Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром Мясников, Андрей Владимирович

Введение к работе

Вулкан Эльбрус расположен на северном склоне Главного Кавказского хребта центральной части Большого Кавказа и соединен с ним горной перемычкой Хотютау [Авдулов, 1994]. Современные геологические исследования, в частности, радиоуглеродного датирование продуктов его извержений, показывают, что такие извержения происходили многократно и в течение длительного времени (около 1 миллиона лет) [Чернышев, 2001]. Эльбрус относится к классу полигенных стратовулканов центрального типа, которые, как правило, распространены над зонами субдукции или конвергентными границами тектонических плит.

Актуальность темы

Для проведения прогнозной оценки возможной активности вулкана Эльбрус необходимо выяснить состояние и динамику вулканических магматических структур. Особенно важно оценить размер и глубину залегания этих образований и решить вопрос о возможном возобновлении активности Эльбруса. Составленные карты хронологии вулканических циклов и различных этапов практически совпадает у разных групп исследователей [Богатиков О.А., Гурбанов А.Г., Мелекесцев И.В. и др., 1999]. О геометрических параметрах внутренней структуры вулкана до сих пор не существует единого мнения и оценки сильно разнятся. Кроме того, в настоящее время нет ни крупномасштабной исследовательской программы по непрерывному мониторингу внутреннего состояния вулканической структуры, что является самым важным моментом в прогнозе вулканической активности, и, в конечном итоге, извержения, которое для данного типа вулкана будет иметь эксплозивный характер. Отсутствуют разработки, которые учитывают резонансные особенности неоднородных структур вулканической постройки. Исследования, связанные с изучением резонансных особенностей магматического очага и магматической камеры могут быть использованы для определения свойств и состояния внутренних структур вулкана.

Территория Северного Кавказа - это территория с высокой плотностью населения и интенсивным развитием хозяйственной деятельности. Кроме известных факторов катастрофических последствий вероятного извержения, таких как лавовые и пирокластические потоки, угрожающие непосредственно прилегающим территориям, Эльбрус обладает самой крупной гляциологической системой Кавказа, состоящей из 25 ледников. Суммарная физическая поверхность всех ледников с учетом снежно-ледового покрова вершин Эльбруса составляет 139 кв. км, а суммарный объем льда оценивается в 6 куб. км. Наличие обширного снежно-ледового покрова делает вулкан Эльбрус еще более опасным, так как в случае извержений обязательно возникнет катастрофическая ситуация, связанная с быстрым разрушением и таянием ледников. Это приведет к возникновению лахаров и крупномасштабных наводнений в регионе. Причем в момент извержения в горных ущельях потоки воды до

нескольких десятков метров. Таким образом, опасности подвергается не только населенные пункты непосредственно расположенные в Приэльбрусье, а практически весь Северный Кавказ в целом, особенно территории в долинах рек Баксан, Кубань и Малка.

Поэтому задача мониторинга состояния внутренних структур вулкана Эльбрус является весьма актуальной, не только с фундаментальной, но и с народнохозяйственной точки зрения. Данная работа может рассматриваться как вклад в понимание внутренней структуры вулканов центрального типа, их внутренних процессов и прогноза извержений.

Цель работы

На территории Северного Кавказа, в 20 км от вулкана Эльбрус, создана уникальная геофизическая лаборатория ГАИШ МГУ. С помощью длиннобазового лазерного интерферометра-деформографа,

расположенного в штольне Баксанской Нейтринной обсерватории, ведется непрерывный мониторинг движения земной коры с 1998 года.

Основанная цель диссертационной работы - изучение состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций в районе вулканической постройки. В рамках этой цели были поставлены следующие задачи:

Разработка методики выявления собственных колебаний резонансных структур, возбужденных воздействием сейсмической волны. Определение геометрических и физико-механических параметров магматической камеры Эльбруса на основе разработанных моделей магматических структур вулканов.

Оценка состояния магматических структур вулкана Эльбрус, которая должна строиться по изучению спектров мод литосферных деформаций в районе вулканической постройки, возбужденных сильными землетрясениями. Непрерывный мониторинг состояния вулкана по наблюдению изменения добротности резонансных мод магматической камеры.

Анализ влияния метеорологических факторов, таких как атмосферное давление и температура, на измерения деформации литосферы, выработка алгоритма по снижению этих факторов.

Научная новизна

1. 1. Впервые разработана методика выявления параметров резонансных региональных мод, переизлученных резонансной структурой. Методика применена для оценки резонансных характеристик собственных колебаний магматических структур вулкана Эльбрус.

   2. Проведен спектральный анализ литосферных деформаций, возбужденных удаленными землетрясениями с магнитудами Mw 4.59.1, за более чем 7-летний период наблюдений. В результате этого анализа в спектрах литосферных деформаций c помощью резонансного метода выявлены региональные резонансные моды, относящиеся к магматическим структурам вулкана Эльбрус. Получены оценки характерного размера, глубины залегания, состава магматических флюидов близповерхностной магматической камеры вулкана Эльбрус.

   3. На основе семилнтних наблюдений показана динамика изменения физико-механических свойств внутренней среды магматической камеры по оценке изменения добротности основных мод спектров от 340 землетрясений. Данный факт свидетельствует о продолжающихся до настоящего времени экзогенных процессах в глубинных слоях вулкана.

   4. Разработан новый адаптивный многопараметрический алгоритм компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром, входными параметрами которого служат измеренные значения атмосферного давления, а также температуры в трех различных узлах прибора.

   5. Исследовано влияние метеорологических возмущений на измерение литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения в БНО ИЯИ РАН. Показано, что разработанный алгоритм компенсации обеспечивает достаточно эффективное подавление метеорологических возмущений в измеренных литосферных деформациях.

   Защищаемые положения

   1. 5. 1. Разработан математический и алгоритмический аппарат программной части установки Баксанского лазерного интерферометра- деформографа. Программная часть реализована в виде вычислительного комплекса, позволяющего производить контроль качества поступающей информации, предварительную обработку и последующий анализ данных.

         2. Разработан математический аппарат адаптивной компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций. Изучен механизм влияния метеорологических возмущений на измерения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения.

         3. С помощью авторского пакета программ выявлены резонансные моды магматической камеры вулкана Эльбрус, на основе семилетнего ряда наблюдений. Получены оценки геометрических параметров близповерхностной магматической камеры в структуре Эльбрусского вулканического центра, которые согласуются с полученными ранее результатами [Богатиков и др.,2001; Милюков, 2006].

         4. Обнаружена динамика изменения добротности резонансных мод близповерхностной магматической камеры вулкана Эльбрус на 7-ем интервале непрерывных наблюдений.

         Личный вклад автора

         1. 5. 4. 1. Создан прикладной пакет программного обеспечения GLOBAL, для контроля качества поступающей информации и последующего анализа данных, как составной части (software) Баксанского интерферометра- деформографа. Пакет GLOBAL позволяет выполнять первичную обработку информации. Встроенные наборы цифровых фильтров и процедуры спектрального анализа дают возможность выполнять в рамках данной программы практически весь аналитический объем диссертационной работы.

                  2. Анализ влияния термоупругих и барических процессов на измерения литосферной деформации Баксанским лазерным интерферометром в суточном и годовом диапазонах. Автором разработан адаптивный компенсатор метрологических возмущений.

                  3. На основе анализа распределения глубин очагов землетрясений, выявил существование сейсмофокальной наклонной плоскости, что может указывать, в свою очередь, на наличие слэба или реликтового остатка субдукции на Кавказе.

                  4. Анализ литосферных деформаций вызванных сейсмическими событиями, произошедшими за семилетний период наблюдений и зарегистрированными Баксанским интерферометром-деформографом.

                  5. Практическое применение резонансного метода и обнаружение в сверхнизком диапазоне собственных мод, которые относятся к внутренней структуре вулкана Эльбрус. Выявлено устойчивое уменьшение добротности магматической камеры как акустического резонатора и доказательство практической возможности мониторинга внутреннего состояния вулкана.

                  6. В течение более чем 20 лет автор принимал активное участие в работе коллектива по созданию Баксанского лазерного интерферометрического комплекса, обеспечению его работы в режиме долговременных наблюдений.

                  Практическая значимость

                  Полигенный стратовулкан Эльбрус находится в густонаселенном районе Северного Кавказа. Возобновление его эруптивной деятельности может привести к огромным человеческим жертвам и хозяйственной катастрофе. Изучение состояния и динамики магматических структур вулкана Эльбруса является, в связи последним обстоятельством, важной и актуальной задачей.

                  Предлагаемый резонансный метод и разработанная методика оценки параметров магматических образований вулкана позволяют осуществить непрерывный мониторинг состояния близповерхностой магматической камеры. Данная методика может быть применима и к другим вулканам центрального типа.

                  Основное содержание диссертации изложено в работах

                  1. 5. 4. 6. 1. Буклерский А.В., Карт А.М., Клячко Б.С., Мележников И.В., Милюков В.К., Мясников А.В., Нестеров В.В., Руденко В.Н. Баксанский лазерный интерферометр // Измерительная техника. 1995. № 10. С. 5.

                              2. Milyukov V.K., Rudenko V.N., Klyachko B.S., Kart A.M., Myasnikov A.V. Wide-Band Laser Inerferometer for Monitoring the Earth Strains. In: Solid State Lasers (Laser Optics' 98). Proceedings of the International Society for Optical Engineering (SPIE), 1998, V. 368, p.116-121.

                              3. Милюков В.К., Руденко В.Н., Клячко Б.С., Карт А.М., Мясников А.В. Широкополосный лазерный интерферометр для мониторинга деформаций Земли. Известия AKadeMuu наук, серия Физическая, 1999, т. 63, № 6, с.1192-1197.

                              4. Vadim Milyukov, Alexandra Kozyreva, Boris Klyachko and Andrey Myasnikov. Geophisical Applications of Laser Interferomters: Long-Term Monitoring Crustal Deformations // In: Proceedings of 28th International Cosmic Ray Conference (ICRC2003), Tsukubo, Japan, 2003, pp 3157- 3160.

                              5. В.К. Милюков, А.В.Козырева, Клячко Б.С., Мясников А.В. Собственные колебания Земли.// в кн: "Современные методы геолого- геофизического мониторинга природных процессов на территории Кабардино-Балкарии". Нальчик, 2003, с. 189-199. (Russian)

                              6. В. К. Милюков, Б. С. Клячко, А. В. Мясников, Стриганов П.С., Янин А.Ф., Власов А.Н. Лазерный интерферометр-деформограф для мониторинга движений земной коры. // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 87-103.

                              7. Милюков В. К., Мясников А.В. Метрологические характеристики Баксанского лазерного интерферометра // Измерительная техника. 2005. № 12. С. 26-30.

                              8. Милюков В.К., Мясников А.В. Компенсация термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром // Измерительная техника. 2006. № 2. С. 32-35.

                              9. В. К. Милюков, А.В. Копаев, А.В. Лагуткина, А.П. Миронов, А.В. Мясников. Наблюдения приливных деформаций земной коры в Приэльбрусье. // Физика Земли, 2007, No. 11, С. 21-29.

                              10. Vadim Milyukov, Alexander Kopaev, Anna Lagutkina, Alexey Mironov, Andrey Myasnikov. Observation of Luni-Solar Tides by the Long Base Laser Interferometer // Progress of Theoretical Phys. Suppl. No. 172 (2008) pp. 165-168.

                              11. Vadim Milyukov, Andrey Myasnikov and Alexey Mironov. Monitoring the State of the Magmatic Structures of Elbrus Volcano Based on Observation of Lithosphere Strains // in: Nonlinear Acoustics- Fundamentals and Applications. AIP Conference Proceedings, 1022, New York, 2008, pp. 405408.

                              12. Vadim K. Milyukov, Alexander V. Kopaev, Anna V. Lagutkina, Alexey P. Mironov, Andrey V. Myasnikov, Observation of tidal deformations in a

                              tectonically active region of the Northern Caucasus // Marees Terrestres Bulletin d'Informations, no.145 (2009), 11729-11740.

                              1. 5. 4. 6. 13. V. Milyukov, A. Kopaev, V. Zharov, A. Mironov, A. Myasnikov, M. Kaufman, D. Duev. Monitoring crustal deformations in the Northern Caucasus using a high precision long base laser strainmeter and the GPS/GLONASS network. // J.Geodyn. 49 (2010) 216-223

                                          14. В.К. Милюков, А.В. Мясников. Долговременные наблюдения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения. //Измерительная техника. 2012. № 1. С. 32-35.

                                          15. В.К. Милюков, А.В. Мясников. Влияние термоупругих и барических процессов на измерения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром. // Измерительная техника. 2012.(в печати)

                                          Апробация результатов

                                          Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались

                                          на российских и международных конференциях:

                                          1. Международной конференции "Laser Optics" (С-Петербург, 1998);

                                          2. Международной конференции по космическим лучам ICRC-2003 (Япония, Тсукубо 2003);

                                          3. Генеральных ассамблеях Европейского союза наук о Земле EGU (Австрия, Вена 2005, 2006, 2008, 2009, 2011).

                                          4. Сагитовских чтениях ГАИШ (Москва 2005, 2007,2009);

                                          5. Международной конференции по гравитации, астрофизике и космологи ICGA8 (Япония, Нара, 2007);

                                          6. Ломоносовских чтениях МГУ (Москва, 2007)

                                          7. Международной конференции по земным приливам ETS-2008 (Германия, Йена, 2008).

                                          8. Международном симпозиуме по нелинейной акустике ISNA_2008 (Швеция, Стокгольм, 2008).

                                          9. Всероссийской научной конференции «Природные процессы, геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа» (Кабардино-Балкария, 2009, 2010).

                                          10. Международной сейсмологической школе «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» (Владикавказ, 2010)

                                          11. V Всероссийский Симпозиум по вулканологии и палеовулканологии. Екатеринбург, 21-25 ноября 2011 г. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2011.

                                          Структура диссертации

                                          Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка

                                          литературы. Общий объем работы составляет 156 страниц, в ней

                                          содержится 52 рисунка, 16 таблиц, список цитируемой литературы включает в себя 88 наименований.

                                          Благодарности

                                          Долговременный мониторинг и запись литосферной деформации, на основании которой выполнена данная работа, осуществляется в условиях глубокого подземного размещения. Семилетняя непрерывная запись деформации, уже, является большим достижением, что невозможно представить без участия сотрудников подземной лаборатории лазерной интерферометрии.

                                          Автор глубоко благодарен всем сотрудникам Баксанской станции и лаборатории лазерной интерферометрии: П.С.Стриганову и А.Ф.Янину. Особую благодарность автор выражает Н.А.Перелыгину за тяжелый и каждодневный (без выходных) труд по обеспечению режимных непрерывных наблюдений на Баксанском лазерном интерферометре- деформографе.

                                          Похожие диссертации на Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром

                                          Методика и технология 3D-3C сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей : в условиях г. Большой СочиВласов, Сергей Викторович

                                          Мониторинг деформационного состояния сейсмоактивных объемов земной коры по первым вступлениям продольных волн слабых землетрясенийМострюков, Александр Олегович

                                          Геофизический мониторинг напряженно-деформированного состояния природных и технических системТатьков, Геннадий Иванович

                                          Структура и состояние вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня (по данным глубинных магнитотеллурических зондирований)Баталев Владислав Юрьевич

                                          

                                          Разработка системы геофизического мониторинга состояния целиков и кровли выработок подземного гипсового рудника Набатов Владимир Вячеславович

                                          Развитие методических основ мониторинга состояния массива горных пород при строительстве и эксплуатации большепролетных подземных сооружений и объектов гидроэнергетикиАбрамов, Николай Николаевич

                                          

                                          Разработка экспериментально-теоретических основ и технических средств для создания систем вибродеформационного мониторинга геомеханического состояния породных массивов блочно-иерархического строенияЮшкин Владимир Федорович

                                          Диагностика состояния и организация мониторинга литотехнических систем расконсервируемых АЭСГусельнев, Александр Сергеевич

                                          

                                          Оценка работоспособности крепей горных выработок на основе мониторинга их деформированного состояния в процессе эксплуатацииКотов Владимир Юрьевич

                                          

                                          Совершенствование методов диагностирования технического состояния газоперекачивающих агрегатов на основе данных производственного мониторинга Костарева Светлана Николаевна