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 |   ...   | 5 | 6 ||

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

-- [ Страница 7 ] --

После окончания работы первого акустического источника в течение почти 4 минут сигналы обоих видов не регистрировались. После обвала извержение не получило бурного развития, как это произошло в 1980 г. на вулкане Сент-Хеленс. Отсутствие криптокупола и большая глубина внедрения магмы обусловили инертность процесса. Только спустя 12 минут после обвала (в 19h20m) на ленте станции КЛЧ появилось ВД, одновременно начали регистрироваться воздушные волны. Появление ВД и акустического сигнала связано с началом плинианской стадии извержения. В этот период высота эруптивной тучи достигла 7-8 км.

В 19h48m резко возрастает амплитуда ВД и к этому моменту приурочена вторая положительная фаза длинноволновых возмущений в атмосфере (рис. 19). Интенсивность волновых возмущений в атмосфере зависит от тепловыделения в источнике. Резкое увеличение тепловыделения приводит к нарушению стационарности процесса и возникновению фазы избыточного давления в длинноволновой части спектра АС. Этот период извержения нами связывается с началом излияния пирокластических потоков и, возможно, с новым обвалом части постройки. Отложения ПП значительно увеличили мощность тепловыделения и соответственно высоту конвективной колонны, достигшей максимума 10-15 км.

По мнению автора, все сильные эксплозивные извержения андезитовых и дацитовых вулканов с секторным отложением материала, а также в некоторых случаях и наличием «агломерата направленного взрыва» (обломочная лавина), следует относить к извержениям типа «направленный взрыв». Такие извержения имеют следующий обобщенный сценарий:

  • после длительного перерыва активности вулкана происходит внедрение магмы в постройку;
  • внедрение магмы приводит к деформациям и потери устойчивости склона вулкана;
  • потеря устойчивости склона вулкана порождает обвал с дальнепробежной каменной лавиной (агломерат направленного взрыва) и формируется подковообразный кратер;
  • после обвала за счет резкой декомпрессии происходит фрагментация внедрившегося магматического тела, порождающая направленный взрыв, площадь отложений которого зависит от конфигурации вновь образованного кратера;
  • фрагментация более глубоких частей магматической колонны порождает плинианскую деятельность с извержением пирокластических потоков, а под действием мощной пепло – газовой струи происходит дальнейшее формирование кратера за счет эрозии.

В зависимости от ряда причин далеко не все стадии сценария имеют место во время извержения того или иного вулкана, а энергетическое соотношение между ними определяется многими факторами. Приведенная схема сценария подтверждается как геологическими, так и геофизическими данными.

ЗАключение

1. В работе приведены результаты исследований, базирующиеся на экспериментальном материале, полученном при регистрации акустических сигналов в широком диапазоне частот от сотен до тысячных герц, сопровождавших различные природные процессы. Основная доля исследований выполнена на извержениях вулканов Камчатки с различным типом активности. Для исследований использовался широкий набор аппаратуры, позволяющей вести регистрацию волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот. Создание временных полевых пунктов в непосредственной близости от извергающихся вулканов позволили получить уникальные записи акустических сигналов в ближней зоне, а мониторинг воздушных волн на стационарных пунктах дал возможность зарегистрировать волновые возмущения от сильных эксплозивных извержений в дальней зоне (Фирстов, 2003, Фирстов, 2007, Фирстов, Тристанов, 2009).

В результате проделанной работы показана актуальность и перспективность использования дистанционного акустического метода для мониторинга вулканических извержений и заложены основы нового научного направления акустика вулканических извержений.

2. На основе собственного экспериментального материала, собранного почти за тридцатилетний период, и литературных данных автором предложена феноменологическая классификация ударно-волновых и акустических эффектов в атмосфере от вулканических извержений. За основную характеристику классов приняты характерные частоты и физические процессы, в результате которых происходит генерация АС (Firstov, 1994, Firstov, 1996; Фирстов, Филиппов, 1997).

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 (ВВ), поэтому «взрывные» вулканические процессы несколько отличаются от взрывов ВВ. Акустические сигналы этих двух классов в той или иной мере присущи всем типам извержений. Два других класса АС связаны с турбулентными процессами в эруптивых облаках вулканических извержений.

3. Показано, что акустические сигналы в атмосфере диапазона 1-10 Гц, возникающие при извержениях дисперсионного или барботирующего типа (наблюдения на вулкане Карымском, 1970 - 1973 гг.; Северном и Южном прорывах Большого трещинного Толбачинского извержения, 1975 - 1976 гг.; вершинном кратере вулкана Ключевского, 1978, 1984, 1986 1989 гг.; прорыве «Предсказанный» 1983 г.), различаются по форме записи и параметрам импульса давления. Различия в кинематических и динамических параметрах воздушных волн позволили впервые в практике вулканологических исследований выделить шесть типов АС, порожденных различными физическими процессами, происходящими в кратере вулкана при дегазации магмы, поступающей на дневную поверхность; часть АС можно отнести к слабым воздушным ударным волнам.

Частотные пики, наблюдаемые в спектрах акустических сигналов, зарегистрированных во время извержения вершинного кратера вулкана Ключевского в 1983 г., когда кратер представлял собой жерло диаметром более 300 м и глубиной ~ 200 м, хорошо объясняются набором резонансных частот res = (1/2; 1; 3/2; 5/2; 3; 7/2) 1, даваемых теорией нелинейных колебаний. В спектрах АС, зарегистрированных во время извержения побочного кратера Предсказанный, который представлял собой жерло, также отмечаются частоты, характерные для нелинейного резонанса.

Исследованы особенности распространения АС от вулканических взрывов в вершинном кратере в. Ключевского. Форма регистрируемого сигнала определяется стратификацией скорости звука в атмосфере на высотах источник – пункт приема. Показано, что амплитуда прямой волны АС в связи с ее большой длиной – 100-200 м мало зависит от стратификации, что позволяет наблюдать за динамикой распространения акустических волн без учета температурно-ветровой стратификации атмосферы.

На основе анализа волновых возмущений в атмосфере (аэродинамический шум, воздушные ударные волны) и сейсмических явлений, сопровождающих пульсирующее истечение газо-пепловой смеси из кратера вулкана Карымский при стромболианском типе извержений, предложена физическая модель автоколебательного процесса. В качестве генератора акустической колебательной системы рассматривается полость в верхней части магматического канала, которая формируется в результате выделения и скопления газа под «пробкой». Источником энергии автоколебаний системы служит газ, содержащийся в магматическом расплаве. Роль управляющего элемента и обратной связи выполняют волны сжатия и разрежения, возникающие в результате фрагментации некоторого объема магмы в верхней части магматической колонны. Модель позволяет объяснить наиболее существенные особенности регистрируемых акустических и сейсмических сигналов и рассчитать физические условия в полости в верхней части вулкана при процессе истечения газо-пепловой смеси.

По записям АС, зарегистрированных во время извержений стромболианского типа (барботирующий режим), оценено количество эксплозивного газа: Южного прорыва БТТИ, 1976 гг.; вершинного кратера Ключевского, 1988 г.; прорыва Предсказанный 1983 г. При этом всплывающий на поверхность маловязкой лавы пузырь, генерирующий слабые ВУВ, принимался неидеальным взрывным источником с малой плотностью энерговыделения. Весовое содержание эксплозивного газа для Южного Прорыва БТТИ, определенное по воздушным волнам, составило = 0.5%, что удовлетворительно согласуется со значением , полученным другими методами.

Для извержения вулкана Ключевского типична стромболианская активность, которая характеризуется выбросами отдельных обрывков лавы в результате разрушения всплывающих газовых «пузырей». При всплытии на поверхность лавы «пузыря» происходит разрушение его оболочки, сопровождающееся возникновением как импульсных АС, так и сейсмического сигнала за счет воздействия волны разгрузки на магматический столб в подводящем канале. Наблюдается группирование АС в кластерные квазипериодичности, что связано с возникновением «волн газосодержания».  

Для Большого трещинного Толбачинского извержения – 1975, 1976 гг. и извержений вулкана Ключевского в 1983, 1987, 1989 гг. характерны отрезки времени, когда АС возникают с квазипериодичностью 1-4 с. Для другой квазипериодичности характерный период составляет 60-80 с.

Квазипериодические акустические излучения разного периода указывают на автоколебательные процессы, возникающие на разных уровнях в магматическом канале. Высказано предположение, что квазипериодичность с периодом 1-4 с. возникает в результате автоколебательного процесса, в котором роль обратной связи выполняет волна разрежения, бегущая по магматическому каналу вниз до зоны «разрушающейся пены». Под воздействием волны разрежения происходит ускоренная дегазация и формирование нового пузыря. Квазипериодичность с периодом около минуты («волна газосодержания») связана с тем, что вновь поднявшемуся объему лавы необходимо время релаксации на новом уровне для выделения летучих и формирования зоны «разрушающейся пены».

Во время извержений вулкана Ключевского в 1983 г. одновременно зарегистрированы АС от побочного и вершинного кратеров. По форме записи и соотношению характерных частот АС на основе дистанционных наблюдений выделены периоды активизации того или иного кратера. При этом отмечено изменение частоты акустического дрожания от 2.5 до 5 Гц, которая предположительно связывается с колебанием уровня лавы в кратере побочного конуса.

4. Осуществлена регистрация аэродинамического шума при выпусках в атмосферу пароводяной смеси из скважин Мутновского месторождения парогидротерм (Камчатка) и выпусках пара на специальном стенде «Камчатскэнерго». Показано, что уровень звукового давления зависит от расхода ПВС, а спектральные характеристики аэродинамического шума при критическом истечении пароводяной смеси зависят от паросодержания. Исследования, проведенные на скважинах и стенде, показали возможность определения параметров пароводяной смеси на основе анализа спектрального состава аэродинамического шума струи. Разработанная методика может быть использована для оценки расхода мощных фумарол на действующих вулканах, что важно для оценки тепловой мощности вулканов, находящихся в состоянии покоя.

Результаты исследований волновых возмущений в атмосфере в широком диапазоне частот (1 - 2000 Гц), сопровождающих пульсирующее истечение пепло-газовой смеси из кратера андезитового вулкана Карымского показали, что в результате фрагментации вязкой магмы в верхней части магматического канала одновременно возникают воздушные волна и аэродинамический шум. Выброс в атмосферу значительного объема пепло-газовой смеси можно рассматривать как изменение производительности источника (монопольный тип источника), что порождает воздушную волну, а турбулентные пульсации в спутном потоке порождают монопольный источник аэродинамического шума. Начальный процесс фрагментации может происходить с разной скоростью, поэтому в случаях очень быстрой фрагментации лавы возникают слабые ударные воздушные волны. Существенные различия в скорости фрагментации магмы зависят от многих параметров процесса извержения: расхода и вязкости магмы, весового содержания летучих, химического состава растворенных в магме газов.

Обработка результатов регистрации импульсных инфразвуковых сигналов и аэродинамического шума во время извержений стромболианского типа при терминальных извержениях вулкана Ключевского позволила рассчитать зависимости интенсивности и длительности АШ от амплитуды избыточного давления в фазе сжатия АС. Наиболее правдоподобным объяснением этого эффекта является то, что в этом случае формируется снарядный режим течения двухфазной смеси; силикатный расплав – газ. При этом если снаряд занимает все сечение канала, как показано в экспериментальной работе (Ozerov, 2009), то за крупными газовыми снарядами, занимающими все сечение канала, возникает шлейф мелких пузырей. При выходе снаряда на «дневную» поверхность за счет избыточного давления в нем генерируется воздушная волна и образуется полость, в которой происходит декомпрессия. Это приводит к коалесценции шлейфа мелких пузырей, следующих за газовым снарядом, и к фрагментации верхнего слоя магмы с образованием пепло-газовой струи – источника аэродинамического шума.

    1. Во время эксплозивных извержений вулкана Безымянного регистрируются акустические сигналы двух разновидностей: импульсные, связанные с отдельными эксплозиями, и непрерывные инфразвуковые колебания, обусловленные формированием восходящей конвективной колонки нагретых продуктов в момент движения и развития пирокластических потоков.

Импульсные сигналы, зарегистрированные во время извержений вулкана Безымянного, имеют низкочастотную составляющую с частотой 0.25 - 0.6 Гц, на которую накладываются более высокочастотные колебания с f = 1 – 5 Гц. Наличие двух характерных частот в спектрах акустических сигналов вулкана Безымянного резко отличает их от сигналов, зарегистрированных во время извержений вулканского и стромболианского типов.

Генерация импульсных АС при извержениях вулкана Безымянного происходит во время разрушения отдельных блоков экструзивного купола в результате фрагментации очень вязкой газированной магмы волной дробления. Процесс дробления происходит волной дробления пульсационно, когда в течение двух– трех секунд разрушается некоторый объем и возникает высокоскоростная струя, за счет чего в атмосфере формируется низкочастотная составляющая, на которую накладывается более высокочастотная составляющая, отражающая пульсации распространения волны дробления.

Колебания инфразвукового диапазона длительностью несколько десятков секунд с характерной частотой f = 0.3 - 1 Гц генерируются крупномасштабными пульсациями в конвективной колонке, возникающей в атмосфере в результате тепловыделения с поверхности отложений ПП. Частота этих сигналов связана с мощностью процесса и может служить контрольным параметром с целью мониторинга хода извержения.

На основании сейсмических и акустических данных рассмотрена кинетика извержения вулкана в 1985 г. Выделено 16 пар взаимосвязанных сейсмических и акустических сигналов, которые возникали во время извержения пирокластических потоков. Для 11 случаев получена эмпирическая зависимость, которая позволила получить соотношение между мощностями сейсмического и акустического источников lgP, Па = 0.59lgA, мкм - 0.52. Исследуя отклонение от полученной эмпирической зависимости данных для отдельных ПП установлено, что сигналы № 4, 5 связаны с образованием пеплоглыбовых ПП, отложения которых были хорошо изучены после извержения, а фаза «направленного взрыва» может быть отнесена к событию № 12. Наиболее интенсивный сейсмический сигнал зарегистрирован для извержения ювенильного ПП № 14.

Во время достаточно сильных эксплозивных извержениях волновые возмущения в атмосфере могут регистрироваться на достаточно больших расстояниях. При этом за счет стратификации атмосферы происходит формирование цуга колебаний, формирование которого происходит не только за счет взрывного процесса, но и за счет турбулентных пульсаций эруптивного облака. Зарегистрированные в дальней зоне интенсивные сейсмические и акустические сигналы, сопровождающие мощные эксплозии вулкана Карымского в 1971 г., позволили получить энергетические оценки и реконструировать динамику начальной фазы извержения. Акустические сигналы, сопровождающие начало извержения этого вулкана в 1996 г., дали возможность установить время начала извержения и показали, что извержение началось из двух центров (вершинный кратер и озеро Карымское) почти одновременно.

Впервые в мировой практике исследований удалось зарегистрировать инфразвуковой акустический сигнал (воздушную волну) с частотой 0.5 – 4 Гц, возникающий при сходе снежных лавин, которые, так же как и пирокластические потоки, относятся к классу гравитационных потоков. Мощность акустического источника составляла примерно 10.4 Вт для лавин объемом 8.104 м3. Проведенный эксперимент показал перспективность сейсмоакустического метода для дистанционного мониторинга схода лавин. Соотношения интенсивностей сигналов, сопоставление характера изменения во времени их огибающих, запаздывания возмущений в разнотипных сигналах, данные синхронной фото - киносъемки движения лавин могут быть использованы как источники информации о физических процессах, сопровождающих движения лавин.

6. Анализ последовательности и энергетического соотношения между отдельными стадиями – основная задача при изучении извержений типа «направленный взрыв», а данные о волновых возмущениях в атмосфере, наряду с сейсмическими эффектами, являются основой для реконструкции динамики подобных извержений. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие во время сильных катастрофических извержений, несут информацию о динамике извержения и количестве пепла, выброшенного в атмосферу.

Для всех трех извержений типа «направленный взрыв» (Безымянный, 1956; Шивелуч, 1964; Сент-Хеленс, 1980) внедрение магмы привело к большим деформациям постройки, что привело к землетрясениям с М = 5.1 - 5.2 на глубине 1.5-2.0 км, а затем к потере устойчивости склона с последующим секторным обвалом. На основе анализа уникальных записей волновых возмущений в атмосфере и колебаний грунта, сопровождавших извержение типа «направленный взрыв» вулкана Шивелуч в ноябре 1964 г., выполнена реконструкция этого извержения. На основании акустических наблюдений было установлено, что обвал произошел за ~ 13 минут до начала плинианской стадии извержения. Обвал в этом случае не создал резкую декомпрессию, т.к. внедрившаяся порция магмы, о чем можно с большой уверенностью говорить на основании сейсмических и акустических данных, залегала на большей глубине по сравнению с извержениями вулканов Безымянный и Сент-Хеленс.

На основе изучения извержений с секторным отложением материала типа «направленный взрыв» показано, что они имеют обобщенный сценарий (Фирстов, 1996), но в зависимости от ряда причин далеко не все стадии сценария имеют место во время извержения того или иного вулкана, а энергетическое соотношение между стадиями определяется многим

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 ||
 





 
© 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.