Введение к работе
Актуальность темы. Сейсмические исследования на активных вулканах 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
іазвание «вулканическое дрожание». Сигналы такого типа появлялись
зеегда во время извержения вулканов. Кроме таких длительных сигналов на
наивных вулканах были обнаружены слабые землетрясения, которые имели
іначительно более низкочастотный характер записи, чем обычные
тектонические землетрясения такой же мапштуды. На записях
шзкочастотных землетрясений отсутствовали явные вступления различных
Ьаз сейсмических волн. Вместе с нормальными вулканическими
іемлетрясениями (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
іроцессе извержения. Эти сигналы по форме и по спектральному составу
ілизки 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 сопровождающі извержения вулканов содержат обширную информацию о процесс-подготовки извержений, о динамике и параметрах магматических расплаво о процессах газовыделення и развитии извержений во времени. Все зт проблемы являются актуальными для оценки вулканической опасности, w прогноза извержений вулканов и слежения за ходом извержения.
Для решения этих проблем необходимо детально изучить характеристик сейсмических волновых полей для определения влияния среды ) 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.
-
Отсутствует единый подход для классификации сейсмических сигнале на активных вулканах.
-
Исследования сейсмических волновых полей вулканического дрожат носят разрозненный характер и, до настоящего времени, нет полної понимания о волновом составе, о скоростях распространения и поглощении сейсмических волн.
-
Не существует уверенных результатов о положении источнике сейсмических сигналов для вулканического дрожания и нет детальні, иследований развития процесса вулканического дрожания во времени.
-
До настоящего времени нет однозначного представления о приро; возникновения вулканического дрожания и существующие модел 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 вулканическої дрожания. Сами по себе сейсмические сигналы на вулканах известны давк и их изучение проводилось многими исследователями на различнь вулканах мира. Существует множество моделей источников ннзкочастотнь сейсмических сиголов. Но до настоящего времени не проводило* детального систематического анализа волновых полей сейсмически сигналов на актианых вулканах и модели источников представляют, основном, теоретические разработки, часто находящиеся в противоречии экспериментальными результатами. Задача данной работы получить і
результатам наблюдения вулканического дрожания и сейсмических сигналов от вулканических взрывов для различных извержений обобщенные характеристики волновых полей сейсмических сигналов и провести их сравнение с результатами моделирования волновых полей в сложнопостроенных 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 предстааіенная в этой 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 и непрерывный метод слежения за развитием вулканических процессов « прогноза начала и развития будущих извержений.
Научная новншэ. В данной работе и предшествующих публикациях автором впервые предложена модель излучения сейсмических волн в результате процессов газовыделения в шетивной газонасыщенной магме. Рассмотренная модель источника , однозначно связывает фнзико-механнческие 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 а 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 н 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 извержений, слежения за вулканической активностью і определения физико-механических параметров магматических расплавов.
Научная и практическая ценность; степень внедрения. Теоретически
разработки автора по определению направления на источит
вулканического дрожания впервые были применены при нсследованиі
вулканического дрожания при Большом трещинном Толбачннскоі.
извержении (БТТИ). Эти результаты опубликованы в монография;
«Геологические и- геофизические данные о Большом трещнннол
і'олбачшіском твержении 1975-1976 г.» ( под редакцией С.А.Федотова t
Е.К.Мархииина, М, Наука, 1978 г.) и «Большое трещинное Толбачинскоі
извержение, Камчатка 1975-І976» (под редакцией С.А. Федотова, М.
Наука.1984). В периоде 1981 по 1985 гг., при выполнении НИР по решеник
научно-технической проблемы «Разработать методы прогноза места и
времени сильных землетрясении, цунами и вулканических извержений т
основе изучения сейсмических и геофизических полей,.,.» (тема ГКІП
0.74.03.01, Распоряжение Президиума АН СССР № 10103-875 от 27.05.81 г.)
и МИР Института вулканологии ДІЮ РАН «Исследование физических
процессов в очагах землетрясений н вулканов, сейсмичности н глубинного
строения сейсмогенных и вулканических структур с нелыо создания
теоретических основ прогноза землетрясений и извержений вулканов на
Камчатском геодинамнческом полигоне» были получены принципиальные
результаты по динамическим и кинематическим свойствам волновых полей
сейсмических сигналов и по характеристикам источников вулканического
дрожания во время извержения плк. Ллаид (1981 г.) и влк. Ключевской
(1984, 1986 гг.). Результаты этих исследований были использованы для
оценки развития извержений этих вулканов. В последующие годы (1986-
1990 гг.), при выполнении научно-технических заданий по программе
0.74.03 ГКНТ «Разработать и внедрить в практику народною хозяйства
методы оценки опасности н комплекс мероприятий для уменьшения ущерба
от землетрясении, цунами и вулканических извержений» автором были
продолжены исследования сейсмических сигналов «о время извержения шік.
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 ангор
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 5ыть определены физико-механические свойства магматических расплавов. Іолучена связь между параметрами сейсмических сигналов от извержений іулканов и процессами подготовки и развития вулканических извержений. іти 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 ошеенфикации сейсмических сигналов связанных с деятельностью аулканов. В основу классификации положена природа происхождения :игналов и их свойства.
2. Разработаны и использованы оригинальные методы анализа
нестандартных сейсмических сигналов большой длительности
[вулканического дрожания).
-
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.
-
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 по^
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. Авачииский (Камчатка, Россия; 1991 г.) и
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 л 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 отражены в серии статей, опубликованных п отечественных (Гордеев, 1984; 1985; Гордеев и др., 1986; 1989; 1997а;1997б) и в зарубежных изданиях (Gordeev, 1992; 1993а; 1993с; Gordeev era!., 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.Мархииина, М., Наука, 1978 г.) и «Большое трещинное Толбачикское 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, J 980; Петропавловск-Камчатский, 1981; Владивосток, 1982; Южно-Сахалинск, 1984; Магадан, 1985; Петропавловск-Камчатский, 1986), на международном совещании по вулканизму островных дуг (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 (ЕСК) (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 в вулканологической обсерватории Каскадных гор (Ванкувер), в институте геофизики Мексиканского университета (Мехико) и в Камчатской опытно-методической сейсмологической партии ГС РАН.
Объем и 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 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 217 наименований работ. Общий объем диссертации составляет 291 стр.