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 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

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

-- [ Страница 3 ] --

Примечание. Выделены даты извержений, когда регистрация осуществлялась в дальней зоне.

Основным типом извержений одного из активнейших вулканов Камчатки - Карымского, является вулканский, который в отдельные периоды сменялся вулкано-стромболианским. Для этого вулкана характерны цикличность и периодическое появление внутрикратерного экструзивного купола, который появлялся обычно перед излияниями лавовых потоков.

 Схема расположения наиболее активных вулканов Камчатки, вблизи которых-0

Рис. 1. Схема расположения наиболее активных вулканов Камчатки, вблизи которых проводились микробарографические наблюдения (звездочки), и стационарных пунктов (треугольники), где размещались микробарографы.

Сокращения в названии станций: КЛЧ Ключи; КЗРКозыревск; АПХ Апахончич; КРМ Карымский; ПРТПаратунка.

Под руководством соискателя регистрация акустических эффектов проводилась в период 1970 – 1983 гг. Также анализировались цифровые записи акустических сигналов, полученные во время последнего цикла активности в период 1996 – 1999 гг. Эксплозивная активность вулкана проявлялась в виде отдельных эксплозий (выбросов) с частотой от двух - трех в сутки до нескольких десятков в час. Среди большого разнообразия эксплозий вулкана Карымского по визуальным наблюдениям четко выделялись две крайние разновидности - «взрывы» и «продувки». Для последней разновидности эксплозий, характерно пульсирующее истечение газо-пепловой струи из кратера, которое в иностранной литературе получило название «чаггинг» (chagging), так как звуковой эффект напоминал звук пыхтящего паровоза.

Волновые возмущения, которые сопровождали пароксизмальные извержения этого вулкана в мае 1970 г. и январе 1996 г. были записаны в дальней зоне на расстоянии 125 км с помощью микробарографов МАС и К304.

В этом разделе также дана краткая информация о вулканической активности и систем наблюдений во время Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ). Комплексная регистрация акустического и сейсмического излучений осуществлялась на станции «Водопадная» в 9 км от второго конуса Северного прорыва БТТИ в сентябре 1975 г., когда наблюдалась сильная эффузивно-эксплозивная деятельность второго конуса, во время которой эруптивная колонна поднималась на высоту до 7 - 9 км над уровнем моря.

Регистрация АС на Южном прорыве БТТИ проводилась в августе-ноябре 1976 г. на расстояниях 1.9 - 2.4 км от кратера. Этот период активности характеризовался умеренной эксплозивной деятельностью, которая наблюдалась в кратере симметричного конуса диаметром ~ 90 м и глубиной 30 м, на дне которого из одного или двух жерл диаметром в несколько метров происходили непрерывные взрывы с выбросом обрывков раскаленной лавы.

Приводятся краткие описания терминальных извержений стромболианского типа (барботирующий режим) в 1978, 1984, 1986 1989 г. вулкана Ключевского, даны схемы расстановок аппаратуры и амплитудно-частотные характеристики микробарографических каналов. Акустические сигналы при этих извержениях возникали в результате разрушения оболочки газовых пузырей на поверхности лавы, всплывающих по магматическому каналу.

В 1983 г. на Ключевском вулкане происходили одновременно извержения в вершинном и побочном кратерах. Начиная с февраля, началась подготовка к терминальному извержению, которая выразилась в слабой эксплозивной деятельности в вершинном кратере, а 8 марта 1983 г. на высоте 2875 м над уровнем моря началось извержение стромболианского типа побочного кратера «Предсказанный». Оно характеризовалось выбросами лавы без пепла из кратера диаметром 20-25 м и продолжалось 112 суток. В период извержений регистрировались акустические и сейсмические сигналы, связанные с деятельностью побочного и вершинного кратеров. Регистрация осуществлялась как стационарными сейсмическими станциями КЛЧ, АПХ, ПДК (рис. 1), так и временными пунктами, которые организовывались в непосредственной близости от побочного кратера. Изучение ударно-волновых эффектов в атмосфере, сопровождающих извержения вулкана Безымянного, проводилось в октябре 1984 г., июне 1985 г. и июне 1986 г. Особенностью извержений этого вулкана является то, что после извержения типа «направленный взрыв» в марте 1956 г. в кратере непрерывно идет процесс формирования внутрикратерной экструзии. При этом регулярно происходит выжимание жестких блоков с периодическим извержением пирокластических потоков (ПП) и образованием мощных эруптивных туч (рис. 2).

На рис. 2б приведен снимок начала формирования эруптивного облака во время схода ПП 13.10. 1984 г., на котором видны отдельные конвективные ячейки размером ~ 500 м. Начало формирования эруптивных облаков при сходе ПП во время извержения вулкана Безымянный в 1985 г. хорошо просматривалось из пункта ЗМН. Зарождение эруптивного облака от ПП, скатывающихся по абразивному желобу, происходило в зоне основания экструзивного купола (стрелка на рис. 2а), когда резко изменялась крутизна склона вулкана и начиналось торможение ПП. Динамика возникновения отдельных конвективных ячеек хорошо видна на фотограммах возникновения эруптивной колонки, выполненных с интервалом в две секунды, во время схождения ПП 1.VII. 1985 г. в 19h 25m (рис. 2в). Соискателем были выполнены три серии снимков длительностью 14 секунд с двухсекундными интервалами между кадрами в пределах одной серии. Первая серия соответствовала моменту выхода ПП из желоба. Определенная по снимкам скорость фронта ПП составляла 35 м/c.

б

 Вулкан Безымянный: а - схема отложений пирокластических потоков и-2

Рис. 2. Вулкан Безымянный:

а - схема отложений пирокластических потоков и расположения пунктов наблюдений в 1985 г. (Алидибиров и др., 1988);

б - начало формирования эруптивного облака от пирокластического потока 13.10.1984 г., фото В.Н. Нечаева;

в - фотосъемка развития эруптивного облака во время схода ПП 1.07.1985 г. в 19h 25m (GMT).

1 - отложения глыбово-пеплового пирокластического потока;

2 - отложения ювенильного ПП пористых андезитов;

3 - отложения направленного взрыва;

4-6 - границы распространения отложений ювенильного, глыбово-пеплового потоков, направленного взрыва соответственно;

7 - начало зоны торможения.

АПХ – пункт наблюдения Апахончич (комплекс акустической и сейсмической аппаратуры), ЗМН – пункт наблюдения на отрогах вулкан Зимина (визуальные наблюдения в июне 1985 г.).

В дальнейшем на фронте ПП начала формироваться конвективная колонка нагретых продуктов извержения (газы, мелкодисперсная фракция заполнителя ПП). Скорость подъема конвективной ячейки, определенная по снимкам второй серии – 25 м/c, а определенная по снимкам третьей серии – 20 м/c. На последней серии хорошо видно начало формирования новой конвективной ячейки.

Регистрация сейсмических и акустических сигналов, сопровождавших извержения и формирование ПП на вулкане Безымянный в 1983 – 1986 гг. осуществлялась на стационарном пункте АПХ, расположенном в 16 км от вулкана Безымянный (рис. 2а).

В разделе 3.2 описывается аппаратура и методика наблюдений за инфразвуковыми и сейсмическими эффектами, возникающими во время схода снежных лавин. Работы по регистрации инфразвуковых колебаний, сопровождающих извержения пирокластических потоков, натолкнули соискателя на мысль использовать снежные лавины как модельное подобие ПП. Естественно, ПП и снежные лавины различаются, но их объединяет то, что основной движущей силой является гравитационная составляющая. Регистрация акустических и сейсмических сигналов лавин проводилась на Эльбрусской станции географического факультета МГУ, расположенной на поляне Азау в верховьях долины р. Баксан в конце марта 1988 г. (Фирстов и др., 1990а,б). Искусственный спуск лавин с северного склона горы Чегет осуществлялся Терскольским отрядом Северо-Кавказской службы по активному воздействию на гидрометеорологические процессы путем обстрела лавинных очагов осколочно-фугасными снарядами УОФ 412 из зенитных орудий.

Регистрация сейсмических и акустических сигналов от снежных лавин велась на самописце Н-327 при скорости развертки 25 мм/с. В качестве датчиков давления применялись два типа микробарографов: пьезоэлектрический микробарограф (ПМБ), сигнал от которого подавался непосредственно на самописец, и электродинамический (ЭДМБ-IV), сигнал от которого через интегрирующий усилитель постоянного напряжения УПН-3 подавался на самописец.

Раздел 3.3 посвящен методике регистрации аэродинамического шума от пароводяных скважин. Изучение аэродинамического шума, возникающего при выпусках пароводяной смеси (ПВС) в атмосферу проводилось на Мутновском месторождении в мае и октябре 1989 г. Аэродинамический шум регистрировался на шести скважинах с различным расходом и паросодержанием.

Глава 4. нестационарные процессы в кратере извергающегося

вулкана - источники импульсных Акустических сигналов в

атмосфере

Раздел 4.1 посвящен описанию особенностей генерации и распространения импульсных акустических сигналов от вулканических извержений.

Во время Большого трещинного Толбачинского извержения в 1975 г. на Северном прорыве с расстояния 9 км с достаточной разрешающей способностью по времени были зарегистрированы АС, часть из которых можно отнести к слабым воздушным ударным волнам (ВУВ). На рис. 3 показаны параметры, которые измерялись на микробарограммах: избыточное максимальное давление в фазе сжатия P+ в Па, время действия фазы сжатия + в с; P-, - - для фазы разрежения (Фирстов, Адушкин, Сторчеус 1978а,б).

На основании различия формы записи и статистических оценок параметров АС, а также величины импульса , впервые в мировой практике была сделана их классификация и приведен ряд аргументов в пользу того, что воздушные волны могут быть разделены на пять типов (рис. 3):

Рис. 3. Типы воздушных волн, возникающих во время вулканической активности.

I – классическая форма ВУВ; по кинематическим и динамическим характеристикам возникновение данного типа ВУВ можно связать с детонацией взрывоспособных вулканических газов при их окислении кислородом воздуха;

II-III – форма сигнала с резким передним фронтом положительного и отрицательного импульсов; данные типы ВУВ обусловлены сверхзвуковыми скачками, возникающими при истечении пепло - газовой смеси из кратера вулкана;

IV-V - ВУВ данных типов имеют импульсы обеих полярностей квазисинусоидальной формы и возникают при прорыве на поверхности лавы газовых «пузырей» или «пенных пакетов» (аналог заглубленных взрывов).

 Зависимость времени действия + и импульса I+ фазы сжатия от избыточного-5  Зависимость времени действия + и импульса I+ фазы сжатия от избыточного-6

Рис. 4. Зависимость времени действия + и импульса I+ фазы сжатия от избыточного давления Р+ для различных типов воздушно ударных волн от вулканических выбросов.

Многочисленные работы по изучению распространения ВУВ от взрывов позволили получить ряд эмпирических формул, имеющих в основном вид степенных многочленов, выражающих зависимости Р+= f1(r ), I+=f2(r ), += f3(r) для различных видов взрывчатых веществ и условий проведения взрыва (воздушные, накладные и камуфлетные взрывы), где r = r/Q1/3- приведенное расстояние. Используя экспериментально полученные зависимости для фиксированной точки наблюдений, логично рассмотреть зависимости I+, + от Р+, которые можно представить степенными функциями типа y = 10mxn или lg y = n lg x + m. Для ВУВ от вулканических взрывов эти зависимости находились методом наименьших квадратов для каждого типа и показаны на рис. 4. вместе с кривыми для взрывов накладных зарядов.

На рис. 4 хорошо видны различия между типами ВУВ, выделенных по форме и статистическим оценкам параметров ВУВ. Наиболее сильно обе зависимости отличаются от кривых для накладных зарядов для ВУВ IV и V типов. Зависимость + = f(P+) для ВУВ II и III типов сходна с кривой для накладных зарядов, но с постоянным превышением + около 0.2 с; что можно объяснить тем, что характерное время длительности фазы сжатия зависит от размера кратера.

Данная классификация успешно использовалась при регистрации АС во время извержений других вулканов: Карымского –1970-1972 гг.; Южный прорыв БТТИ – 1976 г. (Фирстов и др., 1978; Сторчеус, 1987); вершинного и побочного кратеров вулкана Ключевского (Фирстов, Сторчеус, 1987; Чунчузов, Фирстов, 1992; Фирстов, Кравченко, 1995).

В этом разделе также показано, что характерное время фазы сжатия АС связано с размером кратера. В качестве радиуса кратеров приняты оценки, полученные по данным аэровизуальных наблюдений и аэрофотосъёмки. В первом приближении радиус сферической области повышенного давления (а), которая служит источником зарегистрированных АС, можно определить как а = С0+, где С0 – скорость звука в атмосфере на высоте источника h. При этом учитывалось, что по мере удаления от источника для ВУВ происходит увеличение + ~ R0.4. Для всех извержений бралось среднестатистическое значение + для АС IV и V типов. Относительное отклонение r = |r-a|/r в 8 случаях из 9 не превышает 20%. Это указывает на то, что вычисленный радиус сферической области повышенного давления удовлетворительно совпадает с радиусом кратера (r) и, основываясь на времени действия фазы сжатия +, можно оценивать изменения размеров кратера в процессе извержения.

Приведены аргументы в пользу того, что АС, зарегистрированные в марте-июне 1983 г., возникают в результате нелинейных колебаний в жерле вулкана Ключевского, когда активность вершинного кратера выражалась в газовых выбросах с небольшой примесью пепла, которые происходили из жерла диаметром около 160 м и глубиной более 150 м.

По характерным особенностям формы записи АС для этого извержения были разделены на три подтипа (Фирстов, Сторчеус, 1987; Фирстов, Трубников, 1988). В амплитудных спектрах этих сигналов уверенно выделяются спектральные пики на частотах: f1 = 0.5; f2 = 1.0, и менее четко пики на частотах f3 = 1.5; f4 = 2.5; f5 = 3.0 Гц, причем f3/f1 = f5/f2=3; а f2/f1 =2. Набор характерных частот, наблюдаемых в спектрах АС, хорошо объясняется набором резонансных частот res = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) 1, даваемых теорией нелинейных колебаний в полуоткрытой трубе длиной L с невозмущенной скоростью звука С0 и 1 = С0/2L.

Рассмотрены особенности распространения акустического сигнала от эксплозий во время терминального извержения вулкана Ключевского. От вулканических взрывов, происходящих в вершинном кратере вулкана Ключевского, у его подножия регистрируются АС, форма которых определяется особенностью взаимного расположения источник - пункт регистрации и стратификацией скорости звука в нижней тропосфере в различных азимутальных направлениях. На расстоянии 15 км от источника при наличии инверсии скорость звука на высоте ~ 2 км регистрируется АС, представленный прямым и отраженным от склона импульсами. В связи с тем, что длина волны излучаемого импульса составляет 100-200 м, двойной размах амплитуды (Р+ + Р-) прямой волны слабо зависит от скоростной стратификации нижней тропосферы (Чунчузов, Фирстов, 1992).

Раздел 4.2 посвящен изучению особенностей акустического излучения, сопровождающих извержения вулканского типа андезитовых вулканов. Раздел построен на материале изучения акустических эффектов, сопровождавших извержения вулкана Карымского. В течение двух циклов извержений (1970-1983, 1996-2009 гг.) наблюдались как отдельные выбросы (эксплозии), так и пульсирующее истечение пепло-газовой смеси (дисперсионный режим) из кратера вулкана.

 Пример записи флуктуаций атмосферного давления и колебаний грунта во время-7

Рис. 5. Пример записи флуктуаций атмосферного давления и колебаний грунта во время эксплозии вулкана Карымский (15h 23m, 21 августа, 1997 г.).

Для отдельных эксплозий параметры АС и соотношение P+ к максимальной амплитуде эксплозивных землетрясений (Аmax) качественно указывают на вариацию глубины заложения выбросов. Во время извержения вулкана в отдельные периоды наблюдались эксплозии, начинающиеся с «взрыва» и переходящие в пульсирующее истечение пепло-газовой струи- «продувку» (Фирстов и др. 2004б; Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006). Длительность эксплозий, сопровождавшихся сейсмическим и акустическим излучением, составляла от одной до трех минут. Пример трехминутной записи флуктуаций атмосферного давления и колебаний грунта во время эксплозии вулкана Карымский 21 августа 1997 г. приведен на рис. 5. Данная эксплозия начиналась с «взрыва», которому соответствовал импульсный АС значительной амплитуды и слабые сейсмические колебания. Затем произошло пульсирующее истечение пепло-газовой смеси («продувка»), причем соотношение между амплитудами акустического и сейсмического сигналов изменялось в широких пределах.

На рис. 6 совмещены три АС, сопровождавших эксплозии типа «взрыв» для трех периодов активности вулкана 1997-1999 гг., где видно их удовлетворительное совпадение. Этот факт свидетельствует об идентичности параметров эксплозивного процесса на непродолжительном интервале времени.

 Примеры записи АС, сопровождавших «взрывы» вулкана Карымский: а - 1997 г.; б - 1998 г.,-11

Рис. 6. Примеры записи АС, сопровождавших «взрывы» вулкана Карымский: а - 1997 г.; б - 1998 г., в - 1999 г. (по горизонтальной оси – время в секундах, по вертикальной – амплитуда в условных единицах).

Для 1997 г. характерен сбалансированный импульс с длительностью фазы сжатия + = 0.12 с (рис. 6а). Оценка радиуса сферической поверхности области повышенного давления, которая служила источником АС в этот период составляет а = 39 м. Начало эксплозий для 1998 г. характеризуется двухактностью процесса, о чем свидетельствует форма АС, зарегистрированных в этот период. На рис. 6б видно, что наблюдается постепенное нарастание переднего фронта фазы сжатия, на котором четко выделяется перегиб, свидетельствующий о двухактности процесса, а самый мощный импульс имеет классическую форму ВУВ от заглубленного взрыва на выброс. В этом случае изменение динамики крутизны переднего фронта фазы сжатия говорит о том, что эксплозии начинаются с энергетически более слабого процесса. В 1998 г. при+ = 0.14 с радиус сферической поверхности области повышенного давления составлял а = 46 м, что несколько больше оценки для предшествующего года.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 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.