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 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

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

-- [ Страница 4 ] --

Особенностью ВУВ, зарегистрированных в 1999 г., являются характерные всплески длительностью 0.06 с в фазе разрежения (рис. 6в), указывающие на взрывные процессы в формирующемся эруптивном облаке. По данным киносъемки продуктов разлета во время большого трещинного Толбачинского извержения наблюдались воздушные взрывы, обусловленные смешиванием взрывоспособных вулканических газов с кислородом воздуха, а также взрывы выбрасываемых в воздух вулканических бомб. По-видимому, для эксплозий вулкана Карымский в 1999 г. характерны вторичные взрывные процессы во время формирования эруптивного облака. Средняя длительность фазы сжатия в 1999 г. составляла + = 0.17 с, что соответствует радиусу сферической поверхности повышенного давления а = 56 м, при радиусе кратера по данным аэрофотосъемки rкр = 62 м. Сопоставление длительности фазы сжатия + с размером кратера вулкана Карымский в 1997-1999 гг. подтверждает вывод, что формирование воздушных волн происходит по типу излучения из свободного конца трубы – кратера.

б

Рис. 7. Фрагменты записей акустического и огибающей сейсмического сигнала для эксплозий: а – 21 августа 1997 г. (рис. 4); б – 9 августа 1999 г. На рисунках сигналы приведены к одному времени с учетом скоростей распространения соответствующих волн.

Дан анализ инфразвуковых сигналов, сопровождающих эксплозии типа «продувка». На рис. 7 приведены фрагменты записей акустического и огибающей сейсмического сигналов для двух эксплозий. В зависимости от скорости протекания процесса фрагментации в верхней части магматической колонны в хвостовой части записи АС регистрируются ВУВ (рис. 7а) или квазисинусоидальные цуги названные нами по аналогии с вулканическим дрожанием «акустическим дрожанием» (рис. 7б). На фрагменте записи акустического и сейсмического сигналов (рис. 7а), место которого в процессе развития эксплозии можно увидеть на рис. 5, видна связь между интенсивностью ВУВ и скоростью смещения грунта, с когерентностью больше 0.9 для частот 0.7, 1.4, 2.2 Гц. На 86-ой секунде возникают ВУВ с глубокой фазой разрежения, что говорит о конденсации паров воды, которая приводит к затягиванию Р-. На 91-ой секунде появляются сбалансированные по импульсу ВУВ, и происходит «накачка» амплитуды сейсмических колебаний – общее повышение уровня с всплесками амплитуды синхронно с возникновением ВУВ, что свидетельствует о связи акустического и сейсмического источников излучений.

На рис. 7б видно, что через две секунды после начала эксплозии регистрируется «акустическое дрожание», связанное с истечением пепло-газовой смеси. В этом случае четкой корреляции между сейсмическим и акустическим сигналами не наблюдается. На взгляд соискателя, это объясняется тем, что акустический и сейсмический источники в этом случае разнесены по магматическому каналу и слабо связаны.

Рис. 8. Огибающие записи акустического и сейсмического сигналов эксплозии 21 августа 1997 г., построенные с постоянной времени 0.4 секунды.

Соотношение между интенсивностью сейсмического и акустического сигналов во время «продувки», в основном, определяется глубиной заложения источника сейсмического излучения, что на качественном уровне видно на рис. 8, где приведены огибающие записей сигналов. В начальный период развития эксплозии происходит фрагментация магмы в самой верхней части выводного канала. На этом участке время запаздывания между вступлениями цуга сейсмических колебаний и соответствующего АС составляет = 0.5 с, а акустический сигнал по интенсивности значительно превышает сейсмический сигнал (20-27 с, рис. 8). В дальнейшем процесс фрагментации перемещается по каналу на большую глубину, для второго участка возрастает до 0.8 с. В результате чего происходит большая «закачка» энергии фрагментации магмы в сейсмические колебания (41-48 с, рис. 8). После фрагментации некоторого количества магмы происходит дегазация, сопровождающаяся мощным истечением пепло-газовой смеси, которое является источником аэродинамического шума значительной интенсивности. Несмотря на слабую чувствительность микробарографа к звуковым частотам, сильный аэродинамический шум все-таки им фиксируется (интервал времени 60–80 с, рис. 5, 8). Дальнейшее увеличение времени запаздывания до 1.0 с наблюдается для самой интенсивной части сейсмического сигнала (86-101 с, рис. 7а). Для этого участка также характерна высокая когерентность между акустическим и сейсмическим сигналами на частотах кратных гармоник 0.7, 1.4, 2.2 Гц. После прохождения максимальных амплитуд ВД, уменьшается до 0.5 секунды (101-114 с, рис. 5).

Строились кривые спектральной плотности мощности (СПМ) для акустического и сейсмического сигналов на указанных выше временных интервалах, а в табл. 2 - частоты и амплитуды спектральных пиков. На кривых СПМ акустического и сейсмического сигналов четко выделяются кратные гармоники, которые указывают на наличие резонатора, возникающего в процессе развития эксплозии, а несовпадение частот для первых гармоник на участках записи, разделенных небольшим интервалом времени, указывает на изменение линейных размеров резонатора.

Таблица 2. Частота и амплитуда спектральных пиков в СПМ сейсмического и акустического

сигналов для различных временных участков эксплозии вулкана Карымский 21.08.1997.

Интервал, с Вид наблюдений f1, Гц А1, усл. ед. f2, Гц А2, усл. ед. f3, Гц А3, усл. ед. f4, Гц А4, усл. ед. f5, Гц А5, усл. ед. f6, Гц А6, усл.ед.
1 20-28 АС 0.97 1.53 1.83 4.71 2.56 3.0 3.4 2.38 4.1 1.3 5.0 1.02
СС 0.97 0.29 1.95 0.32 2.44 0.1 - - - - - -
2 41-48 АС 0.85 4.03 1.95 9.25 2.8 4.86 3.78 3.63 - - - -
СС 0.97 1.27 2.07 9.06 2.82 1.46 - - - - - -
3 86-101 АС 0.73 1.17 1.46 6.88 2.07 3.25 2.8 2.66 3.42 1.49 4.75 0.82
СС 0.73 0.52 1.46 3.82 2.07 19.67 2.8 2.64 - - - -
4 101-114 АС 0.85 1.75 1.70 4.0 2.44 2.26 3.5 2.50 - - - -
СС 0.85 1.34 1.58 4.56 2.19 3.29 2.92 3.60 - - - -

Примечание. СС - сейсмический сигнал, АС – акустический сигнал. Выделены спектральные пики максимума СПМ сейсмического сигнала.

С целью оценки степени линейной взаимосвязи гармонических компонент для рассматриваемых участков строилась функция когерентности акустического и сейсмического сигналов. Для кратных гармоник наблюдается хорошо выраженная когерентность (2 > 0.7), которая указывает на тесную взаимосвязь акустического и сейсмического источников.

Как было показано ранее, часто наблюдается несбалансированность импульсов сжатия и разряжения в ВУВ, сопровождающих эксплозии Карымского вулкана. Ранее была высказана мысль о влиянии конденсации перегретого пара на формирование волновых возмущений от сильных эксплозивных извержений (Адушкин, Гостинцев, Фирстов, 1984). На основании уравнения Ван Дер Ваальса, описывающего поведение водяного пара в широком диапазоне температур и давлений, включая изменение фазового состояния, показано, что за счет нелинейности возникает утроение частоты при безразмерном давлении s0 = 0.5, а при безразмерном давлении s0 > 0.5 возникает минимум в точке экстремума положительной фазы сжатия. Физической причиной этого процесса является конденсация пара и повышение его влажности.

По результатам совместного анализа акустического и сейсмического сигналов предложена модель автоколебательного процесса, возникающего при пульсирующем истечении пепло-газовой смеси (Сторчеус, Фирстов, Озеров, 2006). В автоколебательной системе энергия постоянного источника преобразуется в энергию колебаний и в общем случае для неё характерны следующие элементы: 1) собственная колебательная система или генератор; 2) источник энергии; 3) элемент, управляющий поступлением энергии в колебательную систему и поддерживающий колебания в системе; 4) цепь обратной связи между колебательной системой и управляющим элементом.

В качестве колебательной системы рассмотрена полость, формирующаяся в верхней части магматического канала в результате фрагментации некоторого объема магмы. Полость создает условия для возникновения автоколебательного процесса, в результате которого генерируются сейсмические и акустические сигналы с характерной формой записи (рис. 5). На основании визуальных наблюдений за отдельными эксплозиями вулкана, сделано предположение, что во время эксплозий вулкана Карымского вследствие высокой вязкости магмы возникает полость с узким выходным отверстием, которую в первом приближении можно рассматривать как резонатор Гельмгольца с собственной частотой f.

Показано, что энергия автоколебаний системы обеспечивается газом, содержащимся в магматическом расплаве, большая часть которого первоначально заключена в газовых пузырьках. Таким образом, источником акустических и сейсмических колебаний является импульсное выделение газа на дне полости (взрывоподобный процесс), причем «закачиваемая» энергия в акустический и сейсмический источник существенно различается. Элементом, управляющим поступлением энергии, и цепь обратной связи выполняют волны сжатия и разрежения в полости, возникающие в результате фрагментации некоторого объема магмы. После вскрытия лавовой пробки давление в полости снижается и начинается быстрый рост и слияние газовых пузырьков. При коалесценции пузырьков газа за счет избыточного давления в них возникает скачок давления в верхней части магматической колонны. Это порождает волну сжатия, которая распространяется в газо-пепловой смеси вверх по полости, и импульс давления, который распространяется вниз по магматической колонне. Повышение давления в области слияния приводит к замедлению роста газовых пузырьков в нижнем слое магмы и к резкому замедлению процесса коалесценции. Данная модель согласуется с экспериментальными данными.

В разделе 4.3 рассмотрены волновые возмущения, сопровождающие извержения базальтовых вулканов (стромболианский тип активности). При стромболианском типе извержений импульсные акустические сигналы возникают в результате разрушения газовых пузырей на поверхности лавы. Частота появления и размеры пузырей косвенно характеризуют режим течения двухфазной смеси «газ - силикатный расплав». Соискателю с коллегами представилась возможность изучать три извержения стромболианского типа (барботирующий режим): Южный прорыв Большого трещинного Толбачинского извержения 1976 г.; прорыв Предсказанный – побочное извержение вулкана Ключевского, 1983 г.; терминальное извержение вулкана Ключевского, 1987 – 1989 гг. (Фирстов, Сторчеус, 1987; Фирстов, Кравченко, 1995). Эти извержения существенно различались интенсивностью и количеством летучих в магме, что определило целесообразность сравнения параметров АС, возникающих в процессе извержений. При этом считалось, что источником АС является разрушение газового пузыря на поверхности маловязкой лавы, который рассматривался как неидеальный взрывной источник с малой плотностью энергии. Выполнена оценка количества эксплозивного газа, выделяющегося во время активности стромболианского типа (барботирующий режим), по акустическому излучению для всех трех извержений.

Таблица 3. Весовое содержание эксплозивного газа для извержений стромболианского типа, оцененное по воздушным волнам

Извержение Газ Лава %
V, м3 t, c Qo, м3/с , кг/м3 Qв, кг/с Qo, м3/с , кг/м Qв10-4, кг/с
ЮП БТТИ 8324 4.5 1816 0.17 З08.0 25 2300 5.8 0.5
ПРД 216 2.0 108 18.4 5 2500 1.2 0.2
КЛЧ 760 4.2 179 30.4 - - -

Примечание: ЮП БТТИ – Южный прорыв большого Трещинного извержения, 1975 г., ПРД – прорыв «Предсказанный», побочное извержение вулкана Ключевского, 1983 г., КЛЧ – терминальное извержение вулкана Ключевского, 1987 г.

В акустическом приближении по форме волны, зарегистрированной на некотором расстоянии R от источника, определялись: объём вытесненного взрывом воздуха V, энергия взрывного процесса для отдельного выброса (Е0) и энергия акустического источника (Еа) для всех трех извержений с использованием среднестатистических значений акустических сигналов. Учитывая интервал между выбросами t, оценивался объемный расход газа Qo. Считая, что основная доля газа состоит из водяного пара, объемный вес которого при Т=1000°С равен 0.17 кг/м3, определялся весовой расход газа Qв (табл. 3). Наибольший весовой расход эксплозивного газа из всех рассмотренных случаев приходится на ЮП БТТИ (Qв = 308 кг/с); на порядок меньше составляет расход эксплозивного газа из вершинного кратера вулкана Ключевского.

Для определения весового содержания газа в лаве для ЮП БТТИ была использована средняя оценка расхода лавы, выполненная на основании аэрофотограмметрических измерений объемов лавовых потоков на разные даты. При допущении постоянства расхода газа в течение всего извержения весовое содержание газа, вычисленное по акустическому излучению, = 0.5%., совпадает с оценками, выполненными геохимическими методами.

На рис. 9 показана зависимость логарифма энергии акустического источника (Еа) от логарифма энергии взрывного процесса (Е0). Для двух извержений (ЮП БТТИ, ПРД) точки на графике образуют довольно компактные области, с высокими коэффициентами корреляции (rБТТИ = 0.81, rПРД = 0.77), в то время как для извержения вершинного кратера он составляет всего rКЛЧ = 0.28. Столь малый коэффициент корреляции зависимости lgEа = f(lgE0) для вулкана Ключевского, по-видимому, объясняется регистрацией взрывных волн в этом случае на довольно значительном расстоянии (14.6 км). Для Южного прорыва БТТИ наблюдается более сильная зависимость энергии акустического источника от энергии взрывного процесса по сравнению с извержениями побочного кратера «Предсказанный» и вершинного кратера Ключевского. Не исключено, что в этом случае также существенную роль играют взрывоспособные вулканические газы.

 Зависимость логарифма энергии акустического источника Еа от логарифма энергии-15

Рис. 9. Зависимость логарифма энергии акустического источника Еа от логарифма энергии взрывного процесса Е0.

В табл. 4 приведено соотношение между энергиями акустического источника и взрывного процесса. Наибольшее количество энергии взрывного процесса, переходящей в взрывные волны, составило 1.3% на Южном Прорыве БТТИ, меньше на «Предсказанном» - 0.24%, а во время извержения вершинного кратера вулкана Ключевского в 1987 г.- 0.1%.

Таблица 4. Среднее отношение между энергией акустического источника и энергией взрывного

процесса

Извержение Е0, Дж Еа, Дж Еа/Е0,%
ЮП БТТИ 2.9109 5.2107 1.3
ПРД 7.6107 1.9105 0.24
КЛЧ 2.7108 2.3105 0.13


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 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.