авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

Динамика вулканических извержений и её проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере

-- [ Страница 2 ] --

Соискатель выражает искреннюю благодарность и признательность всем, кто рядом с ним работал в экстремальных условиях вблизи извергающихся вулканов. Все годы работы автор всегда мог положиться на помощь и внимание друга и коллеги В.А. Широкова, дискуссии с которым были весьма полезны для понимания многих проблем вулканологии. Полезные советы и ценные критические замечания на различных этапах работы автор получил от Ю.А. Гостинцева, А.П. Максимова, А.Ю. Озерова, В.Х. Пергамента, Е.А. Пономарева, А.В. Сторчеуса, П.И. Токарева, Б.А. Трубникова, Ю.А. Филиппова. Особую благодарность и признательность автор выражает академику РАН Виталию Васильевичу Адушкину. Многолетнее общение с ним и его поддержка во многом способствовали развитию и становлению научного направления «акустика вулканических извержений». Особую признательность выражаю моей жене Е.Н. Дубининой за постоянную моральную поддержку во время работы над диссертацией.

2. основное СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель и задачи, указаны методы исследований, описаны научная новизна и практическая значимость исследований, определён личный вклад автора, а также сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

ГЛАВА 1. Волновые возмущения в атмосфере - источник информации о динамике вулканических извержений

В разделе 1.1 дано краткое описание типов вулканических извержений. В основу всех известных классификаций вулканических извержений, как правило, основанных на различиях в силе, характере и составе продуктов извержений, положены визуальные наблюдения за извержением на конкретных вулканах. Наиболее распространенной является классификация вулканических извержений, когда различным типам извержений присваиваются названия вулканов, в деятельности которых какая-либо сторона процесса наиболее характерна, хотя реально в деятельности одного вулкана могут проявляться различные типы извержений.

В последние десятилетия в основу классификации извержений вносятся представления о физических процессах, доминирующих при подъеме магмы к поверхности. По характеру взаимоотношения расплав - летучие продукты в магматическом канале снизу вверх выделяются следующие зоны: 1) наиболее глубинная зона, в которой по каналу течет жидкость; 2) пузырьковая зона, где находится газожидкостный дисперсионный поток, в котором присутствует сплошная фаза - жидкость; 3) зона «разрушающейся пены», где возможны два варианта: в первом - увеличение расхода газа обеспечивается опережающим всплыванием крупных пузырей (барботирующий режим); во втором – в результате частичного разрушения соприкоснувшихся пузырьков возникает пористая масса, пронизанная сквозными каналами, по которым движется газ с опережающей, но ещё не достаточной для полного диспергирования расплава скоростью; 4) зона дисперсного потока, где непрерывной фазой является газ (дисперсионный режим).

Барботирующий режим характерен для основных маловязких магм, в то время как дисперсионный режим характерен для кислых высоковязких магм.

В разделе 1.2 прослежена история исследований ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере, возникающих при различных типах извержений.

Изучение слабых воздушных волн от вулканических извержений стало возможным после появления микробарографов, что было стимулировано созданием национальных служб для контролирования воздушных ядерных взрывов. Воздушная волна, возникшая при извержении вулкана Безымянный 30 марта 1956 г., обошла земной шар и была зарегистрирована акустическими станциями Японии и СССР, а ее тротиловый эквивалент был оценен в 8 мегатонн. Воздушная волна этого извержения была также зарегистрирована низкочувствительными метеорологическими барографами в ближней зоне (R < 100 км), что дало основание Г.С. Горшкову (1958) сделать заключение об информативности воздушных волн для изучения динамики вулканических извержений.

На полуострове Камчатка микробарографы впервые были установлены П.И. Токоревым (1964) в районе Ключевской группы вулканов в 1962 г. Несомненной удачей была запись волновых возмущений, возникших во время пароксизмального извержения вулкана Шивелуч 12 ноября 1964 г., что позволило (Токарев, 1968) дать вариант реконструкции хода этого грандиозного извержения на основании записей акустического и сейсмического сигналов.

Начиная с 70х годов прошлого столетия, соискатель производил регистрацию ударно-волновых и акустических эффектов от извержений вулканов Камчатки в непосредственной близости от них. Обширный экспериментальный материал был получен во время работы Северного прорыва Большого трещинного Толбачинского извержения в 1975 г. На основании этих данных по форме записи и ряду параметров было показано, что АС в ближней зоне при сильных извержениях относятся к классу слабых воздушных ударных волн (Фирстов, Адушкин, Сторчеус, 1978). Несколько позже японским исследователям (Ishihara et al., 1983) на вулкане Сакурадзима удалось зарегистрировать ВУВ с помощью киносъемки.

Формирование и сход пирокластических потоков во время извержений андезитовых вулканов сопровождаются инфразвуковыми колебаниями длительностью более минуты с частотой ~ 0.3 Гц (Фирстов, 1988; Yamasato, 1993). Восходящая конвективная колонка, сформированная горячими мелкодисперсными продуктами и вулканическими газами над отложениями пирокластических потоков, приводит к генерации инфразвукового сигнала за счет турбулентных пульсаций, мощность которого зависит от интенсивности теплоотдачи с поверхности пирокластических потоков.

В настоящее время значительный интерес к «акустике вулканических извержений» проявляют исследователи США, Японии и других странах. Вблизи активных вулканов, как правило, установлены микробарографы для регистрации волновых эффектов в атмосфере.

Раздел 1.3 посвящен рассмотрению связи акустических эффектов в атмосфере с сейсмическими явлениями при вулканических извержениях, а также описанию типов вулканических землетрясений. Землетрясения, регистрируемые в районах активного вулканизма прямо или косвенно связанные с магматизмом, принято называть вулканическими. Специфическим случаем «вулканических» землетрясений являются квазигармонические колебания почвы – «вулканическое дрожание» (ВД). При вулканических взрывах регистрируются эксплозивные землетрясения (ЭЗ), длительность записи которых достигает одной минуты и более, а очаги располагаются на глубине не более одного км от дна активного кратера. При участии автора проведена типизация эксплозивных землетрясений вулкана Карымского, которая может быть применена и для ЭЗ других вулканов. Во время сильных вулканических выбросов одновременно с ЭЗ возникают воздушные ударные волны, которые вызывают колебания грунта, фиксируемые на сейсмограммах и микробарографами. Эксплозии большой длительности, когда возникает пепло-газовая струя, сопровождаются шумом аэродинамического происхождения и воздушными ударными волнами. Во время извержений стромболианского или гавайского типов эксплозивные землетрясения происходят с большой частотой.

В разделе 1.4 на основе обобщения литературных данных и собственных исследований дана феноменологическая классификация волновых возмущений в атмосфере от вулканических извержений (Firstov, 1994; Firstov, 1996; Фирстов, 1998; Фирстов, Филиппов, 1997).

  1. Аэродинамический шум (f = 20 1000 Гц) возникает в результате аэродинамического воздействия потока дисперсионного материала на окружающую среду. При определенных условиях возникает во время извержений всех типов, в моменты, когда из кратера происходит истечение струи любого состава.
  2. Импульсные АС, воздушные ударные волны (f = 110 Гц) генерируются нестационарными процессами в кратерной зоне во время дегазации и фрагментации магмы при ее поступлении на дневную поверхность при стромболианском и вулканских типах извержений. Фрагментация сильно вязких магм может идти по различным физическим законам (волна дробления, коалесенция пузырьков), при этом возникают воздушные волны с различными характерными временами, обусловленные скоростью протекания процесса.
  3. Инфразвук (f = 0,0031 Гц) генерируется сильными конвективными процессами, сопровождающими возникновение и формирование эруптивных облаков в результате выноса продуктов извержений и их отложения на дневную поверхность, что приводит к формированию восходящей конвективной колонки, турбулентные пульсации в которой служат источниками инфразвукового сигнала.
  4. Длинноволновые возмущения (f < 0,003Гц) возникают в результате формирования очень мощной эруптивной колонны, высота которой в отдельных случаях превышает границу тропопаузы. Как правило, длинноволновые возмущения сопровождают извержения типа «направленный взрыв», когда в атмосферу выносится очень большое количество горячего, мелкодисперсного вулканического материала и вулканических газов.

Первые два класса АС связаны с процессом отделения летучих от поднимающегося по магматическому каналу силикатного расплава и обусловлены работой, которую он совершает при расширении. Этот процесс сопровождается фрагментацией (разрушением) расплава с образованием раскаленных обрывков лавы и вулканического пепла. «Вулканическая взрывчатка» обладает низкой плотностью энерговыделения по сравнению с взрывчатыми веществами, поэтому вулканические «взрывы» по параметрам отличаются от взрывов взрывчатых веществ.

Акустические сигналы первых двух классов в той или иной мере присущи всем типам извержений. Вторые два класса АС связаны с образованием в атмосфере эруптивного облака в виде конвективной колонны с хорошо развитой турбулентностью, которая является источником инфразвуковых волн в атмосфере. Причем третий класс АС характерен почти для всех типов эксплозивных извержений (вулканский, пелейский, плинианский).

Глава 2. Описание использованной аппаратуры и методика

обработки акустических и сейсмических сигналов

Раздел 2.1 посвящен описанию приборов для регистрации акустических волновых возмущений в атмосфере.

Дано краткое описание электродинамических микробарографов серии ЭДМБ, с помощью которых была получена большая часть экспериментального материала, их конструктивные особенности и калибровка. В конце 50х годов на базе вакуумированных мембранных (анероидных) коробок И.П. Пасечником, Н.Е. Федосеенко (1958) был сконструирован электродинамический микробарограф ЭДМБ-IV, который в течение почти двух десятилетий активно использовался для регистрации акустических сигналов в атмосфере, как от различных природных источников, так и от воздушных ядерных взрывов. В 70х годах этот микробарограф был успешно применен автором для регистрации слабых воздушных ударных волн от вулканических взрывов и инфразвуковых колебаний (Фирстов и др. 1978а; Фирстов и др. 1978б).

Для регистрации слабых воздушных ударных волн с целью определения безопасности по их действию на карьерах и разрезах, в Магнитогорском горно-металлургическом институте в 1980 г. была изготовлена серия электродинамических микробарографов ЭДМБ-М, которые были выполнены аналогично ЭДМБ-IV, с использованием более компактной магнитной системы от сейсмоприемника СВ-05. Микробарограф ЭДМБ-М в начале 80Х годов использовался как приемник акустических сигналов, связанных с извержениями (Фирстов, Сторчеус, 1987). В результате эксплуатации ЭДМБ-М в комплекте с модернизированным сейсмическим усилителем УПН-3 получены записи АС с избыточным давлением P = 2500 Па в частотном диапазоне 110 Гц. Отсутствие отечественных серийно выпускаемых приемников микрофлуктуаций атмосферного давления, а также расширение в восьмидесятые годы прошлого века работ, связанных с регистрацией АС от извержений, заставили соискателя изготовить микробарограф ЭДМБ-МВ, в конструкцию которого были внесены отдельные изменения, устранявшие недостатки предшествующей модели.

Приводится описание серийных микробарографов, с помощью которых регистрировались длиннопериодные флуктуации атмосферного давления с частотой до 310-4 Гц, - малогабаритной акустической станции (МАС) и микробарографа К304. В этом же разделе дано описание аппаратуры для регистрации и обработки сигналов звукового диапазона. Аэродинамический шум звукового диапазона регистрировался серийными шумомерами ИШВ и RTF-17.

В разделе 2.2 приводится описание характеристик аппаратуры для регистрации сейсмических сигналов. Регистрация сейсмических сигналов от вулканических извержений проводилась как региональной сетью сейсмических станций, так и на временных экспедиционных пунктах. Региональная сеть обслуживаемых камчатских сейсмических станций в течение последних трех десятилетий прошлого века имела стандартную регистрирующую аппаратуру гальванометрического типа. Сейсмические каналы имели стандартную столообразную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот 1-10 Гц.

В полевых комплектах на первом этапе применялась гальванометрическая регистрация, которая в дальнейшем сменилась регистрацией на перопишущих приборах. В этом случае сигнал от сейсмометра поступал через трехканальный усилитель постоянного напряжения (УПН-III) на перопишущие регистраторы типа Н337 или Н3021.

В разделе 2.3 дано описание методики обработки акустических и сейсмических сигналов. Благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований большинство аналоговых записей акустических и сейсмических сигналов, полученных в 70-90 годы ХХ столетия, были оцифрованы. На основании СУБД PARADOX была создана база данных (Фирстов, Филиппов, 1997; Firstov, Filippov, 1996). Обработка сигналов осуществлялась современными средствами с использованием ряда пакетов прикладных программ: ПОС (пакет обработки сигналов фирмы «МЕРА»), MESOSAUR, STATISTIСA, Qwatro PRO.

ГЛАВА 3. Наблюдения ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений и некоторых природных явлений

В разделе 3.1 приводятся схемы расстановки микробарографов на вулканах, амплитудно-частотные характеристики каналов, дается краткое описание извержений, даты которых приведены в табл. 1.

Комплексные наблюдения за сейсмическим и акустическим излучением извержений вулканов Камчатки проводились соискателем начиная с 1970 г. Под руководством соискателя в непосредственной близости от извергающихся вулканов устанавливались выносные пункты, где велись визуальные наблюдения за динамикой извержения, и проводилась регистрация акустических и сейсмических сигналов, сопровождающих извержения. Кроме полевых пунктов микробарографическими каналами оснащались и стационарные сейсмические станции (рис. 1).

Таблица 1. Извержения вулканов Камчатки, во время которых проводилась регистрация акустических сигналов

Вулкан Годы извержений Примечание
1 Шивелуч 1964*, 1993 Регистрацию осуществлял П.И. Токарев.
2 Ключевской:
Вершинный кратер 1978, 1983, 1984, 1986-1989
Побочное извержение 1983
3 Безымянный 1983 – 1986, 2006
4 Толбачик: Регистрацию осуществлял А. В. Сторчеус
Северный прорыв 1975
южный прорыв 1976*
5 Карымский 1970-1972, 1978, 1996
6 Алаид 1982* Регистрацию осуществлял В.А. Широков


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.