Введение к работе
Актуальность исследования
Несмотря на предпринимаемые в мире усилия по развитию новых методов наблюдений, обработки данных, моделирования и теоретических исследований, прогнозирование извержений вулканов до настоящего времени представляет научную проблему, которая является частью одной из приоритетных тем в науках о Земле. Совместное изучение сейсмологических и спутниковых данных для активных вулканов представляет особый интерес для решения фундаментальных и прикладных задач геофизики, в том числе для прогноза их извержений.
Фундаментальные задачи связаны с ключевыми проблемами вулканологии и сейсмологии: исследование магматических систем питания вулканов по сейсмологическим данным, отражение динамики изменения состояния вулкана в геофизических полях, изучение механизмов подготовки извержений вулканов.
Практические задачи связаны с поиском закономерностей подготовки извержений вулканов по комплексу данных для успешного прогнозирования их активности.
Цель и задачи исследования
Целью работы является выявление особенностей подготовки извержений вулканов Ключевской и Безымянный на основе исследования большого объема накопленной сейсмологической, спутниковой и другой информации за 2000-2010 гг. с привлечением опыта предшествующих работ.
Основные задачи исследований:
-
Выделить предвестники извержений по сейсмологическим и спутниковым данным.
-
Определить сценарии подготовки извержений и разработать алгоритмы прогнозирования активности.
-
Опробовать на практике в режиме реального времени выявленные закономерности и дать оценку достоверности сделанных прогнозов.
Защищаемые положения
1. Подготовка вершинных извержений вулкана Ключевской выражена следующими признаками: подъемом центра выделенной сейсмической энергии с глубины ~30 км к кратеру, появлением и увеличением количества землетрясений 4-ого типа по классификации П.И. Токарева (1981), появлением и нарастанием амплитуды вулканического дрожания, появлением и ростом интенсивности термальной аномалии в центральном кратере. Признаки подготовки извержения проявляются в период от недели до нескольких месяцев.
2. Извержения вулкана Безымянный предваряются близповерхностными сейсмологическими предвестниками или ростом интенсивности термальной аномалии на растущем куполе при отсутствии или очень слабом проявлении предваряющей сейсмичности. Продолжительность подготовки обычно не превышает 30 суток.
3. Существует обратная зависимость между числом землетрясений 4-ого типа, предваряющих эксплозивные извержения вулкана Безымянный, и числом землетрясений 4-ого типа, характеризующих состояние вулкана Ключевской.
Научная новизна
-
Построена одномерная скоростная модель района Ключевской группы вулканов, которая дает возможность получать непротиворечивые данные о положении очагов коровых землетрясений.
-
По индивидуальным количественным критериям предложено разделить сейсмичность вулканов на «фоновую» и «повышенную», что соответствует «спокойному» и «неспокойному» состоянию вулканов. Изучение особенностей изменения «повышенной» сейсмичности позволило определить типичные индивидуальные сценарии подготовки вершинных извержений вулкана Ключевской и умеренных эксплозивных извержений вулкана Безымянный.
-
Впервые сформулирован алгоритм прогноза умеренных эксплозивных извержений вулкана Безымянный по сейсмологическим и спутниковым данным, как формализованная процедура принятия решения по наблюдаемым параметрам. Алгоритм опробован в режиме реального времени и показана его эффективность.
-
Совместное исследование сейсмичности, предваряющей извержения вулкана Безымянный, и одновременной сейсмичности вулкана Ключевской показало, что между ними существует связь.
Практическая значимость работы
-
На основе построенной одномерной скоростной модели района Ключевской группы вулканов локализовано более 70 000 местных коровых землетрясений в режиме близком к реальному времени с 2000 г. по настоящее время. Данные об этих землетрясениях используются для оценки и прогнозирования вулканической активности, а также для построения трехмерных скоростных моделей, позволяющих уточнить строение магматической системы питания Ключевской группы вулканов.
-
На основе индивидуальных количественных параметрах сейсмичности разработана схема оценки текущего состояния вулканов, привязанная к цветовой шкале предупреждения о вулканической опасности Аляскинской вулканологической обсерватории. По этой схеме ежедневно с февраля 2000 г. представляются оценки состояния вулканов Камчатки в Интернете (URL: ). Фактографическая база данных включена в Государственный регистр баз и банков данных за № 0220711891 от 21 июня 2007 г. Свидетельство № 11003.
-
По данным сейсмологического и спутникового мониторинга с использованием разработанных сценариев подготовки извержений вулканов были сделаны в режиме реального времени успешные среднесрочные прогнозы развития активности 3-х из 4-х вершинных извержений вулкана Ключевской при одной ложной тревоге и 11 успешных краткосрочных прогнозов умеренных эксплозивных извержений вулкана Безымянный из 13-ти произошедших, также, при одной ложной тревоге (справки Камчатского филиала Российского экспертного совета №28 и №29).
Методы исследования
В процессе исследования был использован комплекс методов сейсмологических и спутниковых наблюдений, включающий в себя локализацию и определение параметров очагов землетрясений, изучение их пространственно-временного распределения, измерение температур термальных аномалий и изучение изменения этих параметров во времени. Данные сейсмологических и спутниковых наблюдений исследовались с помощью методов математического, сравнительного и прогнозного анализа. Помимо общепринятых методик в работе кратко излагается и используется ряд обоснованных частных подходов, представленных в опубликованной литературе и представляющих интерес для исследуемых вулканов.
Данные, степень достоверности результатов и личный вклад автора
В основу диссертации положены данные результатов обработки сейсмологических, спутниковых и вулканологических наблюдений в районе Ключевской группы вулканов за 2000-2010 гг., выполненных в лаборатории исследований сейсмической и вулканической активности Камчатского филиала Геофизической службы РАН под руководством автора или непосредственно автором. В работе использованы данные спутниковых наблюдений, в т.ч. более 10 тыс. файлов формата «.l1f» за период времени 2002-2009 гг., предоставленные Камчатским центром связи и мониторинга.
В рассматриваемый период времени произошли и были изучены:
- 5 вершинных извержений вулкана Ключевской, в районе которого были локализованы более 42 тыс. вулканических землетрясений и зарегистрированы более 250 тыс. событий 4-ого типа;
- 17 умеренных эксплозивных извержений вулкана Безымянный, в районе которого локализованы более 3 тыс. вулканических землетрясений и зарегистрированы более 5.5 тыс. событий 4-ого типа.
Используемая автором в диссертационной работе и в публикациях классификация вулканических землетрясений П.И. Токарева (1981) является общепризнанной и, в целом, согласуется с классификациями вулканических землетрясений других отечественных и зарубежных авторов.
Сценарии подготовки извержений вулканов Ключевской и Безымянный разрабатывались под руководством автора совместно с С.Я. Дрозниной, И.Н. Нуждиной, В.Т. Гарбузовой и О.В. Соболевской. С 1996 г. по 2009 г. автор участвовал в полевых работах по установке и обслуживанию автономных, радиотелеметрических станций на Камчатке, а с 1986 г. по 1990 г. - в полевых работах и обработке материалов по профилю КМПВ в районе Ключевской группы вулканов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Представленные в диссертации научные положения соответствуют формуле специальности 25.00.10 «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых» и отражают исследования вулканов как физических объектов с комплексным использованием методов сейсмологических, спутниковых и вулканологических наблюдений для изучения структуры строения и современной динамики с целью мониторинга состояния вулканов и прогноза их извержений.
Результаты данного научного исследования соответствуют следующим пунктам паспорта специальности:
1. Методы обработки и интерпретации результатов измерения геофизических полей.
2. Применение геофизических методов при решении задач охраны окружающей среды.
Апробация работы и публикации по теме диссертации
Результаты исследований автора, защищаемые положения и большая часть диссертационного исследования докладывались на многочисленных отечественных и международных конференциях: ежегодная конференция Американского Геофизического союза, г.Сан-Франциско, США, 13-18 декабря, 2010; 32 Генеральная Ассамблея Европейской сейсмологической комиссии, г.Монтпелье, Франция, 6-10 сентября, 2010; Международная конференция экспертов Японии и России, г.Петропавловск-Камчатский, Россия, 25-26 ноября, 2010; Workshop "Worldwide early warning system of volcanic activities and mitigation of the global/regional consequences of volcanic eruptions", г.Москва, Россия, 8-9 Июля, 2010; 6th Biennial Workshop on Japan-Kamchatka-Alaska Subduction Processes (JKASP-2009), Mitigating natural hazards in active arc environments. Fairbanks, Alaska, June 22-26, 2009; Международная конференция, посвященная 10-летию выпуска сборника научных трудов "Землетрясения Северной Евразии", Обнинск, 28-31 июля 2008; IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology) Workshop, Skamania Lodge, Stevenson, WA, USA, 2008, June 4-6; ESC Working Group "Earthquakes and Volcanoes", Annual Workshop 2008, Managua and Len, Nicaragua, 21 - 27 September 2008; Международная научная конференция «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем». 23-25 мая 2007 г, Москва; Международный симпозиум «Проблемы эксплозивного вулканизма», Петропавловск-Камчатский, 25-30 марта 2006; 5 Международное совещание «Процессы в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг». Саппоро, Япония, 9-14 июля 2006; Региональные научно-технические конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России», Петропавловск-Камчатский, 2007, 2009, 2011; ежегодные научные конференции Института вулканологии и сейсмологии, посвященные Дню вулканолога, Петропавловск-Камчатский, 2005-2012 и т.д.
Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе, представлены в 53 научных работах соискателя, выполненных лично и в соавторстве, 16 из которых опубликованы в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 20 статей в международных и российских сборниках, 16 статей в материалах конференций, 1 книга и более 40 тезисов международных и российских конференций.
Благодарности
Работа выполнена на основе большого объема сейсмологических, спутниковых, видео и визуальных наблюдений за вулканами Ключевской и Безымянный, полученных коллективом КФ ГС РАН, в котором автор работает с 1996 г.
Автор выражает искреннюю благодарность директору КФ ГС РАН к.т.н. В.Н. Чеброву и его первому директору (в то время начальнику
Камчатской опытно-методической сейсмологической партии), Е.И.
Гордееву, ныне академику РАН и директору Института вулканологии и сейсмологии, за всестороннюю поддержку, внимание, советы и консультации. Особую благодарность автор выражает всем сотрудникам лаборатории исследований сейсмической и вулканической активности (ИСВА) (особенно: С.Я. Дрозниной, И.Н. Нуждиной, В.Т.Гарбузовой) и отдела РТСС (заведующему отделом - В.В. Ящуку, сотрудникам - Д.В. Дрознину, Б.К. Пономареву, И.А. Головщиковой), а также сотрудникам Аляскинской вулканологической обсерватории (АВО) (C. Neal, D. Schneider) за их ежедневную работу по сбору, обработке и представлению результатов наблюдений, бескорыстную помощь и консультации. Автор благодарен сотрудникам бывшей лаборатории Региональной геофизики Института вулканологии ДВО РАН (заведующему лабораторией – д.г.-м.н. С.Т. Балесте, сотрудникам – к.г.-м.н. Л.И. Гонтовой, А.А. Каргопольцеву, В.А. Пасечко, В.Г. Пушкареву, А.К. Сафронову, И.Л. Беловой и другим) за первый опыт полевых и камеральных работ по изучению Камчатских вулканов. Особую благодарность и искреннюю признательность автор выражает научному руководителю д.г.-м.н. Юрию Федоровичу Морозу за внимание и поддержку на всех этапах выполнения диссертационной работы.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и заключения. Текст диссертации содержит 150 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, 5 таблиц и 2 приложения. Список литературы насчитывает 153 источника.
