Курсовая работа: Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка
В.И. Горельчик, А.В. Сторчеус
В
нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое (интервал
глубин 20-40 км) под Ключевским вулканом выявлена зона с аномальными
физическими свойствами, имеющая эффективную вязкость на несколько порядков
меньше, чем в астеносфере. Многолетними (1977-1996 гг.) сейсмологическими
наблюдениями установлено, что в этой зоне существуют длительно действующие
источники генерации глубоких длиннопериодных (ГДП) землетрясений, которые имеют
иную генетическую природу, чем вулкано-тектонические и тектонические
землетрясения в исследуемом районе. В качестве гипотезы, наиболее
удовлетворительно объясняющей наблюдаемые кинематические и динамические
характеристики ГДП событий под Ключевским вулканом, предлагается рассматривать
возникновение импульсов давления в магме. Причиной появления таких импульсов
могут быть быстропротекающие фазовые переходы в ограниченных объемах
метастабильной магмы. Таким процессом, по нашему мнению, может быть отделение
газа в следствие спонтанной (взрывной) полимеризации низкомерных форм силикатов
в расплаве.
Введение
В
настоящее время все разнообразие сейсмических сигналов, регистрируемых на
вулканах, ряд исследователей [3,31,32 и др.] предлагают разделить на две
основные группы в зависимости от физической природы генерирующих источников.
Первая
группа включает сейсмические события, возникающие в твердой среде в результате
хрупкого разрушения пород под действием сдвиговых и растягивающих напряжений,
создаваемых активными магматическими процессами, и распределенных в достаточно
большом объеме, окружающем магматические каналы и очаги. Эти землетрясения
называются вулкано-тектоническими (ВТ),
поскольку по механизму очага [7,21] и виду записи они практически неотличимы от
чисто тектонических землетрясений. ВТ землетрясения характеризуются четкими
вступлениями волн P и S и быстро спадающей кодой, преобладающие частоты лежат в
широком диапазоне от 1 до 15 Гц [40]. Термин "вулкано-тектонические
землетрясения" впервые был предложен Г.С.Горшковым при изучении
сейсмичности Северной группы вулканов на Камчатке [4]. ВТ землетрясения
возникают в районах активных и потухших вулканов как единичные события, так и
роями длительностью от часов и дней до недель или месяцев. Часто эти
землетрясения являются первыми признаками возобновившейся вулканической активности
(долгосрочные предвестники) [22,29,41,45 и др.]. Известно множество примеров
значительного усиления ВТ сейсмичности непосредственно перед началом извержений
(краткосрочные предвестники) [2,8,22 и др.]. Вторая группа сейсмических
сигналов состоит из источников, в которых активную роль в генерации
сейсмических волн играют флюиды. К этой группе землетрясений относятся так
называемые длиннопериодные (ДП) события: неглубокие ДП землетрясения, взрывные
землетрясения, вулканическое дрожание (в.д.), сейсмические сигналы,
сопровождающие дегазационные процессы в магме, и другие эруптивные явления
[31]. По сравнению с ВТ, ДП землетрясения характеризуются более низкочастотной
квазимонохроматической кодой, четко выраженной пиковой формой спектра, диапазон
преобладающих частот лежит в интервале от 0,5 до 5 Гц [45]. Как показало
теоретическое моделирование [4,32-36], характеристики природных сигналов,
зарегистрированных от ДП событий на вулканах, подобны записям синтетических
сигналов, генерируемых трещинами или каналами, заполненными жидкостями и
флюидами и возбужденными меняющимся давлением. В этом смысле ДП землетрясения
могут быть индикаторами пульсаций или перестройки давления в динамически
активных магматических системах и, следовательно, содержать ценную прогностическую
информацию как о начале, так и о развитии извержений, в частности, что особенно
важно, о приближении катастрофической стадии извержения, как это было в 1991 г.
на вулкане Пинатубо [37,45]. Так же как ВТ землетрясения, ДП землетрясения
происходят в виде единичных событий, роев и продолжительных серий
накладывающихся друг на друга сигналов, которые в ряде случаев удается связать
с движением магмы [2,38,39].
Важной
особенностью ДП сейсмичности является подобие формы записи индивидуальных
сигналов, составляющих серии и рои, что свидетельствует о неоднократном
возбуждении стационарного источника при недеструктивном процессе [34].
Наблюдается сходство пространственных, временных и спектральных характеристик
вулканического дрожания и ДП сигналов, подтверждающее общность физических
процессов в источниках этих событий [32,39,43]. ДП землетрясения и ДП в.д. были
зарегистрированы на многих вулканах (см., например, обзор литературы в [43]).
Большинство этих событий возникают на глубинах менее 3-5 км. Это поверхностные
длиннопериодные (ПДП) землетрясения, непосредственно связанные с вулканической
активностью. ДП землетрясения на глубинах более 10 км относятся к глубоким
длиннопериодным (ГДП) землетрясениям, они наблюдались не так часто [45], и их
связь с извержениями менее ясна [30].
Настоящая
статья посвящена исследованию глубоких длиннопериодных (ГДП) землетрясений под
базальтовым Ключевским вулканом - одним из наиболее активных вулканов Северной
группы на Камчатке. В статье приводятся результаты изучения сейсмичности слоя,
в котором происходят ГДП землетрясения, частично публикуемые в настоящем
сборнике в работе [6]. На основании особенностей характеристик ГДП
землетрясений делается попытка обсудить возможные причины их возникновения.
Решение
задачи определения природы ГДП землетрясений может способствовать изучению
физических свойств среды, в которой они происходят, и поиску дополнительных
предвестников извержений, что является актуальной задачей вулканической
сейсмологии.
|
Рис. 1 |
Использованные
данные и методы исследования. В работе использованы каталоги землетрясений
района Северной группы вулканов за 1974-1996 гг., составленные по данным сети
стационарных сейсмических станций (с/ст) с однотипной амплитудно-частотной
характеристикой сейсмических каналов [23] и сети радиотелеметрических станций
(РТС). Подробнее о развитии сейсмических наблюдений в этом районе можно
прочитать в работе [8]. Наиболее однородный каталог получен авторами [6] для
периода 1977-1996 гг. Содержащиеся в нем землетрясения обработаны по единой
программе локализации гипоцентров с учетом местного годографа сейсмических волн
для земной коры [1,21]. Количественные оценки параметров сейсмического режима
Ключевского вулкана проводились по выборке данных, заключенных в
прямоугольнике, показанном на рис.1 в статье [6] настоящего сборника. Этот
прямоугольник схематично представляет Центральную сейсмоактивную зону
Ключевского вулкана, в которой в последние десятилетия была сосредоточена его
основная магматическая деятельность. Для выявления пространственно-временных
особенностей сейсмичности анализировались как полный каталог, включающий все
события, координаты которых было возможно определить, так и выборки
землетрясений, локализованных с заданной точностью. Кроме данных, полученных
при обработке аналоговых записей смещения грунта (1977-сентябрь 1996 гг.), при
исследовании кинематических и динамических характеристик ВТ и ГДП землетрясений
были использованы (начиная с октября 1996 г.) цифровые записи скорости
смещений, любезно предоставленные лабораторией телеметрических станций КОМСП Геофизической
Службы РАН (заведующий лабораторией В.В.Ящук). На рис.1,А представлен район
Центральной сейсмоактивной зоны, в котором проводились исследования
землетрясений, и его вертикальный разрез (рис.1,Б) с гипоцентрами землетрясений,
зарегистрированных в 1977-1996 гг. не менее чем четырьмя сейсмическими
станциями с погрешностью не более 3 км по глубине и эпицентру. Темными точками
на рис.1,А обозначены эпицентры исследованных нами ГДП землетрясений, зарегистрированных
сетью РТС в 1996 г.
В
качестве характеристик землетрясений, помимо координат очагов, в наших
исследованиях рассматривались: энергетический класс землетрясений Ks, видимые
периоды колебаний Ts, измерявшиеся в максимальной амплитуде S волн, а также
энергетические спектры землетрясений.
Энергетический
класс землетрясений Ks = log E (Дж) оценивался по S-волнам по номограмме
С.А.Федотова [24]. Ks = 4,6 + 1,5 M, где M - магнитуда, определенная по
поверхностным волнам.
Для
исследования спектральных характеристик и распределения землетрясений по
энергетическим классам использовался пакет статистического программного
обеспечения STATISTICA, разработанный фирмой StatSoft Inc., USA .
Краткая
характеристика сейсмичности Ключевского вулкана, связанной с его современной
магматической деятельностью. Как было установлено в результате многолетних
сейсмологических наблюдений [5,6,9,26], сейсмичность Ключевского вулкана,
связанная с его магматической деятельностью в течение последних десятилетий,
проявлялась, главным образом, в Центральной сейсмоактивной зоне, охватывающей
область вокруг вершинного кратера и круто падающей вниз почти до 40 км. На
основании распределения числа и уровня сейсмической энергии землетрясений по
глубине в земной коре под вулканом Ключевской были выделены четыре
сейсмоактивных горизонта: -4-5 км; 5-2 км; 12-20км и 20-35 км. Подробные
характеристики слоев даны в работе [6] настоящего сборника.
В
слоях 1-3 происходят преимущественно ВТ землетрясения, возникающие в
упруго-деформированной среде вокруг магматических каналов и магматических
очагов под действием меняющегося поля напряжений. Самый высокий уровень
сейсмичности, отмечается на глубинах менее 5 км (слой 1), где происходят
многочисленные рои землетрясений, связанные с внедрением даек и силлов в
вулканическую постройку. Землетрясения в интервале глубин 5-20 км (слои 2 и 3)
являются индикаторами подвижек, возникающих на путях миграции магмы в средних
горизонтах земной коры, через которые проходит магмоподводящий канал или
система каналов.
В
нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое 4 (интервал
глубин 20-40 км) под Ключевским вулканом выявлена зона, в которой генерируется
множество ГДП землетрясений [6]. Слой 4 характеризуется максимальным
количеством происходящих в нем землетрясений и относительно низкой суммарной
сейсмической энергией (более чем на порядок ниже, чем в слое 1). Максимальный
энергетический класс землетрясений, происходящих в этом слое, не превышает
6,5-6,7. По приближенным оценкам, величина коэффициента в
распределении числа землетрясений по энергии аномально высока: ~
2,6 [6]. Существенные отличия землетрясений слоя 4 от ВТ землетрясений,
происходящих в трех вышележащих горизонтах: низкий максимальный энергетический
класс, однотипная форма записи сигналов, более длинные преобладающие периоды
сейсмических колебаний [6], позволяют отнести землетрясения, происходящие в
низах коры и переходном от коры к мантии слое под Ключевским вулканом, к
разряду глубоких длиннопериодных (ГДП) событий.
В
работах [6,10] отмечалось, что увеличение числа ГДП землетрясений, как правило,
происходит до или сразу после значительных вулканических событий (начало
вершинных или побочных извержений, усиление эффузивной и/или эксплозивной
деятельности в ходе извержений), опережая на срок от нескольких дней или недель
до нескольких месяцев возникновение неглубоких ВТ и ПДП землетрясений. Во многих
случаях наблюдалось два типа характерных временных последовательностей
сейсмических и вулканических событий:
группы и рои длиннопериодных землетрясений на глубинах 20-35 (40) км единичные землетрясения в интервале 5-20 км рои ВТ землетрясений в вулканогенно-осадочном слое и
вулканической постройке (-4-5 км) появление
и/или усиление в.д. и других ПДП сигналов начало или
усиление вулканической активности;
окончание извержения ослабление
и/или исчезновение в.д. уменьшение
числа поверхностных ВТ и ДП землетрясений появление
единичных землетрясений на глубинах 5-20 км возобновление
сейсмической активности в интервале глубин 20-40 км.
Связь
землетрясений Центральной зоны с извержениями свидетельствует о том, что магма
играет активную роль в формировании путей, по которым она продвигается к
поверхности.
|
Рис. 2 |
Пространственное
распределение землетрясений в средних и нижних горизонтах земной коры на разных
стадиях активности Ключевского вулкана. Нами были исследованы особенности
пространственного распределения очагов землетрясений на глубинах 5-20 и 20-40
км в Центральной сейсмоактивной зоне относительно кратера Ключевского вулкана и
центров побочных извержений в 1974-1990 гг. в зависимости от усиления или
ослабления вулканической деятельности.
Страницы: 1, 2, 3
|