Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Мясников Андрей Владимирович
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ СТРУКТУР ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЛИТОСФЕРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ БАКСАНСКИМ ЛАЗЕРНЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ
25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Московском государственном университете им.
М.В.Ломоносова, Государственном Астрономическом институте им. П.К. Штернберга Научный доктор физико-математических наук руководитель: Милюков Вадим Константинович, Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: Собисевич Алексей Леонидович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Института физики Земли им.
О.Ю.Шмидта РАН, заведующий лабораторией Прикладной физики и вулканологии кандидат физико-математических наук Старовойт Олег Евгеньевич Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизическая служба РАН (ГС РАН), Зам. директора по научной работе Ведущая Федеральное государственное бюджетное организация: учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН)
Защита состоится __________2012 года на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН по адресу: 123995, ГСП-5, Москва Д-242, Б.Грузинская ул., 10, стр. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН.
Автореферат разослан ____________ 2012 г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Вулкан Эльбрус расположен на северном склоне Главного Кавказского хребта центральной части Большого Кавказа и соединен с ним горной перемычкой Хотютау [Авдулов, 1994]. Современные геологические исследования, в частности, радиоуглеродного датирование продуктов его извержений, показывают, что такие извержения происходили многократно и в течение длительного времени (около миллиона лет) [Чернышев, 2001]. Эльбрус относится к классу полигенных стратовулканов центрального типа, которые, как правило, распространены над зонами субдукции или конвергентными границами тектонических плит.
Актуальность темы Для проведения прогнозной оценки возможной активности вулкана Эльбрус необходимо выяснить состояние и динамику вулканических магматических структур. Особенно важно оценить размер и глубину залегания этих образований и решить вопрос о возможном возобновлении активности Эльбруса. Составленные карты хронологии вулканических циклов и различных этапов практически совпадает у разных групп исследователей [Богатиков О.А., Гурбанов А.Г., Мелекесцев И.В. и др., 1999]. О геометрических параметрах внутренней структуры вулкана до сих пор не существует единого мнения и оценки сильно разнятся. Кроме того, в настоящее время нет ни крупномасштабной исследовательской программы по непрерывному мониторингу внутреннего состояния вулканической структуры, что является самым важным моментом в прогнозе вулканической активности, и, в конечном итоге, извержения, которое для данного типа вулкана будет иметь эксплозивный характер.
Отсутствуют разработки, которые учитывают резонансные особенности неоднородных структур вулканической постройки. Исследования, связанные с изучением резонансных особенностей магматического очага и магматической камеры могут быть использованы для определения свойств и состояния внутренних структур вулкана.
Территория Северного Кавказа - это территория с высокой плотностью населения и интенсивным развитием хозяйственной деятельности. Кроме известных факторов катастрофических последствий вероятного извержения, таких как лавовые и пирокластические потоки, угрожающие непосредственно прилегающим территориям, Эльбрус обладает самой крупной гляциологической системой Кавказа, состоящей из 25 ледников. Суммарная физическая поверхность всех ледников с учетом снежно-ледового покрова вершин Эльбруса составляет 139 кв. км, а суммарный объем льда оценивается в 6 куб. км. Наличие обширного снежно-ледового покрова делает вулкан Эльбрус еще более опасным, так как в случае извержений обязательно возникнет катастрофическая ситуация, связанная с быстрым разрушением и таянием ледников. Это приведет к возникновению лахаров и крупномасштабных наводнений в регионе. Причем в момент извержения в горных ущельях потоки воды до нескольких десятков метров. Таким образом, опасности подвергается не только населенные пункты непосредственно расположенные в Приэльбрусье, а практически весь Северный Кавказ в целом, особенно территории в долинах рек Баксан, Кубань и Малка.
Поэтому задача мониторинга состояния внутренних структур вулкана Эльбрус является весьма актуальной, не только с фундаментальной, но и с народнохозяйственной точки зрения. Данная работа может рассматриваться как вклад в понимание внутренней структуры вулканов центрального типа, их внутренних процессов и прогноза извержений.
Цель работы На территории Северного Кавказа, в 20 км от вулкана Эльбрус, создана уникальная геофизическая лаборатория ГАИШ МГУ. С помощью длиннобазового лазерного интерферометра-деформографа, расположенного в штольне Баксанской Нейтринной обсерватории, ведется непрерывный мониторинг движения земной коры с 1998 года.
Основанная цель диссертационной работы - изучение состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций в районе вулканической постройки. В рамках этой цели были поставлены следующие задачи:
Х Разработка методики выявления собственных колебаний резонансных структур, возбужденных воздействием сейсмической волны.
Определение геометрических и физико-механических параметров магматической камеры Эльбруса на основе разработанных моделей магматических структур вулканов.
Х Оценка состояния магматических структур вулкана Эльбрус, которая должна строиться по изучению спектров мод литосферных деформаций в районе вулканической постройки, возбужденных сильными землетрясениями. Непрерывный мониторинг состояния вулкана по наблюдению изменения добротности резонансных мод магматической камеры.
Х Анализ влияния метеорологических факторов, таких как атмосферное давление и температура, на измерения деформации литосферы, выработка алгоритма по снижению этих факторов.
Научная новизна 1. Впервые разработана методика выявления параметров резонансных региональных мод, переизлученных резонансной структурой. Методика применена для оценки резонансных характеристик собственных колебаний магматических структур вулкана Эльбрус.
2. Проведен спектральный анализ литосферных деформаций, возбужденных удаленными землетрясениями с магнитудами Mw 4.5 - 9.1, за более чем 7-летний период наблюдений. В результате этого анализа в спектрах литосферных деформаций c помощью резонансного метода выявлены региональные резонансные моды, относящиеся к магматическим структурам вулкана Эльбрус. Получены оценки характерного размера, глубины залегания, состава магматических флюидов близповерхностной магматической камеры вулкана Эльбрус.
3. На основе семилнтних наблюдений показана динамика изменения физико-механических свойств внутренней среды магматической камеры по оценке изменения добротности основных мод спектров от 340 землетрясений. Данный факт свидетельствует о продолжающихся до настоящего времени экзогенных процессах в глубинных слоях вулкана.
4. Разработан новый адаптивный многопараметрический алгоритм компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром, входными параметрами которого служат измеренные значения атмосферного давления, а также температуры в трех различных узлах прибора.
5. Исследовано влияние метеорологических возмущений на измерение литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения в БНО ИЯИ РАН. Показано, что разработанный алгоритм компенсации обеспечивает достаточно эффективное подавление метеорологических возмущений в измеренных литосферных деформациях.
Защищаемые положения 1. Разработан математический и алгоритмический аппарат программной части установки Баксанского лазерного интерферометрадеформографа. Программная часть реализована в виде вычислительного комплекса, позволяющего производить контроль качества поступающей информации, предварительную обработку и последующий анализ данных.
2. Разработан математический аппарат адаптивной компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций. Изучен механизм влияния метеорологических возмущений на измерения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения.
3. С помощью авторского пакета программ выявлены резонансные моды магматической камеры вулкана Эльбрус, на основе семилетнего ряда наблюдений. Получены оценки геометрических параметров близповерхностной магматической камеры в структуре Эльбрусского вулканического центра, которые согласуются с полученными ранее результатами [Богатиков и др.,2001; Милюков, 2006].
4. Обнаружена динамика изменения добротности резонансных мод близповерхностной магматической камеры вулкана Эльбрус на 7-ем интервале непрерывных наблюдений.
ичный вклад автора 1. Создан прикладной пакет программного обеспечения GLOBAL, для контроля качества поступающей информации и последующего анализа данных, как составной части (software) Баксанского интерферометрадеформографа. Пакет GLOBAL позволяет выполнять первичную обработку информации. Встроенные наборы цифровых фильтров и процедуры спектрального анализа дают возможность выполнять в рамках данной программы практически весь аналитический объем диссертационной работы.
2. Анализ влияния термоупругих и барических процессов на измерения литосферной деформации Баксанским лазерным интерферометром в суточном и годовом диапазонах. Автором разработан адаптивный компенсатор метрологических возмущений.
3. На основе анализа распределения глубин очагов землетрясений, выявил существование сейсмофокальной наклонной плоскости, что может указывать, в свою очередь, на наличие слэба или реликтового остатка субдукции на Кавказе.
4. Анализ литосферных деформаций вызванных сейсмическими событиями, произошедшими за семилетний период наблюдений и зарегистрированными Баксанским интерферометром-деформографом.
5. Практическое применение резонансного метода и обнаружение в сверхнизком диапазоне собственных мод, которые относятся к внутренней структуре вулкана Эльбрус. Выявлено устойчивое уменьшение добротности магматической камеры как акустического резонатора и доказательство практической возможности мониторинга внутреннего состояния вулкана.
6. В течение более чем 20 лет автор принимал активное участие в работе коллектива по созданию Баксанского лазерного интерферометрического комплекса, обеспечению его работы в режиме долговременных наблюдений.
Практическая значимость Полигенный стратовулкан Эльбрус находится в густонаселенном районе Северного Кавказа. Возобновление его эруптивной деятельности может привести к огромным человеческим жертвам и хозяйственной катастрофе. Изучение состояния и динамики магматических структур вулкана Эльбруса является, в связи последним обстоятельством, важной и актуальной задачей.
Предлагаемый резонансный метод и разработанная методика оценки параметров магматических образований вулкана позволяют осуществить непрерывный мониторинг состояния близповерхностой магматической камеры. Данная методика может быть применима и к другим вулканам центрального типа.
Основное содержание диссертации изложено в работах 1 Буклерский А.В., Карт А.М., Клячко Б.С., Мележников И.В., Милюков В.К., Мясников А.В., Нестеров В.В., Руденко В.Н. Баксанский лазерный интерферометр // Измерительная техника. 1995. № 10. С. 5.
2 Milyukov V.K., Rudenko V.N., Klyachko B.S., Kart A.M., Myasnikov A.V.
Wide-Band Laser Inerferometer for Monitoring the Earth Strains. In: Solid State Lasers (Laser OpticsТ 98). Proceedings of the International Society for Optical Engineering (SPIE), 1998, V. 368, p.116-121.
3 Милюков В.К., Руденко В.Н., Клячко Б.С., Карт А.М., Мясников А.В.
Широкополосный лазерный интерферометр для мониторинга деформаций Земли. Известия Aкадемии наук, серия Физическая, 1999, т. 63, № 6, с.1192-1197.
4 Vadim Milyukov, Alexandra Kozyreva, Boris Klyachko and Andrey Myasnikov. Geophisical Applications of Laser Interferomters: Long-Term Monitoring Crustal Deformations // In: Proceedings of 28th International Cosmic Ray Conference (ICRC2003), Tsukubo, Japan, 2003, pp 3157- 3160.
5 В.К. Милюков, А.В.Козырева, Клячко Б.С., Мясников А.В.
Собственные колебания Земли.// в кн: "Современные методы геологогеофизического мониторинга природных процессов на территории Кабардино-Балкарии". Нальчик, 2003, с. 189-199. (Russian) 6 В. К. Милюков, Б. С. Клячко, А. В. Мясников, Стриганов П.С., Янин А.Ф., Власов А.Н. Лазерный интерферометрЦдеформограф для мониторинга движений земной коры. // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 87-103.
7 Милюков В. К., Мясников А.В. Метрологические характеристики Баксанского лазерного интерферометра // Измерительная техника. 2005.
№ 12. С. 26-30.
8 Милюков В.К., Мясников А.В. Компенсация термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром // Измерительная техника.
2006. № 2. С. 32-35.
9 В. К. Милюков, А.В. Копаев, А.В. Лагуткина, А.П. Миронов, А.В.
Мясников. Наблюдения приливных деформаций земной коры в Приэльбрусье. // Физика Земли, 2007, No. 11, С. 21Ц29.
10 Vadim Milyukov, Alexander Kopaev, Anna Lagutkina, Alexey Mironov, Andrey Myasnikov. Observation of Luni-Solar Tides by the Long Base Laser Interferometer // Progress of Theoretical Phys. Suppl. No. 172 (2008) pp. 165-168.
11 Vadim Milyukov, Andrey Myasnikov and Alexey Mironov. Monitoring the State of the Magmatic Structures of Elbrus Volcano Based on Observation of Lithosphere Strains // in: Nonlinear Acoustics- Fundamentals and Applications. AIP Conference Proceedings, 1022, New York, 2008, pp. 405408.
12 Vadim K. Milyukov, Alexander V. Kopaev, Anna V. Lagutkina, Alexey P.
Mironov, Andrey V. Myasnikov, Observation of tidal deformations in a tectonically active region of the Northern Caucasus // Marees Terrestres Bulletin d'Informations, no.145 (2009), 11729-11740.
13 V. Milyukov, A. Kopaev, V. Zharov, A. Mironov, A. Myasnikov, M.
Kaufman, D. Duev. Monitoring crustal deformations in the Northern Caucasus using a high precision long base laser strainmeter and the GPS/GLONASS network. // J.Geodyn. 49 (2010) 216Ц214 В.К. Милюков, А.В. Мясников. Долговременные наблюдения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром в условиях подземного размещения. //Измерительная техника. 2012. № 1.
С. 32-35.
15 В.К. Милюков, А.В. Мясников. Влияние термоупругих и барических процессов на измерения литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром. // Измерительная техника. 2012.(в печати) Апробация результатов Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях:
Х Международной конференции "Laser Optics" (С-Петербург, 1998);
Х Международной конференции по космическим лучам ICRC-20(Япония, Тсукубо 2003);
Х Генеральных ассамблеях Европейского союза наук о Земле EGU (Австрия, Вена 2005, 2006, 2008, 2009, 2011).
Х Сагитовских чтениях ГАИШ (Москва 2005, 2007,2009);
Х Международной конференции по гравитации, астрофизике и космологи ICGA8 (Япония, Нара, 2007);
Х Ломоносовских чтениях МГУ (Москва, 2007) Х Международной конференции по земным приливам ETS-20(Германия, Йена, 2008).
Х Международном симпозиуме по нелинейной акустике ISNA_20(Швеция, Стокгольм, 2008).
Х Всероссийской научной конференции Природные процессы, геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа (Кабардино-Балкария, 2009, 2010).
Х Международной сейсмологической школе Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных (Владикавказ, 2010) Х V Всероссийский Симпозиум по вулканологии и палеовулканологии.
Екатеринбург, 21-25 ноября 2011г. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2011.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 156 страниц, в ней содержится 52 рисунка, 16 таблиц, список цитируемой литературы включает в себя 88 наименований.
Благодарности Долговременный мониторинг и запись литосферной деформации, на основании которой выполнена данная работа, осуществляется в условиях глубокого подземного размещения. Семилетняя непрерывная запись деформации, уже, является большим достижением, что невозможно представить без участия сотрудников подземной лаборатории лазерной интерферометрии.
Автор глубоко благодарен всем сотрудникам Баксанской станции и лаборатории лазерной интерферометрии: П.С.Стриганову и А.Ф.Янину.
Особую благодарность автор выражает Н.А.Перелыгину за тяжелый и каждодневный (без выходных) труд по обеспечению режимных непрерывных наблюдений на Баксанском лазерном интерферометредеформографе.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении даны основные понятия о внутренней структуре стратовулканов центрального типа. Дается описание геологических особенностей вулкана Эльбрус и внешнее описание его кратеров.
Проводится исторический анализ эруптивной деятельности с оценкой возрастов предыдущих извержений геохронологическими методами [Богатиков и др., 1999] Имеются все основания полагать, что Эльбрус находится в непосредственной фазе очередного извержения [Уткин и др., 2009]. Вводится понятие резонансной структуры, относящейся к магматическому очагу и магматической камере Эльбруса [Собисевич и др., 2001], на основе которого будет развиваться резонансный метод оценки параметров внутренней структуры.
В первой главе приводится функциональная схема и расположение Баксанского лазерного интерферометра-деформографа (Рис.1), на базе которого были выполнены все наблюдения литосферной деформации за семилетний период (2004-2010 гг.) и дальнейшая апробация резонансного метода в условиях Эльбруского вулканического центра. Дано описание механической части интерферометра, вакуумной системы откачки и условий эксплуатации в подземных условиях штольни.
Приводятся оптическая схема прибора и характеристики частотностабилизированного He-Ne лазера ЛГН-303. Описывается система регистрации и принцип программного обеспечения автоматизированного сбора данных.
Рис. 1. Механическая и вакуумные системы Баксанского лазерного интерферометра. 1 - He-Ne лазер; 2 - телескопическая система; 3, 4, - сильфоны; 6, 7 - вакуумные камеры; 8 - невакуумированный светопровод; 9 - диафрагма. Т1, Т2 и Т3 - датчики температуры; Р - датчик давления Сбор данных ведется по 4 каналам, соответствующих разным частотным диапазонам:
1. Низкочастотный канал (геофизический) 2. 1-й высокочастотный канал (сейсмоакустический) 3. 2-й высокочастотный канал (сейсмический) 4. Канал тремор Предусмотрены еще три служебных канала:
1. Температура (в 3 разнесенных точках) 2. Давление внутри системы (степень вакуума) 3. Атмосферное давление Приводится описание программы GLOBAL и некоторых ее основных опций, которые позволяют просматривать данные, поступающие с интерферометра, редактировать данные в интерактивном режиме и проводить предварительный их анализ (цифровая фильтрация, спектральный анализ), т.е. осуществлять контроль качества поступающей информации.
Выполнена оценка пороговой чувствительности Баксанского лазерного интерферометра.
Формулируются основные научные задачи, которые могут решаться на основе режимных широкополосных деформографических наблюдений данного прибора.
Выводы к главе 1.
1. Создан программный пакет GLOBAL, входящий в аппаратурнопрограммный комплекс Баксанского лазерного интерферометрадеформографа и обеспечивающий контроль качества поступающей информации, предварительную обработку и последующий анализ данных. Программа позволяет в интерактивном режиме редактировать бинарные файлы, фильтровать в разных частотных диапазонах и производить спектральный анализ, строить теоретический солнечнолунный прилив на фоне поступающей записи литосферной деформации.
2. Обеспечен режим долговременных наблюдений литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром-деформографом.
По техническим характеристикам (неравноплечий интерферометр Майкельсона с измерительным плечом порядка 100 м, разрешающей способностью порядка 10-13 стрейн) и способу размещения (подземный туннель нейтринной обсерватории) инструмент относится к лучшим лазерным интерферометрам-деформографам, работающим в настоящее время в мире.
Вторая глава посвящена исследованию термоупругих свойств интерферометра-деформографа с учетом активной системы вентиляции штольни.
Запись литосферной деформации (Рис. 2) существенно осложнена двумя факторами: вариациями температуры и атмосферного давления.
Отклик интерферометра как механической системы на изменения температуры происходит по двум "каналам" с разной температурной динамикой [Милюков, Мясников, 2006].
Рис. 2. Результаты наблюдений деформации литосферы (НЧ канал Баксанского лазерного интерферометра) за период с ноября 2004 г. по декабрь 2011 г. Запись осложнена влиянием вариации годовой температуры.
Термоупругим деформациям, с одной стороны, подвергается 75метровый светопровод с включенными в систему тремя сильфонами и вакуумные камеры (инструментальная деформация), а с другой стороны, - скальная порода и жестко связанные с ней бетонные фундаменты (деформация геофизической среды). Суточные и годовые вариации температуры в разной степени проникают к элементам этой сложной системы. Следует отметить, что суточные изменения температуры передаются только по первому каналу.
В первой части 2 главы изучено влияние суточных вариаций температуры и давления. Спектр температуры и давления характеризуются двумя максимумами, приходящимися на 24 и 12 часов. Причем было выяснено, что 12-ти часовой максимум температуры является следствием активной системы вентиляции штольни.
Рис.3. Амплитудные спектры вариаций деформаций (вверху) и температуры (внизу) в суточном диапазоне частот. Основные моды соответствуют суточным волнам лунно-солнечного прилива.
На Рис. 3 показан спектр деформации в суточном диапазоне (27-23 h).
В спектре выделены составляющие солнечно-лунного прилива в этом диапазоне (где Q1, O1, M1, P1, S1, K1 _- приливные волны в суточном диапазоне [Мельхиор, 1968]). Оказалась существенно искаженной волна S1, которая совпадает с основной (центральная спектральная линия на Рис.
3) суточной волной температуры (24 h). Кроме того, суточная волна температуры имеет сезонную модуляцию (в теплое время года амплитуда суточной волны увеличивается), что привело к появлению боковых линий в спектре (Рис. 3, внизу). Эти боковые линии в точности совпадают с приливными волнами P1, K1, и таким образом вариация суточной температуры оказывает возмущения и на эти составляющие. Подобный анализ был проведен относительно полусуточной составляющей вариации температуры и, было выявлено ее влияние на приливные волны в этом диапазоне: T2, S2, R2, K2 [Мельхиор, 1968].
В годовом диапазоне обнаружена ярко выраженная нелинейная зависимость деформации от температуры. По-видимому, это в первую очередь связано с тем, что сезонное изменение знака градиента окружающей температуры не приводит к немедленному изменению знака градиента температуры углубленных бетонных фундаментов (и тем более, коренных пород), задержка по времени может достигать 1-2 месяцев.
Разработан адаптивный многопараметрический алгоритм компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром.
Показано, что разработанный адаптивный компенсатор достаточно эффективно подавляет метеорологические возмущения в измеренных литосферных деформациях.
Выводы к главе 1. Исследовано влияние термоупругих и барических процессов на измерения литосферных деформаций в условиях подземного размещения Лазерного интерферометра деформографа в штольне с принудительной вентиляцией.
2. Разработан адаптивный многопараметрический алгоритм компенсации термоупругих и барических процессов в измерениях литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром.
В третьей главе вводятся принципы резонансного метода выявления и контроля состояния магматических структур спящих вулканов. Идея метода состоит в следующем. При воздействии внешнего, достаточно мощного широкополосного сейсмического сигнала на магматическую полость, имеющую, как правило, сложную форму, и играющую роль резонатора, может генерироваться целый спектр низкочастотных гармоник вторичных сейсмических волн двух типов: отраженных от границы раздела резонатора и окружающей геофизической среды, и излученные резонатором (фактически, это волны, выделенные резонатором из падающего сигнала на характерных собственных частотах). Самой энергетически насыщенной будет первая гармоника, определяемая наибольшим геометрическим поперечным размером полости.
Акустические свойства магматической жидкости определяют добротность резонансных мод, практически не меняя самих резонансных частот. Таким образом, наблюдая "отклик" резонансных магматических структур на сейсмическое воздействие от далеких и сильных землетрясений, можно определять как характерные геометрические размеры, так и физикомеханические свойства вулканических резонансных систем, включая акустические свойства магматической жидкости, заполняющей их.
Рассматриваются две модели магматической камеры: сферическая модель [Fujita,1995] и в виде тектонически ослабленной зоны - "трещины", наполненной текучим магматическим веществом (fluid-filled crack model) [Kumagai, 2000]. Для предварительных оценок физикомеханических параметров магматической камеры привлекаются геологические данные анализа образцов вулканитов последнего извержения вулкана. Для рассматриваемых давлений 0,5 - 4 кбар, и значений объемной компоненты газа 30-70%, добротность мод магматического резонатора [Милюков 2006] находится в диапазоне от 1до 500 единиц. Оценка скорости звука дает величину 180-270 м/с.
Принимая во внимание результаты других методов и геологические данные, было принято решение выбрать частотный диапазон для поиска резонансных мод в интервале 0.01-0.07 Гц (150 - 10 сек).
Изложена методика оценивания параметров основных спектральных мод. Реальная запись землетрясения всегда осложнена шумами различного происхождения: сейсмическими, инструментальными и пр. Кроме того, само землетрясение является, как правило, сложным событием, имеющим широкополосный спектр. Для успешного применения резонансного метода разработана специальная процедура, основанная на методе максимального правдоподобия, для определения резонансной частоты и оценки добротности моды вторичного сигнала.
Реакция распределенной системы на внешнее широкополосное возбуждение представляет собой линейную суперпозицию квазигармонических колебаний, относящихся к отдельным модам. В одночастотном приближении спектральная плотность отдельной возбужденной моды в случае импульсного воздействия на резонансную систему имеет вид лоренцевского контура:
NS () = N0 2, (1) + ( - )N = max N () где - максимальное значение спектральной плотности 0 S моды, - резонансная частота, - полуширина спектральной линии.
Таким образом, на основе метода наименьших квадратов определяются значения параметров N0, , , дающие максимально точное приближение лоренцевского спектрального контура (1) к наблюденной резонансной полосе.
Для тестирования методики оценивания основных резонансных параметров была разработана модель геофизического сигнала в виде суммы затухающего гармонического сигнала (вторичный сигнал) и аддитивной помехи. В качестве помехи использовалась реальная запись интерферометра с удаленными составляющими температуры и лунносолнечного прилива. Задавая на входе модели сигнал с известными резонансными параметрами и делая оценки параметров полученной аддитивной смеси по приведенной выше методике, была дана оценка данного метода.
Выводы к главе 3.
1. Разработана методика оценки добротности резонансной моды на основе метода максимального правдоподобия.
2. Проведено статистическое испытание метода максимального правдоподобия. Уверенно определяется период (несущая частота) сигнала на любом произвольно выбранном сейсмическом фоне. Ошибка оценки добротности для разных вариантов моделирования находилась в интервале [- 15%: +7%] от заданного значения добротности на входе модели.
В четвертой главе приводятся результаты применения резонансного метода для определения параметров внутренней структуры вулкана Эльбрус по данным записи Баксанского лазерного интерферометрадеформографа.
Раздел 4.1 посвящен геодинамической обстановке сложившейся на Северном Кавказе в целом [Хаин и др., 2010]. С позиции геотектоники, Кавказ входит в Альпийско-Гималайский сейсмический пояс, который простирается от западного Средиземноморья до Восточной Азии, расширяясь в этом направлении, сливаясь с Тихоокеанским поясом, и представляет собой мозаику литосферных микроплит. По современным представлениям между Аравийской и Евразийской плитами имеется по крайне мере две промежуточных плиты; Иранская и Закавказская. Был проведен анализ распределения гипоцентров с 2000 по 2010 годы и выявлена наклонная сейсмофокальная плоскость, что можно интерпретировать как остаточный субдукционный процесс на Северном Кавказе. Что в свою очередь указывает на определенный тип вулканизма в этом регионе.
В разделе 4.2 дается классификация всех сейсмических событий вошедших в обработку. Приведена карта распределения эпицентров этих землетрясений. В качестве иллюстрации работы цифрового фильтра (ИКОфильтр) и спектрального анализа, которые будут использоваться для поиска собственных колебаний магматической камеры (программа Global), построен спектр собственных колебаний Земли (СКЗ) после чилийского землетрясения 27.02.2010 г по записи литосферной деформации Баксанским интерферометром. Как видно (см. Рис. 4), все выделенные моды в спектре соответствуют своим теоретическим значениям (серые вертикальные линии [Gilbert, 1975]).
Рис 4. Спектр СКЗ вызванных Чилийским землетрясением 27.02.2010 г.
Магнитуда 8.84. Вертикальные линии (0S8\0T8 - S25\0T25) - теоретические значения сфероидальных и торсионных мод СКЗ в диапазоне 4-12 минут (модель 1066А, [Gilbert, 1975]) Раздел 4.3 посвящен выделению т.н. семейств резонансных мод на базе спектрального анализа всех сейсмических событий. Методика основана на том предположении, что резонансные моды, переизлученные региональными резонансными структурами, будут повторяться после каждого землетрясения, в одних и тех же узких интервалах (1 сек) периодов и образовывать устойчивые группы (лсемейства). Таким образом, вводится понятие повторяемость. Резонансные пики, которые не попали в эти группы, являются случайными.
Для этой цели, с помощью специально созданной процедуры (входящей в программный пакет GLOBAL), производилось автоматическое распознавание и сканирование всех возможных резонансных мод в полосе 10-150 секунд, что возникали после всех зарегистрированных землетрясений (2004 - 2011гг.).
Рис 5. Результат статистического распределения повторяемости резонансных мод на интервале периодов 10-150 cек В результате последней операции был получен ряд из 14 тыс.
значений частот, предполагаемых в качестве резонансных. Статистическое распределение позволило весь исследуемый интервал периодов 10-150 сек разбить на пять отдельных диапазонов (рис.5), каждый из которых имеет определенный вид повторяемости резонансных мод.
I Диапазон 70 - 150 сек. Обнаружены резонансные моды, но не удалось выделить устойчивые семейства.
II Диапазон 55 - 70 сек. В этом интервален было выделено в общей сложности 10 семейств резонансных мод. Низкочастотная мода 1 (см.
Рис. 2) была исключена из рассмотрения в силу низкой повторяемости (40%) и низкой оценки средней добротности (179 ед.).
Таким образом, самая интенсивная из низкочастотных мод - мода № 2 (см. рис.6).. Период этой моды 67,9 сек, повторяемость 88%.
Были сделаны оценки периодов и добротности этих мод, и определены их среднеквадратические отклонения (СКО) (см. таблица 1).
Так оценка добротности моды №2 составила 237 единиц. Именно в этом диапазоне обнаружены резонансные моды, соответствующие собственным частотам магматической камеры Эльбруса.
Рис. 6. Гистограмма повторяемости резонансных мод всех рассматриваемых событий в диапазоне периодов 72 -55 сек. Цифрами обозначены номера наиболее часто повторяемых мод, в дальнейшем рассматриваемые как резонансные.
Таблица 1. Общий результат статистического анализа сейсмических событий.
Региональные моды 2 3 4 5 6 7 8 9 Период,сек 67.9 66.5 65.3 64.2 63.1 62.0 60.9 59.6 56.СКО(мода),с 0.12 0.11 0.22 0.26 0.19 0.29 0.24 0.19 0.Повторяе- 0.88 0.78 0.46 0.57 0.42 0.69 0.29 0.57 0.мость Добротность 237 247 246 264 240 252 269 282 2СКО(добротн) 47 46 50 43 33 50 45 63 III Диапазон 22 -55 сек. Резонансных мод практически не обнаружено IV Диапазон 14-22 сек. Имеет явно выраженный резонансный характер. Обнаружено множество резонансных мод, но с очень низкой статистикой повторяемости. Тем не менее, высокая добротность этих мод (600-800 ед) позволяет предположить существование газового пузыря в магматическом расплаве. Учитывая, что газ находится в среде с очень низкой скоростью продольной волны (расплав), диаметр этой газовой полости можно оценить 2000-4000м.
V Диапазон 10-14 сек. Отсутствие резонансных мод.
Отдельно был выполнен анализ сейсмических событий из т.н.
ближней зоны (расстояние до эпицентра землетрясения не превышает 1500 км). В данном случае преследовалась вполне определенная цель:
выявить устойчивые семейства резонансных мод, возбужденных землетрясениями умеренной магнитуды (Mw~6), которые заведомо не способны вызвать собственные колебания Земли.
Полученные спектры нормировались по амплитуде максимальной моды в конкретном спектре и затем были просуммированы. В результате, был построен суммарный спектр, изображенный на рис 7. Это позволило выявить три устойчивые моды - 2, 3, 7 (согласно ранее введенной нумерации на рис.6), которые соответствуют только региональным резонансным структурам.
Рис. 7. Наиболее интенсивные резонансные региональные моды, возбужденные всеми рассмотренными умеренными землетрясениями в 1500-км зоне вокруг вулкана Эльбрус. Спектр получен усреднением по ансамблю всех нормированных спектров.
Таким образом, была вновь выделена мода с периодом 67.секунды. Рассматривая эту выделенную резонансную моду как самую низкочастотную, была вычислена оценка размера магматической камеры вулкана Эльбрус. Оценка была выполнена для сферической модели [Fujita, 1995; Kumagai, 2000].
T0a s f s L a1 + b1 tgh c1 -1 , (4.5) 2 f f где Т0 - период доминантной моды; - скорость звука в магматическом f флюиде, а - плотность флюида; и - соответствующие f s s параметры для окружающих твердых пород; a, b1 и c1 некоторые числовые коэффициенты [Fujita,1995] Для значений Т0 = 67.9 с (наиболее интенсивная низкочастотная мода), =200 м/с, f =2000 кг/м3, s =6000 м/с и s =2700 кг/м3, получаем L f 9 км, Полученная оценка размера магматической камеры хорошо согласуется с оценками, полученными с помощью других геофизических методов (линеаментный метод, магнитотеллурическое зондирование, гравиметрическая съемка), и подтверждает результат, полученный ранее в работе [Милюков, 2006].
В Разделе 4.3 была изучена динамика изменения добротности магматической камеры. На рис. 8 приведена оценки динамики добротности за период наблюдения с 2004 по 2011гг. С помощью метода наименьших квадратов (МНК) было установлено, что добротность камеры как магматического резонатора уменьшается, в среднем, на 6 единиц в год.
Рис 8. Динамика добротности региональных мод в период с ноября 2004г. по декабрь 2010г. Значение добротности для каждого землетрясения определялось как среднее значение по всем зарегистрированным модам. Прямая линия динамика добротности магматического очага как акустического резонатора (6 2 единиц/год.).
Подобный, относительно быстрый, процесс уменьшения добротности, по-видимому, связан с процессом дегазации магмы в настоящий период, что в свою очередь может свидетельствовать о возрастании температуры в камере.
Выводы к главе 1. Выделено 10 устойчивых групп резонансных мод (семейств).
Выполнена оценка добротности всех резонансных мод входящий в эти группы. На основании этого стало возможным отнести 9 из них к собственным колебаниям внутренней структуры вулкана. Получена оценка параметров самой низкочастотной моды.
2. Выполнена оценка размера магматической камеры вулкана Эльбрус с помощью резонансного метода - 9км. Глубина залегания камеры 3-км.
3. Оценка добротности резонансных мод позволила выявить динамику изменения этой величины. Подобную динамику можно объяснить или увеличением давления в камере или процессом дегазации магмы.
Заключение Результаты, изложенные в данной работе, свидетельствуют, что внутренняя структура вулкана Эльбрус действительно обладает резонансными свойствами и может быть исследована новым методом, основанным на регистрации и анализе вторичной волны, сгенерированной этой структурой, как реакцией на далекое землетрясение. С помощью резонансного метода, как показали исследования, становится возможным вести непрерывный мониторинг состояния физических параметров магматической камеры Эльбруса.
Список цитируемой литературы 1. Богатиков О.А., Гурбанов А.Г., Мелекесцев И.В. и др. Проблема активизации вулкана Эльбрус (Северный Кавказ) и возможные ее катастрофические последствия // Глобальные изменения природной среды и климата: Избранные тр. Новосибирск: СО РАН, НИ - ОИГГМ, 1999. С.145-156.
2. Богатиков О.А., Нечаев Ю.В., Собисевич А.Л. Уточнение структурных особенностей материнского магматического очага и вулканической камерой Эльбруса // Современные математические и геологические модели в задачах прикладной геофизики (Геофизика и математика ХХI). М.: ИОФЗ РАН, 2001. С. 249-260.
3. Копаев А. В., А. Г. Гурбанов. Гравиметрические исследования в Геналдонском ущелье: первые результаты. Вестник Владикавказского научного центра, Том 4, №3, 2004 г.
4. Мельхиор П. Земные приливы. М.: "Мир". 1968. 483 с.
5. Милюков В.К., Клячко Б.С., Мясников А.В., Стриганов П.С., Янин А.Ф., Власов А.Н. Лазерный интерферометр-деформограф для мониторинга движений земной коры. // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 1-17.
6. Милюков В. К., Мясников А.В. Метрологические характеристики Баксанского лазерного интерферометра // Измерительная техника. 2005.
№ 12. С. 26-30.
7. Милюков В.К. Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций //Вулканология и сейсмология. 2006. № 1.С.1-8. Нечаев Ю.В. Космические технологии в задачах изучения локальных неоднородностей земной коры // Избранные труды ученых ОИФЗ РАН Геофизика на рубеже веков. М.: ОИФЗ РАН, 1999. С. 276-290.
9. Рогожин Е.А., Собисевич Л.Е., Нечаев Ю.В., Собисевич А.Л., Богатиков О.А., Гурбанов А.Г., Коваленко В.И., Газеев В.М. Поляк Б.Г., Покровский Б.Г., Лаврушин В.Ю., Куликов В.И., Мелекесцев И.В., Кащук Д.Г., Милюков В.К., Копаев А.В. Геодинамика, сейсмотектоника и вулканизм Северного Кавказа. Под ред. акад. Н.П. Лаверова. М.: Издво ИФЗ РАН. 2001. 333 с.
10. Собисевич Л.Е., Милюков В.К., Собисевич А.Л. Механикоматематический мониторинг магматических структур вулкана Эльбрус // Современные математические и геологические модели в задачах прикладной геофизики. М.: Изд.ОИФЗ РАН, 2001г. С 223-249.
11. Собисевич А.Л., Руденко О.В., Милюков В.К., Нечаев Ю.В.
Мониторинг наведенных геофизических процессов в гетерогенных структурах геологической среды вулканов центрального типа // Катастрофические процессы и их влияние на природную среду. Том 1.
Вулканизм / Под ред. Н.П. Лавёрова. М.: ИЗФ РАН, 2002г. С 365-397.
12. Уткин И.С, Федотов С.А., Уткина Л.И. Оценка тепла, накопленного магматическим очагом вулкана Эльбрус во вмещающих его породах, и возможности его извлечения. // Вулканология и сейсмология, 2009г. № 5, С. 1-21.
13. Шевченко В.И., Гусева Т.В., Лукк А.А., Мишин А.В., Прилепин М.Т., Рейлинджер Р.Э., Хамбургер М.У., Шемпелев А.Г., Юнга С.Л.
Современная геодинамика Кавказа (по результатам GPS измерений и сейсмологическим данным) // Физика земли. 1999. № 9. С. 3-18.
14. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М:
КДУ, 2010. 515. Чернышев И.В., Лебедев В.А., Бубнов С.Н. и др. Этапы магматической активности Эльбрусского вулканического центра (Большой Кавказ):
изотопно-геохронологические данные // Доклады АН. 2001. Т. 380. № 3.
С. 384-389.
16. Fujita E., Ida Y., Oikawa J. Eigen oscillation of a fluid sphere and source mechanism of harmonic volcanic tremor // J. Volcanol. Geotherm. Res.
1995. V. 69. P. 365-378.
17. Gilbert F., Dziewonski A.M. An Application of Normal Mode Theory to the Retrieval of Structural Parameters and Source Mechanisms from Seismic Spectra // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. A.
Math. and Phys. Sci. 1975. V. 278. N 1280. P. 187.
18. Kumagai H., Сhouet B.A. Acoustic properties of a crack containing magmatic or hydrothermal fluids // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № B11.
P. 25493-25512.