучшает условия для резонансов в слое и, соответственно, увеличивает длительность волновых пакетов.

3.5. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Сравнение теоретических сейсмограмм с реальными записями вулканического дрожания позволяет объяснить практически все особенности существующих типов вулканического дрожания с помощью представленных моделей.

1. Одиночный однополярный импульс. Одиночный однополярный импульс соответствует одиночному вулканическому взрыву в приповерхностной части вулканической постройки, и в этом случае спектр вулканического дрожания определяется длительностью импульса, а длина волнового пакета резонансными характеристиками низкоскоростного поверхностного слоя. Такая сейсмическая запись соответствует взрывному вулканическому землетрясению.

2. Последовательность одиночных однополярных импульсов одинаковой длительности. Последовательность одиночных однополярных импульсов одинаковой длительности, но с набором случайных временных сдвигов между последовательными импульсами превышающих длительность одиночного импульса, создает сигнал, спектр которого будет определяться длительностью одиночного импульса, а сейсмическая запись формируется из суперпозиции записей 6т одиночных однополярных импульсов и будет представлять непрерывное вулканическое дрожание с характеристиками такими же, как и для сигналов от одиночного однополярного импульса.

3. Регулярная помедовательность однополярных импульсов одинаковой длительности с постоянныя временным сдвигом Меньшим или равным длительности одиночного импульса. Здесь мы имеем дело с гармоническим воздействием, спектр которого имеет узкополосный характер с максимумом на частоте, соответствующей временному сдвигу между последовательными импульсами (принцип решетки). Для такого источника формируется узкополосный резонансный сигнал, который

распространяется на большие .расстояния без изменения частоты. Наличие низкоскоростного слоя может создать условия для увеличения амплитуды сигнала только в случае совпадения частоты последовательности импульсов с резонансными характеристиками слоя.

Такой сигнал может формироваться в,реальных условиях из-за .регулярных вариаций давления в газо-пепловых или тазовых потоках при счационарном истечении. На самом деле, на некоторых вулканах иногда наблюдались подобные сигналы, длительные цуг» строго гармонических сигналов (МсЫиЦ, 1987; Моп е1 а1„ 1989). Таким образом, с помощью набора моделей с однополярными однотипными импульсами и ■ в присутствии ннзкоскоростного поверхностного слоя, можно объяснить практически весь набор реально существующих сигналов вулканического дрожания.

Глава 4

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ДРОЖАНИЯ

Модели источников вулканического дрожания предложенные различными авторами объединены одинаковым подходом - представлением источника в виде резонансных систем. Вначале рассматривались сферические обьемы магматического растаю, затем подводящие каналы и цилиндрические включения заполненные магмой. Но во всех случаях, критическими были геометрические размеры резонирующих объемов, что требовало для каждого вулкана и для каждого твержения создавать источники оригинальной формы. Такой подход в построении модели'источника, не мохсет объяснить хорошее совпадение характеристик вулканического дрожания полученных для разных вулканов, отличающихся как по строению, так и по характеру извержения. Близкие характеристики вулканического дрожания по спектральному составу, по параметрам волновых полей и временным вариациям интенсивности предполагают однотипный механизм генерации вулканического дрожания.

Временные вариации вулканического дрожания, которые отражают временной режим деятельности источника распределены в широком интервале периодов. Начиная с десятков секунд, периодичность в деятельности источников вулканического дрожания существует вплоть до часов и даже суток. Долговременные вариации (часы) связаны с процессами поступления материала или, что то же самое, энергии в вулканическую систему. Кратковременные вариации (минуты и десятки секунд) связаны с неустойчивостью динамических процессов в двухфазных потоках в ■ процессе извержения. Практически во всех временных интервалах вулканическое дрожание, что соответствует режиму деятельности источников, является нестабильным и на коротких интервалах источник

п

южно рассматривать как импульсный с периодичностью возникновения шпульсоз от нескольких секунд да минут. Исследование временных (ариаций вулканического дрожания п узких частотных полосах (шириной >.25 Гц) показало, что во всем частотном диапазоне (0.5-3.5 Гц) временные зариацнн интенсивности дрожания являются однотипными, что указывает ia наличие только одного источника вулкашгческого дрожания на всех мстогах.

Глава5

МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА ВУЛКАНИЧЕСКОГО ДРОЖАНИЯ

5.1. Временная функции источника вулканического лроягяняа. Для построения модели источника вулканического дрожания необходимо определить временную функцию интенсивности источника. В гласе 3, при моделировании волновых полей вулканического дрожання мы выбрали функцию источника, как одиополярный импульс в форме:

где Ь - определяет длительность импульса.

Такая форма импульса наиболее хорошо соответствует фаза сжатия в реальных акустических импульсах, зарегистрированных для многих извержений (Сторчеус, 1987; Фнрстов а Сторчеус, 1987; Oleada et.al., 1990). Конечно, длительность акустических импульсов может иметь различные величины для разных типов извержения и, поэтому, реальнее всего выбирать функцию источника, как однополярный импульс с длительностью, определяемой частотой максимума спектра. Если рассмотреть спектры реальных, записей вулканического дрожания, то можно отметить общие закономерности и ввести некоторые параметры характеризующие спектры, как это было сделано для спектров тектонических землетрясений. Для теоретического спектра однополярного импульса длительность импульса определяется частотой максимума в с .ектрях. Для реальных спектров вулканического дрожания частота максимального значения сглаженного спектра определяется точкой пересечения ьсимтот для возрастающей и убывающей частей спектра. Назовем эту частоту по аналогам с такой же в спектрах тектонических землетрясений «угловой частотой».

5.2. Варианты временных функций источника и слскгрез вулканического дрожания. В главе 3 при моделировании волновых по.тгй вулканического дрожания мы рассматривали возможность сущесгсиг.жяя источника в виде последовательности одиополярных импульсоз. Ятя моделирования мы задавали последовательность импульсов с постоянным сдвигом. В реальных условиях такие ситуации могут бысь только к исключительных случаях при устойчивых истечениях газэ-пеиловых струй.

когда возникает строго гармонический сигнал, либо при газовых продув» (McNutt, 1987; Mori et' el., 1989; McNutt, 1992). Наиболее естественн! может быть процесс случайного набора, как временных интервалов меж отдельными импульсами, так и амплитуд этих импульсов. С этих поэиц рассмотрим, как меняется спектральный состав временной функц источника для различных последовательностей одиночных импульа Функцию источника можно представить в следующем виде:

где л. - амплитуда, а, - временной сдвиг и Ii, • длительность я -импульса.

Набор величин А,,а. и А. может задаваться как угодно. Рассмотрим последовательно несколько вариантов:

а). А,,Ь, - постоянные,», =consi,n = l.

Мы имеем одиночный импульс с амплитудой А и длительностью Ь.

В этом случае спектр сигнала будет соответствовать спект однополяриого импульса. Частота максимального значения спектра завис от длительности однополярного импульса.

б). - постоянные, а, - пд/,д/ = const¡,2.3....Л'.

В этом случае суммарный спектр будет иметь такой же характер, как и д одиночного импульса подобной длительности, только а нем появят гармоники с кратными частотами, соответствующими временному сдви между одиночными импульсами.

в). Л, имеет распределение в виде «белый шум», Ь, -постоянн: ап = п.М,Ы - const,п - 1,2,Э,...ЛГ.

В этом случае суммарный спектр по форме соответствует спектру д. одиночного импульса, но имеет кратные гармоники различной амплитуд но с постоянным шагом по частоте.

г). Л„,о„ - имеют распределение в виде «белый шум», 6. - постоянна п -1,2,3,...Л*.

Суммарный спектр представляет собой набор случайных гармоник, в то > время, общий характер спектра соответстиует спектру одиночного импуль такой же длительности.

д). Л„,0„ и Ьп имеют распределение в виде «белый шум».

Спектр для такого набора величин имеет также случайный характер и i соответствует реальным спектрам вулканического дрожания, так к. спектры дрожания всегда имеют детерминированный характер.

Моделированный спектр для варианта г) наиболее хорошо согласуется реальными спектрами вулканического дрожания, хотя достаточно часто реальных спектрах отмечаются устойчивые спектральные пики. Это мож>

быть связано с устойчивым (близким к стационарному) процессом газовыделения и, соответственно, возникновением вариаций давления или импульсных возмущений с постоянным временным сдвигом. Для регулярных последовательностей импульсов, когда временные интервалы между последовательными импульсами близки по величине, в спектрах появляются пики, соответствующие гармоникам кратным основной частоте, определяемой величиной временного интервала между соседними импульсами. В реальных условиях такая последовательность может образоваться при стационарном режиме извержения.

5J, Модель источника вулканического дрожания. Для объяснения особенностей спектров вулканического дрожания, наиболее хорошо подходит модель временной функции источника в виде вариаций давления в магматическом расплаве, как последовательность одиночных импульсов, амплитуда и временной сдвиг которых являются случайными величинами. Наиболее подходящей функцией для представления вариаций давления в магматическом расплаве является функция изменения напряжения (в твердой среде) или давления (в жидкости или газообразной среде), которая записывается в следующем виде (Brune, 1970):

где В - амплитуда и Ь - параметр, определяющий длительность импульса.

В двухфазной среде состоящей из жидкости и газовой компоненты первая часть временной функция импульса зависит от скорости изменения давления:

где т - степень определяющая скорость изменения давления. Вторая часть временной функции импульса описывает процесс релаксации в расплаве и определяется временем релаксации Ь:

'ко-«

В первом приближении примем т =1. В этом случае форма импульса будет определяться величиной амплитуды В и длительностью Ь .

Как было показано ранее, в реальных условиях во время извержения должны существовать различные последовательности импульсов. Поэтому, временная функция в виде последовательности одиночных импульсов наиболее близко может моделировать функцию источника. В общем виде такая последовательность может быть записана следующим образом:

где В, - амплитуда, А„ - длительность и а, - временной сдвиг »- го импульса.

В реальных условиях величины й„,а, и Ь, - случайные величины с определенными законами распределения. Как было показано ранее

распределение этих величин наиболее близко отвечает нормальном; (Гауссовсхому) закону распределения. Наименьшая дисперсия существуй для длительности импульсов, так ках длительность определяете) механическими параметрами магматического расплава, вариации, которы незначительны. При рассмотрении различных варианте» распределения дш случайных величии В.,а, и Ь. было показано, что вариант нормальней распределения временного сдвига и амплитуды и постоянной величины дл» длительности импульса наиболее близко соответствует экспериментальны* спектрам. Длительность мм пульса определяет форму спектра, временные сдвиги между импульсами - локальные максимумы в спектре, а амплитуды импульсов абсолютные значения спектральных составляющих.

Если принять распределение амплитуд и временных сдвигов между импульсами как нормальное с малой дисперсией, то последовательность импульсов будет состоять иэ регулярно повторяющихся одиночных импульсов. Спектр такой последовательности будет иметь такую же форму, как и для последовательности импульсов распределенных как «белый шум», только в локальных максимумах появится преобладающий пик на чаете»« соответствующей среднему временному интервалу между после до вателыецми импульсами. Спектр дня такой последовательности практически идентичен спектру для резонансной системы.

Очевидно, что все спектры имеют одну и ту же форму и хорошо соответствуют теоретическому спектру производной однополярного ассимметричного импульса. Итак обобщенный спектр вулканического дрожания можно рассматривать, как спектр производной одцополяриого импульса. Такой спектр соответствует источнику всестороннего расширения или сжатия, временную функцию которого можно записать в следующей виде;

Ю-

где Р, - амплитуда давления, а Ь - определяет длительность одиололярного импульса, которая определяется отношением вязкости к объемной упругости магматического расплава:

где /и- коэффициент вязкости, К- коэффициент объемного сжатия и к-постоянный коэффициент.

Тогда временная функция источника может быть представлена через механические параметры магматического расплава:

«О-IV«Р(~%,) где/",- амплитуда давления, м и К параметры магмы, коэффициенты вязкости и объемного сжатая, соответственно, и к- постоянный

коэффициент. Представление источника в таком виде дает хорошее согласие с экспериментальными результатами, где вулканическое дрожание для вулканов с низкими значениями вязкости имеет максимальные значения спектров на более высоких частотах.

По аналогии с представлением обобщенных спектров для тектонических землетрясений мы ввели величину «угловой частоты», как частоту пересечения высокочастотной и низкочастотной асимтот спектров. Наиболее наглядно значение «угловой частоты» понятно при сравнении обобщенного спектра вулканического дрожания и теоретического спектра производной однополярного импульса. Значение «угловой частоты» обратно пропорционально длительности однополярного импульса и определяется соотношением величин вязкости и объемной упругости магматического расплава.

Итак источник вулканического дрожанкя можно представить, как источник всестороннего расширения или сжатия, вызванного быстрыми вариациями давления в магматическом расплаве из-за процессов дегазации. Временная функция источника может быть записана, как однополярный импульс, длительность которого определяется механическими параметрами расплава (вязкостью и объемной упругостью). В реальных условиях существуют вариации давления с малыми изменениями длительности и случайными значениями амплитуд и временных сдвигов между последовательными максимумами, которые можно рассматривать, как последовательность одиночных импульсов. Такая последовательность может быть записана следующим образом:

где Р. - амплитуда, а, - временной сдвиг л-го импульса, а д, и *.'„ -мгновенные значения вязкости и объемной упругости магмы в момент возникновения я т го импульса.

Различные варианты распределения с учайных величин,Я„а„д, и АГ, обеспечивают все многообразие реальных сигналов вулканического дрожания и их спектров.

Таким образом, обобщенная модель источника вулканического дрожания может быть принята как последовательность импульсных вариаций давления в газонасыщенной магме, для которых амплитуды, временные сдвига й длительности отдельных импульсов распределены по нормальному закону.

Глава 6

ПРОЦЕССЫ В МАГМАТИЧЕСКИХ РАСПЛАВАХ И ИХ СВЯЗЬ С СЕЙСМИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ. КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ВУЛКАНОВ СЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Исследование процессов выделения свободной газовой фазы магматических расплавах дает основание считать, что основные процесс газоиыделеиня происходят в приповерхностной части объеме магматических расплавов, где главную роль играет образован не в сиободно состоянии темной компоненты 11,0. На глубинах порядка нсскольки километров мо!"ут находиться в свободном состоянии только тяжелые газ! (ГТЛ.Лу^.су,), растворимость которых на несколько порядков хуже, че: растворимость воды. Так как относительное объемное содержание Ил (около 80 %) в магме во много раз превышает содержание тяжелых газо (СО,-10%, Щ~5%, С/,-5%) (ЛИагс! е( а!., 1994), то главную долю выделении энергии при извержениях, что связано с процессами дегазации - играет выделение воды в газообразном состоянии. Критический рост объем; свободной газовой составляющей в верхней части магмовон колоннь приводит к возникновению вулканических взрывов и вулканической дрожания. Эти процессы (взрывы и кратере и вулканическое дрожание] всегда сопровождают твержения вулканов н имеют близкий спектральный состав. Кроме этого, практически на всех активных вулканах наблюдаются низкочастотные землетрясения, которые обычно предшествуют нзверженням.

6,1. Контроль состояния вулканов. Вул кано-тектоннческие н низкочастотные юмлстрнссннн. Активизация вулканических процессов всегда связана с движением магматических расплавов в сплошной среде, что создает дополнительные напряжения, приводящие к возникновению и развитию разрывов в твердой среде. Такие разрывы образуют обычные тектонические землетрясения, называемые вулкано-тектоннческнмн. Основные характеристик» этих землетрясений соответствуют таким же для тектонических, кроме динамического диапазона. Обычно для вулкяно-тектоническнх землетрясений максимальная величина не превышает магнитуды 4 5-5.0

Основным признаком для прогноза вулканической активности является, в настоящее время, нарастание количества и - интенсивности вулкано-тектоническнх землетрясений во времени, которое должно отражать активизацию магмы внутри .вулканической постройки. Но в некоторых случаях интенсивные рои вулкано-тектонических землетрясений с нарастанием активности во времени не приводили к извержению вулканов, поэтому простая оценка развития интенсивности роев во времени не дает

очного прогноза развития вулканических процессов. Рост количества и нергии вулкано-тектоничесхих землетрясений во времени может родолжаться после прекращения активизации магмы, потому-что передача апряжений в твердую среду обладает значительной инерцией и зависит от энкретной тектонической ситуации для каждого вулкана. Более надежным ожет быть метод прямого контроля перемещения магмы в вулканической эстройке. Для этого можно использовать определение точного положения тоцеитров низкочастотных землетрясений, возникновение которых зоисходнт а объемах магматических расплавов. Но особенности волнового >става низкочастотных землетрясений (отсутствие четкого вступления юдольных и поперечных волн) не позволяют определять точно их »ординаты традиционными методами, хотя развитие их интенсивности по игменн является надежным показателем активизации вулканических юцессов.

С этих позиций особенности ,так называемых, гибридных землетрясений >гут быть использованы специальным образом. По современным . оставлениям (СЬоие1,1996) гибридные землетрясения состоят из двух зличиых по природе событий: во-первых, обычного пулкаио-ктоничсского землетрясения, вызванного возникновением разрывных рушений из-за критических напряжений, созданных избыточным вленисм в магме и, второе- это низкочастотные объемные колебания в юнасыщенной магме, возбуждаемые упругими колебаниями окружающей гды, возникшими в результате роста трещин. Такие процессы существуют контакте магмопых объемов с окружающей упругой средой. Для точного ределения положения в пространстве гипоцентра низкочастотного 1летрясения достаточно определить координаты высокочастотной чаоти »ридиого землетрясения, которая может быть выделена с помощью льтрации. Таким образом, определение гипоцентров высокочастотных «юнент гибридных землетрясений может дать надежный метод контроля »смещения магматических расплавов в пространстве, о время сейсмической активизации влк. Корякский (Камчатка, Россия) в 14 году, прогноз развития вулканической активности был сделан на юпаиии анализа высокочастотных компонент гибридных землетрясений рдеев, Сенюков, 1997). По определению перемещения гипоцентров ридных землетрясений в пространстве и по определению временных актеристик развития гибридных землетрясений была сделана товерная оценка развития вулканической активности влк. Корякский. 2. Контроль состояния вулканов. Сейсмические сигналы от взрывов кратере и вулканическое дрожание. Если низкочастотные летрясеиия, в основном, предшествуют извержениям вулканов и могут ъ использованы для прогноза начала извержении, то взрывные гтетрясения и вулканическое дрожание всегда сопровождают извержения

вулканов и могут служить для контроля развития извержения, для независимого метода определения соотношения эксплозивной доли извержения к эффузивной' (фактор эксплозивности) и для получения дополнительной информации о физико-механических свойств? : магматических расплавов. Спектральный состав взрывных землетрясений и вулканического дрожания во всех случаях одинаков (Nishimura et ai., 1990; Fertazzini et al., 1991; McNutt, 1992; Ripepe et al., 1993), что указывает на одинаковую природу их происхождения. Как было показано ранее взрывные землетрясения и вулканическое дрожание связаны с процессами выделения свободной газовой фазы при извержениях вулканов. Если взрывы отражают периодическое газовыделение, то вулканическое дрожание происходит всегда при непрерывных газопепловых и/нли лавовых потоках. В том и другом случае энергия сейсмических сигналов возникающих в процессе дегазации магмы связана с объемным количеством выделенного а атмосферу газа.

Временные характеристики взрывных землетрясений и вулканического дрожания позволяют детально определять процесс развития извержения и объем выделившейся газовой компоненты Долговременные вариации интенсивности вулканического дрожания н характер их изменения во времени позволяют определить на какой стадии находится извержение и провести оценку развития извержения в будущем. Такой прогноз развития извержений по сейсмическим данным проводился в последнее время для многих вулканов (Mori, 1995). В любом случае, прогноз развития извержения вулканов является важным для оценки ситуации и принятия заблаговременных мер по уменьшению ущерба от извержений. Вулканическое дрожание, в настоящее время, является наиболее удобным и независимым параметром для контроля и оценки развития извержений вулканов.

С другой стороны, вулканическое дрожание содержит информацию не только о временных вариациях интенсивности извержения, но также и о физико-механических свойствах магматических расплавов. Спектральный состав вулканического дрожания зависит от соотношения вязкости магматического расплава к объемной упругости. Так как определения этих значений для естественных магматических расплавов трудно выполнимы, то наиболее реальным является измерение этих величин в лабораторных условиях и построение калибровоччных поправок для определенного состава магматических расплавов. К сожалению, к настоящему времени такие эксперименты достаточно редки (Shaw, .1972; Shaw, 1973; jaupart and Vergniole, 1988; Mader et al-, 1994) и их результаты не позволяют построить обобщеннную калибровочную номограмму для различных магматических расплавов и различного содержания газовой компоненты. Таким образом, определение абсолютных значений физико-механических параметров

агматических расплавов по спектральным характеристикам улканического дрожания составляет, в настоящее время, значительные рудиости. В то же время, контроль спектрального состава вулканического рожания во времени дает возможность оценивать изменение свойств [агматических расплавов во время извержения, что связано с изменением остава продуктов извержения.

63, Классификация сейсмических сигналов на активных вулкан». В астоящее время, не существует систематического подхода для разделения ейсмнческих сигналов связанных с деятельностью вулканов. Ранняя лассификация предложенная Минаками в 1960 году (Ммакапн, 1960) рактически принимается за основу при рассмотрении любых сейсмических игналов, наблюдаемых на активных вулканах. Основным принципом лассификацин Минаками являлась форма записи сигналов и 1естоположенне гипоцентров.

С развитием наблюдений различные авторы выделяли необычную форму алией сигналов н присваивали им новые наименования. Так появилось шож.-ство специфических названий сигналов, часто принадлежащих ¡рактически однотипным сигналам. Перечисление таких сигналов [риведено в статье С.МакПатта (\IcNutt, 1992).

На самом деле, все сигналы на активных вулканах можно разделить на две [ринципиальные группы:

). Высокочастотные (8-12 Гц) вулкано-тектонтеские землетрясения, [редшествующне извержениям и характеризующие тектонические процессы вулканических постройках. Причиной этих землетрясений является [збыточное давление в магматических расплавах, которое создает [апряження в окружающей среде.

). Низкочастотные (1-5 Гц) сейсмические сигналы, связанные с процессами газонасыщенных магматических расплавах. К таким сигналам относятся [изкочастотные вулканические землетрясения, вулканические взрывы в ктивных кратерах в процессе извержения и вулканическое дрожание. Кроме этого, в последнее время, на многих вулканах были выделены, так взываемые гибридные землетрясения, которые, как было показано в [астоящей главе, являются суперпозицией вулкано-тектоннческих и шзкочастотных землетрясений.

Таким образом, все сигналы существующие на активных вулканах можно далслить по природе происхождения, а не по форме записи и [ринадлежности к какому-либо типу активности вулканов. Первая группа-это вулкано-тектоинческие землетрясения, которые [роисходят под вулканами на глубинах до 20-25 км и вызваны реализацией , спряжений в твердой среде.

Вторая группа-это низкочастотные сейсмические сигналы,/ в состав готорых входят низкочастотные землетрясения, сейсмические сигналы от

взрывов в кратере и вулканическое дрожание и их происхождение связан процессами дегазации в магме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Понимание природы происхождения сейсмических сигналов определение изменения их параметров во времени является перспективж для оценки вулканической опасности, прогноза вулканических извержен и слежения развития извержений во времени с целью предупрежден возможной активизации вулканов в будущем.

Главные результаты полученные в диссертации можно сформулировг следующим образом:

Определены основные свойства, низкочастотных сейсмических сигналов которым относятся так называемые низкочастотные вулканическ землетрясения, сейсмические сигналы от вулканических взрывов вулканическое дрожание.

Исследование волновых полей вулканического дрожания и сейсмическ! сигналов от вулканических взрывов показало, что эти сигналы состоят, основном, из поверхностных волн двух типов: волн типа Реле поляризованных в вертикальной радиальной плоскости по направлению источнику и воли типа Лява, поляризованных в горизонтальной плоскости преобладающей тангенциальной компонентой к направлению иа источник.

Соотношение интенсивности объемных и поверхностных волн да положение глубины источника вулканического дрожания в иесколы десятков метров.

Для уточнения свойств волновых нолей сейсмических сигнал вулканического дрожания было использовано сравнение результат« экспериментальных наблюдений с результатами аиалнтическо! моделирования. Было показано, что существует критическая величш отношения длины волны к толщине слоя, когда в слое возникают услов! для резонанса н в результате из одиночного импульса формирует« длительный волновой пакет. Глубина положения источника'играет важну роль в соотношении доли объемных и поверхностных волн в обще волновой картине. Так для глубин больших 0.2 длины волны объемнь волны в ближней зоне (несколько длин волн) от источника становятч преобладающими. Для волновой картины с источником в ви; последовательности одиночных импульсов важным параметром являете временной интервал между импульсами. При величине интервала от 0. длины одиночного импульса до длины импульса в волновом состат возникает гармоническая компонента с периодом совпадающим по величин с временным сдвигом между соседними импульсами. При временны сдвигах больших длительности одиночного импульса волновая картин

соответствует суперпозиции волновых полей от одиночных импульсов и представляет непрерывный сейсмический сигнал.

Определено, что временные вариации вулканического дрожания, которые отражают временной режим деятельности источника распределены в широком интервале периодов. Долговременные вариации (часы) связаны с процессами поступления материала или, что то же самое, энергии в вулканическую систему. Кратковременные вариации (минуты и десятки секунд) связаны с неустойчивостью динамических процессов в двухфазных потоках в процессе извержения.

Для построения модели источника вулканического дрожания была определена временная функция интенсивности источника. Наиболее подходящей функцией является однополярный импульс, который соответствует источнику всестороннего расширения или сжатия. Вариации давления в газонасыщенной магме при выделении газовой компоненты могут быть представлены как последовательность однополярных импульсов с различным набором амплитуд и временных сдвигов между импульсами. Спектры для последовательностей импульсов с различным распределением амплитуд и временных сдвигов для отдельных импульсов наиболее хорошо отвечают реальным спектрам вулканического дрожания. Общая форма спектров определяется длительностью одиночного импульса, а спектральные пики зависят от распределения временных интервалов между соседними импульсами. Для регулярных последовательностей импульсов, когда временные интервалы между последовательными импульсами близки по величине, в спектрах появляются пики, соответствующие гармоникам кратным основной частоте, определяемой величиной временного интервала между соседними импульсами. В реальных условиях тАсая последовательность может образоваться при стационарном режиме извержения.

Длительность отдельного импульса вариации давления в газонасыщенной магме зависит от времени релаксации, которое определяется отношением вязкости к объемной упругости расплава. В вязко-упругой газонасыщенной магме импульс давления состоит из двух частей, вначале изменение давления связанное с процессами газовыделения, затем релаксация давления до первоначального значения. Такой импульс является ассиметричным и его спектр наиболее хорошо совпадает с осредненными спектрами вулканического дрожания. Время релаксации зависит от соотношения вязкости к объемной упругости. Спектры вулканического дрожания для вулканов с более жидкой магмой (малая вязкость) имеют более высокие частоты, чем спектры вулканического дрожания для вулканов с более вязкой магмой.

Обобщенная модель источника вулканического дрожания была принята как последовательность импульсных вариаций давления в газонасыщенной

магме с нормальным распределении амплитуд, временных сдвигов I длительностей отдельных импульсов.

Исследование процессов выделения свободной газовой фазы г магматических расплавах дает основание считать, что основные процесс 1 газовыделения происходят в приповерхностной части объемов магматических расплавов, где главную роль играет образование в свободном состоянии газовой компоненты НгО. На глубинах порядка нескольких километров могут находиться в свободном состоянии только тяжелые газы (С0,,501,С12), растворимость которых на несколько порядков хуже, чем растворимость воды. Так как объемное процентное содержание воды (около 80 %) в магме во много раз превышает содержание тяжелых газов, то главную долю в выделение энергии при извержениях, что связано с процессами дегазации, играет выделение воды в газообразное состояние.

Сейсмические сигналы сопровождающие извержения (вулканические взрывы и вулканическое дрожание) образуются из-за выделения газовой составляющей в приповерхностной части магмовой колонны и поэтому их , интенсивность и временные характеристики связаны с динамикой извержения. Контроль параметров вулканического дрожания и взрывных землетрясений дает независимый метод определения процентного содержания газовой компоненты, отношения эксплозивной доли извержения к эффузивной (фактор зксшюзивкости) и развития извержения во времени. Кроме этого, спектральные параметры вулканического дрожания могут быть использованы для определения физико-механических свойств магматических расплавов.

Был предложен принципиально новый подход для классификации сейсмических сигналов на активных вулканах, в основу которого положена природа происхождения сигналов, а не форма записи, как это было принято ранее.

Все сигналы составляют две основные группы отличающиеся по природе происхождения.

Первая группа-это вулкано-тектоиические землетрясения, которые происходят под вулканами на глубинах до 20-25 км и вызваны реализацией напряжений в твердой среде.

Вторая группа-это низкочастотные сейсмические сигналы, в состав которых входят низкочастотные землетрясения, сейсмические сигналы от взрывов в кратере и вулканическое дрожание и их происхождение связано с процессами дегазации в магме.

На примере анализа развития сейсмических сигналов на вулкане Корякский (Камчатка, Россия ) были показаны возможности использования низкочастотных и гибридных (суперпозиция низкочастотных и вулкано-тектоиических землетрясений) землетрясений для прогноза вулканических извержений.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I.Гордеев Е.И. Вулканическое дрожание вулкана Алаид (извержение 981г.). Вулканология и сейсмология, № 1, с. 98-102, 1984.

¿.Гордеев Е.И. О возможном механизме низкочастотного улканического дрожания. Вулканология и сейсмология, Ле 3, с. 68-77, 1985.

3.Гордеев Е.И., Феофилактов В.Д., Чебров В.Н. Исследование улканического дрожания Толбачиискога извержения. В кн.: Геологические I геофизические данные о Большом трещинном Толбачинском извержении

1975-1976 гг., М., Наука, с. 151-163, 1978.

4.Токарев П.И., Гордеев Е.И., Фарберов А.И. Вулканическое дрожание. I кн.: Большое трещинное Толбачинское извержение, М., Наука, с. 448-471, 984.

5.Гордеев Е.И., Мельников Ю.Ю., Синнцын В.И., Чебров В.Н. вулканическое дрожание Ключевского вулкана (извержение вершинного :ратера в 1984 г.). Вулканология и сейсмология, № 5, с. 39-53, 1986.

6.Гордеев Е.И., Салтыков В.А., Синицын В.И., Чебров В.Н. Временные i пространственные характеристики волновых полей вулканического фожания. Вулканология и сейсмология, Д®4, с. 98-112,1989.

7.Гордеев Е.И., Рипепе М. Некоторые особенности источника »улканического дрожания для базальтовых вулканов. Вулканология и :ейсмология, № 3, с. 80-94,1997.

8.Гордеев Е.И., Сенюков С.Л. Сейсмическая активизация Корякского зулкана: гибридные землетрясения и их применение для прогноза зулканической активности. Вулканология и сейсмология, 1997.

9.Gordeev, ЕЛ. Modelling of volcanic tremor wave fields. Joum. Volcanol. Geotherm! Res., V 51, pp. 145-160, 1992. 5

10.Gordeev, E.I. Modeling of volcanic tremor as explosive point sources in a singled-layered, elastic half-space. Joum. Geophys. Res., V 98, No BU, pp. 19,687-19,703, 1993a.

II.Gordeev, E.l. Nature of volcanic tremor and parameters of volcanic tremor sources. EOS, V 74, No 43, p. 649, 1993b.

J2.Gordeev, E.I., and V.N. Chebrov. Quasistationary seismic signals, methods and application. 1981 IAVCEI Symposium, Arc volcaniam, Tokyo and Hakone.p. 112, 1981.

13.Gordeev, E.I., V.A. Saltykov, V.l. Sinitsyn, and V.N. Chebrov. Temporal and spatial'characterisyics of volcanic tremor wave field. Kagoshima international Conference on Volcanoes, pp. 51-54, 1988.

M.Gordeev, E. I., Yu.Yu. Melnikov, V.I. Sinitsyn, and V.N. Chebrov Volcanic tremor of Kliuchcvskoi volcano (1984 eruption). In: IAVCEI Proc.

Volcan. t, J.U. Latter (editor), Volcanic Hazards, Springer-Verlag, Berl Heidelberg, pp. 486-503, 1989.

15.Gordeev, E.I., V.A. Saltykov, V.I. Sinitsyn, and V.N. Chebrov. Tempo and spatial characteristics of volcanic tremor wave fields. Journ. Volcan Geotherm. Res., V 40. pp. 89-101,1990.

16.Gordecv, E.I., and M. Ripepe. Model of volcanic tremor source. EOS, 76. No 46, p. 349,1995.

17. Ripepe, M., P. Poggi, T. Braun, and E. Gordeev. Infrasonic waves a volcanic tremor at Stromboli. Geophys. Res. Letters, V 23, N 2, pp. 181-li 1996.

18.Gordeev, E.I., and M. Ripepe. Gas bubble dynamics model for volcar tremor at Stromboli, submitted to Joum.Gcophys.Res.,1997.