Xreferat.com » Рефераты по геологии » Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка

землетрясений слоев 2 и 3 под Ключевским вулканом Тs = 0,3-0,5 с, а в слое 1~ 0,5-0,6 с.

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка

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 Кs для 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.

Не было выявлено статистической зависимости энергетического класса Кs ГДП землетрясений от периода колебаний в поперечных волнах Ts, что не характерно для тектонических [16] и вулкано-тектонических землетрясений, связанных с образованием трещин при движении магмы. Коэффициент корреляции, рассчитанный для ГДП землетрясений, равен -0,57.

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка

Рис. 6

 Кроме аналоговых записей нами были использованы цифровые данные сети РТС в 1996 г. Для 25-ти ГДП событий, обработанных по цифровым записям скоростей смещения, были построены энергетические спектры 3-х компонент: С-Ю, В-З и Z волн P и S для сравнения со спектрами Р и S волн тектонических землетрясений такого же энергетического класса (Ks ~ 6) и происходящих на таких же глубине и эпицентральном расстоянии от пункта регистрации, что и ГДП землетрясения, но за пределами Центральной сейсмоактивной зоны на удалении ~35 км от кратера вулкана Ключевской. Характерный вид графиков нормированной спектральной плотности вертикальной компоненты Z для ГДП и тектонических землетрясений, записи которых приведены на рис.4 ,Г,Д, представлен на рис.6 . Из рис.6 следует, что спектры Р и S волн ГДП землетрясений подобны и имеют один резко выраженный пик на более низких частотах, чем у тектонического землетрясения, удаленного от вулкана и имеющего, по-видимому, обычный для тектонических землетрясений сдвиговый механизм. На рис.6 видно также, что для ГДП землетрясений частота колебаний в S-волнах приблизительно равна частоте колебаний P-волн. Аналогичная картина наблюдается и для спектров горизонтальных каналов. 

Таким образом, по итогам работы [6] и в результате исследований ГДП землетрясений, выполненных в настоящей статье, было выявлено, что:

Эпицентры ГДП землетрясений расположены на глубине 20 - 35 км и сконцентрированы в районе центрального кратера, независимо от проявлений вулканической активности.

ГДП землетрясения чаще происходят роями продолжительностью до 9 месяцев, а иногда и дольше.

Для ГДП землетрясений характерна однотипная форма записи.

Энергетические спектры P и S волн ГДП землетрясений имеют один резко выраженный пик на более низких частотах, чем для P и S волн тектонических землетрясений такого же энергетического класса.

График повторяемости для ГДП землетрясений близок к нормальному распределению, в отличие от графиков повторяемости для вулканических землетрясений на глубинах -4-20 км и тектонических землетрясений. Коэффициент Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчаткадля ГДП землетрясений значительно выше, чем для землетрясений в слоях 1-3.

Наиболее характерные особенности динамических и кинематических параметров ГДП землетрясений: а) равенство периодов колебаний в P и S волнах; б) на Z-канале амплитуды колебаний в P и S волнах примерно равны; в) как правило, в пункт регистрации первой вступает волна сжатия.

Обсуждение результатов 

Из анализа сейсмичности слоя 4 совместно с проявлениями вулканической активности можно предположить непосредственную связь ГДП землетрясений с магматической деятельностью. Об этом свидельствует появление роев ГДП землетрясений перед активизацией вершинного кратера или латеральными извержениями [6], а также особенности пространственного распределения очагов землетрясений на глубинах 5-20 и 20-40 км на разных стадиях состояния вулкана. 

Пространственное распределение гипоцентров землетрясений в нижних горизонтах земной коры под Ключевским вулканом обрисовывает систему трещин, по которым магма может продвигаться к поверхности. На аналоговых и цифровых записях ГДП землетрясений четко прописываются S-волны, из чего следует, что на глубине 20-40 км располагается не сплошная магматическая колонна, а среда с системой трещин, в которой могут образовываться и через которую могут проходить поперечные сейсмические волны. По-видимому, на глубине 20-40 км мы имеем дело с системой заполненных магмой мелких трещин, являющихся верхней частью диапира, расположенного глубже 40 км в асейсмичной области между земной корой и верхней мантией, где под Ключевской группой вулканов ранее были обнаружены аномалии затухания короткопериодных сейсмических волн, связываемые с существованием магматических очагов [27]. Относительно небольшие энергетические параметры ГДП землетрясений в сравнении с более мелкофокусными ВТ землетрясениями свидетельствуют о том, что в нижних слоях земной коры за счет свойств среды не происходит интенсивного накопления напряжений. Следовательно, эта среда более пластична (по-видимому, за счет теплового потока от магматического очага).

О механизме генерации ГДП землетрясений. На основании полученных данных нами были рассмотрены две возможные гипотезы о механизме генерации ГДП землетрясений под Ключевским вулканом:

Возникновение мелких трещин в упруго-пластичной среде при движении магмы.

Импульсы давления в магме, заполняющей уже существующие трещины. 

Обе гипотезы предполагают существование области трещинноватости. Но механизм генерации сейсмических волн в этих гипотезах принципиально различается. 

Исходя из гипотезы 1, средний размер источника r ГДП землетрясений можно оценить по формуле Брюна [30]:

r = 0,35 VP / f0 , где

VP - cкорость продольных волн, VP Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка7,5 км/с [1] и

f0 - угловая частота, f0 = 1,5-2,0 Гц. 

Таким образом, мы получим, что r = 1,3 ....1,8 км.

Учитывая размеры источников, рассчитанных по формуле Брюна, справедливой для землетрясений, имеющих сдвиговый механизм, трудно предположить, что в небольшом объеме среды, ограниченном гипоцентрами землетрясений, способно появиться такое количество трещин (сотни) в течение короткого интервала времени (продолжительность одного роя) длиной 1-2 километра. Определенные трудности возникают при интерпретации на основе гипотезы 1 появления роев ГДП землетрясений после снижения внешних проявлений вулканической активности. Кроме того, на основе гипотезы 1 достаточно трудно интерпретировать пункты 3-6 из выше перечисленных характерных особенностей ГДП землетрясений, т.к. параметры землетрясений, связанных с движением магмы в интервале глубин -4-20 км под вулканами, также как и тектонических землетрясений, отличаются от параметров ГДП землетрясений. 

Обсудим подробнее эти различия.

Одна из основных особенностей ГДП землетрясений, выявленных при обработке аналоговых записей - это различные законы распределения ГДП землетрясений и землетрясений на глубинах до 20 км. Протекающие в природе случайные процессы, зависящие от многих факторов, описываются суперпозицией простых законов распределения. Так, для тектонических землетрясений закон повторяемости Гуттенберга-Рихтера, хорошо аппроксимируемый правой ветвью распределения Пуассона, определяется такими основными факторами, как линейный размер блоков и характерное время процесса (время между землетрясениями) [19]. Землетрясения, происходящие на глубинах до 20 км в исследуемом нами районе, также достаточно хорошо укладываются в распределение Пуассона. Коэффициент Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка, рассчитанный для правой ветви распределения ВТ землетрясений по энергетическим классам, примерно равен Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчаткадля тектонических землетрясений Камчатки [25]. Это свидетельствует о том, что механизм очагов подавляющего большинства ВТ землетрясений не отличается от механизма очагов тектонических землетрясений.

ГДП землетрясения хорошо описываются нормальным законом распределения, который, как правило, описывает поведение случайно варьирующей величины, обусловленное, например, случайными ошибками или отклонениями от установившегося процесса. Поэтому можно предположить, что основные факторы, определяющие распределение ГДП землетрясений, иные, чем для ВТ землетрясений.

Важной особенностью ГДП землетрясений является равенство периодов колебаний в P и S волнах, что отличает их от тектонических землетрясений. Это присуще и длиннопериодным землетрясениям, зарегистрированным во время извержения вулкана Пинатубо [45]. Заметим, что для тектонических землетрясений частота колебаний в S-волнах, как правило, ниже, чем в P-волнах (см., например, [16]). Следует также отметить, что у всех исследованных нами ГДП землетрясений с четкими вступлениями P-волн первой проходит волна сжатия, что также не характерно для тектонических и ВТ землетрясений. 

Все это позволяет предположить иную генетическую природу ГДП землетрясений, отличную от природы обычных ВТ землетрясений. Об этом косвенно свидетельствует идентичность формы записей ГДП землетрясений в отличие от землетрясений других слоев, что было отмечено и для длиннопериодных землетрясений при извержении вулкана Пинатубо [41].

Обсудим далее гипотезу 2, впервые предложенную в работе [34], в рамках которой неплохо объясняются перечисленные выше особенности ГДП землетрясений (пункты 1-6) в слое 4 в Центральной зоне под Ключевским вулканом. В этой модели ДП землетрясения генерируются при колебаниях стенок заполненных магмой трещин в результате импульсов давления в магме; волны давления в магме, как предполагают авторы [31,32,34], возникают при движении магмы со сверхзвуковой скоростью. Последнее предположение, по нашему мнению, является самым уязвимым звеном модели, так как это означает движение потока магмы со скоростью более 1 км/с, что представляется нам весьма проблематичным.

С нашей точки зрения наиболее характерные особенности (пункты 3-6) ГДП землетрясений лучше объяснить неизменными в течение длительного времени физико-химическими свойствами магмы, заполняющей трещины, и характерными особенностями процессов, протекающих в магматическом расплаве и являющихся причиной возникновения в нем импульсов давления. Форма записи ГДП землетрясений также свидетельствует об импульсной природе их источника [13]. 

Причиной импульсов давления в магме могут быть быстропротекающие фазовые переходы в ограниченных объемах метастабильной магмы. Таким процессом, по нашему мнению, является спонтанная полимеризация в расплаве низкомерных форм силикатов, протекающая, к примеру, по следующему механизму [15]:

2 [ SiO3 (OH)] 3- распл. = [ SiO2 O7] 6-распл. + H2O пар.

Спонтанная полимеризация в метастабильной магме должна происходить с бурным выделением летучих (фазовый переход 1-го рода), что и приводит к импульсам давления в магме. 

Из экспериментальных данных [43] известно, что в базальтовых расплавах при внешнем давлении P = 1 атм (105 Па) газовый пузырек может появиться и вырасти до микронных размеров за время, измеряемое миллисекундами. Уровень метастабильности при этом может составлять несколько атмосфер [43]. Но процесс газоотделения на глубине 20-40 км (внешнее давление P = (8-16).108 Па) и при P = 1 атм (105 Па) должен иметь некоторые различия. Во-первых, процесс газоотделения на большой глубине из-за большого гидростатического давления можно рассматривать как происходящий в замкнутом объеме. Во-вторых, отличаются физико-химические свойства магматического расплава, определяющие скорость роста пузырьков при различном давлении, - газосодержаниие, вязкость, коэффициент диффузии. Эти факторы влияют на скорость появления и роста пузырьков. 

Спонтанная полимеризация метастабильной магмы в замкнутом объеме, каковым является магматическая система на глубине 20-40 км, может происходить по следующей схеме, которая представляет собой процесс с обратной связью.

Пусть в некотором объеме, занимаемом метастабильной магмой, началась спонтанная полимеризация и, следовательно, газоотделение. Образование свободной газовой фазы и рост газовых пузырьков приводит к возрастанию давления в этом объеме и снижает уровень метастабильности и, следовательно, ведет к замедлению и приостановке процессов полимеризации и газоотделения. Рост газовых пузырьков происходит до достижения ими состояния механического и химического равновесия с окружающей их магмой. После окончания роста пузырьков давление в магме постепенно приходит к первоначальному значению, и процессы полимеризации и газоотделения начинаются вновь. Скорость роста пузырьков в магме зависит от многих факторов, главные из которых: давление пересыщения магматического расплава, вязкость магмы, коэффициенты диффузии и теплопроводности. Таким образом, в магме в области спонтанной полимеризации периодически будут генерироваться импульсы давления с частотой, зависящей от вышеперечисленных факторов и определяемой внутренними свойствами магмы. Эти импульсы давления на стенках трещины формируют сейсмические волны, период колебаний в которых определяется длительностью самого импульса давления в магме и размерами трещины. 

Исходя из предлагаемой гипотезы, попытаемся связать период сейсмических колебаний ГДП землетрясений с физическими характеристиками магматического расплава и сравнить с экспериментальными данными. Для этого определим основные факторы, влияющие на рост пузырьков. 

Так как теплопроводность играет заметную роль только для больших пузырьков (а в нашем случае мы имеем дело с пузырьками микронных и субмикронных размеров), процесс роста пузырьков будем считать изотермическим. Для того чтобы определить, какому из оставшихся факторов (диффузия и вязкость) принадлежит основная роль в длительности формирования импульса давления в магме, рассмотрим влияние диффузии и вязкости на рост пузырьков в магме независимо друг от друга. Расчеты будем проводить для водонасыщенного базальтового расплава. Вначале оценим влияние вязкости. 

Решение задачи о динамике газовых пузырьков основывается на уравнении Рэлея-Тейлора c учетом вязкости [42]:

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка(1)

где R - радиус пузырьков, Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчаткаm - плотность магмы, Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка- кинематическая вязкость магмы, P - давление в магме, P1 - давление в газовом пузырьке.

Для того чтобы оценить время Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчаткарелаксации избыточного давления, возникающего при расширении пузырьков, пренебрегаем первыми двумя членами в уравнении (1) вследствие их малости:

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка(2)

Условие механического равновесия в газовом пузырьке будет определяться уравнением:

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка(3)

где Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка- коэффициент поверхностного натяжения.

Подставляя выражение (3) в (2), получим уравнение:

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка,

из которого интегрированием по времени можно определить длительность импульса:

Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка=Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка. (4) 

Для водонасыщенных базальтовых магм на глубине 20 - 40 км по данным [18] вязкость Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка= Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, КамчаткаmГлубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка ~ 101 -102 Пуаз (1-10 Па/с), а Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, КамчаткаГлубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка102 дин/см (10-1 Па/c) [17]. Как

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: