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.

Было обнаружено, что во время подготовки или усиления извержений очаги землетрясений в средних горизонтах земной коры Центральной сейсмоактивной зоны под Ключевским вулканом располагаются в непосредственной близости от вершинного кратера, охватывая цепочку "свежих" побочных эруптивных центров или хотя бы часть из них (рис.2, А).

Рис. 3

В периоды образования провалов в вершинном кратере Ключевского вулкана и ослабления или прекращения извержений, одновременно с перемещением сейсмичности в низы коры на глубинах 5-20 км отмечалось удаление очагов землетрясений от вершинного кратера и зоны побочных конусов в периферические участки Центральной зоны, на расстояния до 10-15 км и далее (рис3,А). Особенно ярко этот эффект проявился после пароксизмального вершинного извержения 7.09.-2.10.1994 г., когда в кратере вулкана в результате значительного опустошения магматического канала начал формироваться огромный провал, дважды зафиксированный аэрофотосъемкой (в августе 1995 г. и в сентябре 2000 г.) [12]. В течение 1995-1999 гг. происходило смещение сейсмической активности на глубинах 5-20 км к северу, западу и северо-западу от кратера Ключевского вулкана к вулканам Ушковский и Крестовский. Наиболее сильные землетрясения были зарегистрированы в районе РТС PDK и под вулканом Крестовский.

В нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое, как видно из рис.2,Б и рис.3,Б, подобной зависимости в размещении очагов землетрясений от направления миграции сейсмичности не наблюдается. Несмотря на различие размеров эпицентральных зон на всех стадиях вулканической деятельности ГДП землетрясения в интервале глубин 20-40 км располагаются вокруг и внутри заштрихованной на рисунках области вершинного кратера и цепочки эруптивных центров.

Из выше сказанного следует, что:

 ВТ землетрясения на глубинах 5-20 км возникают, по-видимому, в основном при перераспределении напряжений в среде, вмещающей питающую магматическую систему Ключевского вулкана, давление в которой меняется в зависимости от условий накопления или поступления магмы.

 Зона генерации ГДП землетрясений более устойчива в пространстве и не зависит от перераспределения давления в магматической системе.

Рис. 4

Исследование характеристик ГДП землетрясений. По данным аналоговых записей был проведен сравнительный анализ следующих характеристик ГДП землетрясений и землетрясений, происходящих на глубинах -4-20 км: формы записи, распределения числа землетрясений N по энергетическим классам Ks, периода Ts в максимальной амплитуде колебаний поперечных волн, коэффициента корреляции зависимости Ts = Ts(Ks).

На рис.4,А приведены образцы аналоговых записей землетрясений по смещению с энергетическим классом Ks ~ 6, происходящих в выделенных слоях Центральной сейсмоактивной зоны под Ключевским вулканом и вне этой зоны. ГДП землетрясения (рис.4,Б) преимущественно однотипны по форме записи, которая в значительной степени отличается как от записей землетрясений в вышележащих слоях (рис.4,А), так и от записей тектонических землетрясений (рис.4,В) на глубине более 20 км, в которых в ближней зоне регистрации амплитуда коды S-волн спадает по экспоненциальному закону. Средний видимый период колебаний Ts (в S- волнах максимальной амплитуды) для землетрясений слоя 4 - наибольший по сравнению с аналогичными периодами землетрясений, которые происходят в других горизонтах под Ключевским вулканом и в других сейсмоактивных зонах, существующих в районе вулканов Ключевской группы [9]. Для землетрясений слоя 4 с энергетическим классом Кs ~ 6 периоды Ts составляют на эпицентральных расстояниях от 20 км до 45 км ~ 0,6-0,9 с. Для землетрясений слоев 2 и 3 под Ключевским вулканом Тs = 0,3-0,5 с, а в слое 1~ 0,5-0,6 с.

Рис. 5

Нами были построены гистограммы распределения числа землетрясений по энергетическим классам для 1-3 слоев (рис.5,А) и в слое 4 (рис.5,Б). При построении использовались данные за 1978-1995гг по 1351 землетрясению в интервале глубин -4-20 км и данные по 2015 землетрясениям с глубиной 20-40 км. Очевидно, что распределение числа землетрясений по Кsдля глубин 20-40 км близко к нормальному закону и отличается от распределения для верхних горизонтов глубин, сходного с распределением для тектонических землетрясений (см., например, [28]).

В последние годы (1997-2000 гг.) в районе Ключевского вулкана увеличилось число сейсмостанций сети РТС и повысилась точность уверенной регистрации слабых землетрясений. Но вид гистограмм распределения землетрясений на глубинах -4-20 км и 20-40 км, происходивших в эти годы, не отличается от приведенных на рис.5,А,Б.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--