Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Мясников, Андрей Владимирович

• Мясников, Андрей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мясников, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы.

Цель работы.

Научная новизна.

Защищаемые положения.

Личный вклад автора.

Апробация результатов.

Практическая значимость.

Структура диссертации.

ГЛАВА 1. БАКСАНСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР-ДЕФОРМОГРАФ.

1.1. Лазерные интерферометры-деформографы для геофизических наблюдений.

1.2. Основные узлы Баксанского лазерного интерферометра.

1.2.1. Размещение.

1.2.2. Оптическая схема интерферометра.

1.2.3. Механическая и вакуумная системы.

1.2.4. Источник излучения.

1.2.5. Система регистрации.

1.3. Автоматизированная система сбора данных.

1.3.1. Работа программного обеспечения.

1.3.2. Выходные данные системы.

1.4. Основные научные задачи. Оценка спектральной плотности наблюдаемых деформаций.

1.5. Пакет программ предварительной обработки и анализа данных.

1.6. Контроль качества регистрируемой информации.

1.7. Предварительная обработка данных.

1.8. Результаты главы 1.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ТЕРМОУПРУГИХ И БАРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ИЗМЕРЕНИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ.

2.1. Долговременные наблюдения деформаций и метеорологический фактор.

2.2. Влияние метеорологических факторов в приливном диапазоне.

2.2.1 Суточные вариации.

2.2.2. Полусуточные вариации.

2.3. Влияние метеорологических факторов в годовом диапазоне.

2.4. Адаптивный компенсатор метеорологических возмущений.

2.5. Обработка наблюдательных данных с помощью адаптивного компенсатора.

2.6. Результаты главы 2.

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СОСТОЯНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ СТРУКТУР ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС.

3.1. Основные методы изучения внутренней структуры вулкана Эльбрус.

3.1.1. Метод теплового дистанционного зондирования.

3.1.2. Линеаментный метод.

3.1.3. Метод магнитотеллурического зондирования.

3.1.4. Гравиметрический метод.

3.2. Принципы резонансного метода выявления и контроля состояния магматических структур «спящих» вулканов.

3.3 Предварительные оценки геометрического размера и физико-механических параметров магматической камеры Эльбруса.

3.4. Методика спектрального оценивания основных параметров резонансных мод.

3.5. Результаты главы 3.

ГЛАВА 4. РЕЗОНАНСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГИОНАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР ПРИЭЛЬБРУСЬЯ.

4.1. Сейсмотектоническая характеристика Северного Кавказа.

4.2. Регистрация вторичных волн от магматической камеры Эльбруса Баксанским лазерным интерферометром.

4.2.1. Характеристика наблюдательных данных 2004-2011гг.

4.2.2. Конструирование цифрового фильтра и предварительная подготовка данных

4.2.3. Оценка резонансных параметров.

4.2.4. Оценка резонансных параметров по землетрясениям ближней зоны».

4.2.5. Оценка размера магматической камеры вулкана Эльбрус.

4.3. Динамика добротности магматической камеры вулкана Эльбрус.

4.4. Результаты главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций Баксанским лазерным интерферометром»

Территория Северного Кавказа охватывает несколько крупных тектонических структур: северный склон мегаантиклинория Большого Кавказа - на Юге, Индоло-Кубанские и Терско-Каспийские краевые прогибы - на западе и востоке, и Скифскую платформу на юге. Сейсмическая и вулканическая активность этого региона связана с сочленением этих крупных структур, их динамической активностью.

Исследования последних лет свидетельствуют о высокой вулканической опасности Кавказского региона. Такие крупнейшие вулканы Европы как Эльбрус и Казбек не затихли навсегда. Вулканологи давно обратили внимание на одну характерную особенность, связанную с периодичностью извержений и масштабами сопутствующих катастроф: чем более длительный период покоя вулкана, тем мощнее следующее за ним извержение.

Эльбрус относится к классу стратовулканов центрального типа. Это конусовидные структуры с крутыми склонами, наклон которых в среднем составляет около 30°. Они питаются из магматических камер преимущественно андезитового состава и особенно распространены над зонами субдукции или конвергентными границами тектонических плит. Из-за сравнительно высокой вязкости и содержания летучих веществ в андезитовых магмах эксплозивные извержения стратовулканов происходят, по меньшей мере, так же часто, как эффузивные. Типичная форма этих вулканов — результат случайно чередующихся коротких лавовых потоков и более масштабных пирокластических потоков и пепловых отложений.

Вершины большинства стратовулканов обычно находятся на высоте от 2000 до 2500 м над их основанием; вершины с высотой более 3000 м над основанием встречаются редко. Объем большинства слоистых конусных вулканов над зонами субдукции составляет примерно 200 км3, что справедливо и для вулканической постройки Эльбруса (152 км3) [Уткин, 2009].

Стратовулкан, который выглядит как классический конус при наблюдении с одной стороны, может иметь сильно удлиненную форму при наблюдении с другой стороны. Со временем происходит смещение подводящего канала, поэтому вулкан принимает форму хребта, гребень которого образован серией перекрывающихся кратеров. Такие вулканы называют цепочечными. Если система подводящих каналов совершает более резкое перемещение, новый вулкан может вырасти рядом со своим потухшим (или, может быть, просто дремлющим) предшественником.

На рисунке В.1 приведена принципиальная схема развитой системы магматических каналов и очагов для вулканов центрального типа [Федотов и др., 1991].

ЕЗ 1 £3 з

ЕЗ 2 ЁЕЭ 4

Рис. В.1 Схема развитой системы магматических каналов и очагов для вулканов центрального типа. Обозначения: А - астеносфера, Ь - граница литосферы, М -граница земной коры, Н - подкоровый, или нижнекоровый магматический очаг, С -коровый промежуточный очаг, возникающий при плавлении гранитных или осадочных пород основными магмами, В - верхний, периферический очаг, 1 -«базальтовый» слой, 2 - «гранитный» слой, 3 - возможная область плавления в «гранитном» слое вокруг магматического канала, 4 - осадочный слой, I -магматическая астеносферная колонна, II - часть питающего канала, находящаяся в «базальтовом» слое; III - то же, в «гранитном слое», IV - между «периферическим» очагом и кратером [Федотов и др., 1991].

Именно эти структуры, являющиеся своеобразным «сердцем» вулканов и определяют его «жизненные» циклы. Характеризуя последние, укажем, что экспериментальные наблюдения последних лет, проведенные в районе Эльбрусского вулканического центра, дают основания отнести магматический очаг, магматическую камеру, коровые и другие каналы к геологическим структурам резонансного типа, определяющим механизмы подготовки и развития катастрофического извержения [Собисевич, Шумейко и др., 2000; Собисевич, Милюков и др., 2001].

Вулкан Эльбрус приурочен к месту пересечения продольной Сылтранской магмоконтролирующей разломной зоны с поперечным Эльбрусским разломом и «насажен» на древние кристалические породы, образующие горный блок. Диаметр основания вулкана около 14-15 км с относительной высотой 3 км. Западная и восточная вершины, а также общий конус вулкана приурочены к огромной (площадь 230 км2) кальдере обрушения. Общий объем изверженных продуктов за весь обозримый период существования вулкана оценивается [Уткин, 2009] до 190 км3. Как показали расчеты, выполненные по алгоритму С.А. Федотова, объем современной вулканической постройки составляет 152 км3.

Итак, две вершины Эльбруса относятся к разным по типу, размеру и возрасту вулканическим постройкам. Западная вершина - это верхняя часть более старого и крупного стратовулкана, а восточная - является побочным, относительно небольшим, но также многоактным вулканом.

Западная вершина имеет более сложное строение и худшую сохранность, чем восточная. Так, в пределах верхней части постройки западной вершины выделяются два кратера диаметром 1,0 и 0,5 км, а также центральный купол. Весь западный сектор западной вершины разрушен сильными взрывами и гигантскими обвалами, о чем свидетельствуют как минимум три обвальных цирка и открытый на ЗЮЗ обвально-взрывной кратер размером 2,3x1,8 км.

Восточная вершина устроена гораздо проще, там имеются лишь очень свежий по облику вершинный кратер овальной формы размером 0,35x0,3 км, а в ВЮВ секторе -открытый на ВЮВ удлиненный кратер размером 0,6x0,35 км. В ССВ секторе, примерно в 1км от кромки вершинного кратера находится еще один эруптивный центр с небольшим лавовым куполом, из которого излился лавовый поток.

Считается, что вершины Эльбруса - два самостоятельных вулкана, выросших на более древнем вулканическом основании [Богатиков, 1998]. Восточный конус (5621 метров) очень «молод», сохранил правильную вулканическую форму с четко выраженной чашей-кратером. Западный конус (5642 метров) древнее и сильно изменен, почти треть его верхней части разрушена вертикальным разломом.

Начало изученного периода вулканической деятельности Эльбруса относят к концу позднего плиоцена. В истории формирования вулкана выделены докальдерный цикл, кальдерный цикл, начало которого ознаменовалось мощным эксплозивным извержением, приведшим к образованию кальдеры, и посткальдерный цикл, в результате которого сформировался современный стратовулкан Эльбрус [Богатиков, 1998!].

Докальдерные вулканические образования пока достоверно не установлены. о і г і о с +

ШЁ ауюаюмдойв пее^бАтЗма/мп) ^

• шитрм «0

• маошОо < Э4) « іріуушш'мкмл іротар *ТТ* Омжої мшмі Дмшуиаа» 1037>

• ЮЮІИ) гоюси

• івгаив /••уіммвмчя б-предлотгкмкмі

44

• и-іуп ипшги аидп« (0]7)

• й-гимбсжть ¥ тусЫ кДЛС^ООО&ШГКиеГО

• гаоші пктша Этшою —- І »опрлок»тя ожирію гкро

ХТО<КО Ш|Мв . апуиутиви« (іа:шь

•«утре «а«і<разіміив гав

• поспаіі4Сріи) туоинсш іссон плоди V лостоскі»пог㈫:о калиіор« <озоаж»и<* иопжг

Рис. В.З. Схематическая карта Эльбрусской кальдеры и вулкана Эльбрус согласно [Богатиков, Гурбанов, 2003]

Кальдера вулкана образовалась по уточненным данным около 800 тыс. лет тому назад. Кальдерный вулканизм связан с образованием крупной (17 х 14 км по бровке ограничивающего уступа) Эльбрусской кальдеры обрушения. Периферический магматический очаг вулкана до образования кальдеры, судя по ее размерам, мог иметь диаметр около 16-18 км. На период, предшествовавший образованию кальдеры, и непосредственно после ее образования, в изверженных продуктах преобладали игнимбриты и ассоциирующие с ним туфы, что говорит об эксплозивном характере извержений того периода.

W, км3/год 0.003 Ч

0.002

0.001

W(t) а ,км ^250

200

F-150

-100

F50 I I М | I I I I | I I I | I I I I | I I I I | I I I | I I I | I I I I

200 175 150 125 100 75 50 25 t, тыс. лет

I I I I I I I

225 200 Т | | м |

175 150 | | | | | | | | 125 100

Г 75

I I I I I I I

50 25 t, тыс. лет

Рис. В.4. Периоды вулканической активности вулкана Эльбрус за последние 225 тысяч лет [Уткин и др., 2009]. а. Кусочно-постоянные зависимости расхода магмы для вулкана Эльбрус за последние 225 тыс. лет (по геологическим данным) W(t) м3/год. Зависимость объема изверженных продуктов от времени: J W{t)dt км3. б. Зависимость размера магматической камеры вулкана Эльбрус от времени с начала современного зарождения (225 тыс. лет тому назад) до настоящего времени.

Образование кальдеры не могло не повлиять на значительное уменьшение объема магматического очага вулкана. Именно это могло привести к периоду длительного затишья в активности вулкана -550 тыс. лет, наступившего после образования кальдеры.

Новый период вулканической активности начался примерно 225 тыс. лет тому назад. По материалам работы [Уткин] была построена зависимость расхода магмы и объема изверженных продуктов за этот период, которая наилучшим образом отражает периоды активности вулкана, (Рис. 1а) а также эволюция радиуса магматического очага в процессе кондуктивного теплообмена (см. рис. 16).

В период от 225 до 180 тыс. лет до н.в. деятельность вулкана была наиболее интенсивной за весь посткальдерный период. Формируется западная вершина вулкана Эльбрус. Именно в этот период вулканической деятельности, средний расход извергнутых продуктов и их количество, примерно в 4 раза превышает те же показатели за период от 12 тыс. лет до н.в. и до нашего времени. Именно такая вулканическая активность требуется для того, чтобы в пассивный последующий период, с 180 до 130 тыс. лет до н.в., магматический очаг не застыл. По данным геологических исследований магматический очаг в этот период времени не застывал. Этот перерыв вулканической деятельности, 50 тыс. лет, самый протяженный за рассматриваемый период. В период 130160 тыс. лет до н.в. вулкан снова активен. Затем опять следует перерыв 25 тыс. лет. И, наконец, последние 35 тыс. лет вулкан Эльбрус находится в очередной активной фазе.

Определение возраста с помощью разных геохронологических методов показало, что отдельные извержения этого периода происходили 35 + 5, 28 + 3, 23 + 2 и около 21 тысячи лет тому назад. За последние 10-12 тыс. лет в голоцене интенсивность деятельности вулкана Эльбрус значительно возрастает, паузы между периодами активности сокращаются, средний расход изверженных продуктов также возрастает. Образована восточная вершина вулкана. Последний, голоценовый период вулканической активности, превосходит по интенсивности предыдущий, длившийся 70 тыс. лет с 130 по 60 тыс. лет до н.в. За период с 8150 ± 40 по 990 ± 60 лет по данным 14 С радиоуглеродного датирования вулканическая активность возобновлялась 8 раз с интервалом 400-1700 лет. Сильное последнее извержение вулкана происходило в I-II вв. нашей эры и менее интенсивное - 900 лет назад. Таким образом, в современную эпоху весьма вероятней новый период активности вулкана Эльбрус.

Актуальность темы

Для проведения прогнозной оценки возможной активности вулкана Эльбрус необходимо выяснить: имеется ли под ним еще глубинный (материнский) магматический очаг и приповерхностная магматическая камера. Особенно важно, оценить размер и глубину залегания этих образований и решить вопрос об активности внутренней структуры Эльбруса. Составленные карты хронологии вулканических циклов и различных этапов практически совпадает у разных групп исследователей. Но, что касается геометрических параметров вышеуказанной внутренней структуры вулкана, здесь до сих пор не существует единого мнения и оценки сильно разнятся. Кроме того, не существует до сих пор ни одной исследовательской программы по непрерывному мониторингу внутреннего состояния вулканической структуры, что является самым важным моментом для прогноза вулканической деятельности, и в конечном итоге извержения, которое имеет, по всей видимости (для данного типа вулкана), эксплозивный характер. Необходимо отметить, что отсутствуют разработки, которые учитывают резонансные особенности неоднородных структур вулканической постройки. Именно резонансные особенности магматического очага и магматической камеры могут быть использованы для исследования состояния внутренних структур вулкана.

Следует помнить, что территория Северного Кавказа это территория с интенсивным развитием хозяйственной деятельности, высокой плотностью населения. Кроме известных факторов катастрофических последствий вероятного извержения, таких как лавовые и пирокластические потоки, угрожающие непосредственно прилегающим территориям, следует сказать, что Эльбрус обладает самой крупной ледниковой системой Кавказа, состоящей из 25 ледников. Суммарная физическая поверхность всех ледников с учетом снежно-ледового покрова вершин Эльбруса составляет 139 км2, а суммарный объем льда оценивается в 6 км . Наличие обширного снежно-ледового покрова делает вулкан Эльбрус еще более опасным, так как в случае будущих любой силы и типа извержений к собственно вулканической опасности обязательно добавится катастрофическая опасность от образования лахаров и крупномасштабных наводнений, которые могут предваряться валом 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 народохозяйственной точек 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:

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.

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.

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 Мш 4.5-9.1, за более чем 7-летний период наблюдений. В результате этого анализа в спектрах литосферных деформаций с 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 семилетних 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 интерферометра-деформографа. 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.

Личный вклад автора

1. Создан прикладной пакет программного обеспечения GLOBAL, для контроля качества поступающей информации и последующего анализа данных, как составной части (software) Баксанского интерферометра-деформографа. 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.

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.

Апробация результатов

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях:

• Международной конференции "Laser Optics" (С-Петербург, 1998);

• Международной конференции по космическим лучам ICRC-2003 (Япония, Тсукубо 2003);

• Генеральных ассамблеях Европейского союза наук о Земле EGU (Австрия, Вена 2005, 2006, 2008, 2009, 2011).

• Сагитовских чтениях ГАИШ (Москва 2005, 2007,2009);

• Международной конференции по гравитации, астрофизике и космологи ICGA8 (Япония, Нара, 2007);

• Ломоносовских чтениях МГУ (Москва, 2007)

• Международной конференции по земным приливам ETS-2008 (Германия, Йена, 2008).

• Международном симпозиуме по нелинейной акустике ISNA2008 (Швеция, Стокгольм, 2008).

• Всероссийской научной конференции «Природные процессы, геодинамика, сейсмотектоника и современный вулканизм Северного Кавказа» (Кабардино-Балкария, 2009, 2010).

• Международной сейсмологической школе «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» (Владикавказ, 2010)

• V Всероссийский Симпозиум по вулканологии и палеовулканологии. Екатеринбург, 21-25 ноября 2011г. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2011.

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.

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.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Мясников, Андрей Владимирович

Заключение

Диссертационная работа является результатом 20-летней работы автора в лаборатории лазерной интерферометрии ГАИШ МГУ и непосредственно на Баксанской станции в Приэльбрусье, где установлен лазерный интерферометр-деформограф. Этот период времени охватывает непосредственно момент создания прибора до настоящего времени.

Именно это время характеризуется возобновлением и резким повышением сейсмического фона на Северном Кавказе (Рачинское землетрясение 1991 года), что, несомненно, говорит об общей активизации этого района в геодинамическом плане. Косвенные признаки (таянье ледников, появление на поверхности новых геотермальных источников) и прямые геофизические измерения свидетельствуют о возможном возобновлении магматической деятельности в Эльбрусском вулканическом центре. Поэтому прецизионные измерения литосферных деформаций в широком диапазоне частот (от 10 Гц до сверхнизкого диапазона, определяемого длиной записи) и неограниченном динамическом диапазоне полученные с помощью лазерного интерферометра становятся по истине уникальными данными.

Основные итоги выполненной работы:

• Детально изучен механизм влияния температуры и атмосферного давления на различные узлы механической части лазерного интерферометра-деформографа. Дано решения этой задачи в разных частотных диапазонах, начиная с полусуточного приливного диапазона до годового диапазона.

• Разработана методика учета и элиминации метеорологических факторов на деформационные измерения. Создано специальное программное обеспечение для «снятия» этих факторов и других возмущений техногенного происхождения. Создана процедура имитации работы интерферометра на основе теоретического солнечно-лунного прилива в период продолжительных остановок работы прибора, что позволило осуществить квазинепрерывный режим работы.

• Создана программа Global для работы с деформационными данными в бинарном формате. Программа позволяет осуществить в интерактивном режиме визуальный просмотр данных в графическом режиме, цифровую фильтрацию данных с заданными параметрами фильтра, спектральный анализ, построение гистограмм и корреляционных функций. Разработана методика оценки добротности резонансного пика спектрограммы в полуавтоматическом режиме.

• Применен на практике в реальных условиях эльбрусского вулканического центра резонансный метод. Обработано три с половиной сотни сейсмических событий за период ноябрь 2004г. по декабрь 2010г. Обнаружено десять устойчивых резонансных групп, которые, с большой степенью вероятности, можно ассоциировать с собственными частотами магматической камерой Эльбруса. Определена основная резонансная мода, которая позволила оценить максимальный поперечный размер камеры.

• Оценка добротности всех резонансных мод позволила отчетливо выявить динамику этого параметра за шестилетний период наблюдений. Таким образом, было установлено существование термодинамических процессов во внутренней структуре Эльбруса, что является прямым свидетельством активности вулкана. Показано, что с помощью деформационных данных Баксанского лазерного интерферометра-деформографа возможен непрерывный мониторинг внутреннего состояния вулкана Эльбрус.

Развитие инструментальной базы, создание банка данных для решение всех перечисленных задач требует дальнейшего совершенствования методики учета влияния всех техногенных и метеорологических факторов на прецизионные измерения. Так остается проблема «снятия» сезонных изменений температуры с деформационных данных. Только максимально полное знание всех параметров и характеристик измерительного инструмента (куда входят: механическая часть, фундаменты, прилегающая скальная порода) как передаточной функции решит задачу элиминации температуры.

Необходима установка более «удачного» расположения температурных датчиков, на более глубоком уровне в грунте. Дополнительная термоизоляция конечных элементов интерферометра, как показал анализ, даст очень эффективный вклад в решении этой проблемы.

Что касается резонансного метода, то его развитие видится в направлении изучения влияния лунно-солнечного прилива на акустические свойства магматической камеры как резонатора. Согласно теории [Мельхиор, 1968], вследствие радиальных приливных смещений происходит последовательное объемное увеличение и уменьшение полостей в земной коре. Отсюда следует, что происходит последовательное изменение давления внутри камеры, что, в свою очередь, приводит к обратному изменению добротности камеры как механического резонатора и, вероятно, к смещению собственных частот резонатора.

Если будет обнаружена зависимость параметров резонансных мод от солнечно-лунного прилива, это послужит, во-первых, прямым доказательством существования жидкого расплава в магматической камере. Во-вторых, появится возможность детально развить методику мониторинга состояния внутренней структуры вулкана Эльбрус.

Так автор видит дальнейшее совершенствование инструментальной техники, развитие банка данных и резонансного метода в частности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мясников, Андрей Владимирович, 2012 год

1. Авдулов М.В. О геологической природе гравитационной аномалии Эльбруса // Известия АН СССР. Сер. Геол. 1962. №9. С. 67-74.

2. Авдулов М.В. Строение земной коры по данным гравиметрии на Центральном Кавказе // Советская геология. 1963. № 9. С. 73-89

3. Авдулов М. В. Методика и результаты количественной интерпретации Эльбрусского гравитационного минимума, Физика Земли №5, 1994 г.

4. Авдулов М. В., Короновский Н. В., О геологической природе Эльбрусского гравитационного минимума, Вестн. Моск. ун-та. серия 4. геология. №3, 1993 г.

5. Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы. М.: ОИФЗ РАН, 1996. 188с.

6. Алешин В.А., Дубов H.H., Яковлев А.П. Геофизический лазерный деформограф штольневого типа // Известия РАН. Сер. Физика Земли. 1993. № 4. С. 62.

7. Арбузкин В.Н., Компаниец М.А., Швец А.И., Греков И.Т., Литовко Г.В. и др. Отчет о комплексных геолого-геофизических исследованиях по Приэльбрусскому профилю. ФГУП «Кавказгеолсъемка». Ессентуки, 2002. 120с.

8. Атлас ледников Эльбруса. Часть 1. Фотоснимки ледников. М.: Изд-во МГУ, 1965. 20с.

9. Багаев С.Н., Орлов В.А., Фомин Ю.Н., Чеботаев В.П. Лазерные деформографы для прецизионных геофизических измерений // Известия АН СССР. Сер. Физика Земли. 1992. № 1. С. 85.

10. Бат Маркус. Спектральный анализ в геофизике. М.: "Недра". 1980. 535 с.

11. Белоусов В.В. Большой Кавказ как тектоническая лаборатория // Проблемы геодинамики Кавказа. М.: Наука, 1982. С. 9-13.

12. Белоусов В.В. Тектоносфера Земли: взаимодействие верхней мантии и коры // МГК АН СССР. М., 1991. 71с.

13. Бердичевский М. Н. Электрическая разведка методом магнито-теллурического профилирования, М., 1968.

14. Богатиков O.A., Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г. и др.//Катастрофические палеолахары вулкана Эльбрус (Северный Кавказ) ДАН. 1998. Т. 363. № 4. С. 515-517.

15. Богатиков O.A., Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г. и др. Радиоуглеродное датирование голоценовых извержений вулкана Эльбрус (Северный Кавказ) ДАН. 1998. Т. 363. № 2. С. 219-221.

16. Богатиков O.A., Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г. и др. Эльбрусская кальдера (Северный Кавказ) ДАН. 1998. Т. 363. № 4. С. 515-517

17. Богатиков О.В. , Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г. и др. Катастрофическая плейстоценовая и голоценовая активность вулканического центра Эльбруса (Северный Кавказ). \\ Докл. РАН 1998г. Т. 362. № 4. С. 518-521.

18. Богатиков O.A., Нечаев Ю.В., Собисевич A.JI. Использование космических технологий для мониторинга геологических структур вулкана Эльбрус. ДАН. 2002. Т. 387. № 3. С. 1-6.

19. Богатиков О. А., Гурбанов А. Г. Комплексные исследования Эльбруского и Казбекского вулканических центров: мониторинг и прогноз. Вестник Владикавказского научного центра, Том 3, №2, 2003 г.

20. Богатиков O.A., Залиханов М.Ч., Карамурзов Б.С. и др. Природные процессы на территории Кабардино-Балкарии // Под ред. акад. Н.П. Лаверова. М.: Изд-во ИГЕМ РАН. 2004. 438 с.

21. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Метод прогнозирования землетрясений по результатам линеаментного анализа космических изображений. Изв. ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2005,№1, с.76-83

22. Буклерский A.B., Карт A.M., Клячко Б.С., Милюков В.К., Мясников A.B. и др. Баксанский лазерный интерферометр // Измерительная техника. 1995. № 10. С. 5.

23. Васильева О.В., Карабутов A.A., Лапшин Е.А., Руденко О.В. Взаимодействие одномерных волн в средах без дисперсии. М.: Изд. МГУ, 1983. 82с.

24. Власов А.Н., Перебякин В.А., Поляков С.Ю., Привалов В.Е. Долговременная стабильность и воспроизводимость частоты He-Ne лазера с внутренними зеркалами // Квантовая электроника. 1986. Т. 13. № 2. С. 320.

25. Гаджиев Т.Г., Нечаев Ю.В., Потапова Е.И., Саттарова В.М. Карта глубинных структур Кавказа по космическим данным, масштаб 1 : 1 000 000. Баку: Изд-во ПО Азербайджангеодезия ГУГК СССР, 1989. 4 листа.

26. Газеев В.М., Носова A.A., Сазонова Л.В.*, Гурбанов А.Г., Докучаев А.Я. Петрогенетическая интерпретация ассоциаций минералов-вкрапленников плейстоценовых- голоценовых вулканитов Эльбруса (Северный Кавказ) // Вулканология и сейсмология (в печати)

27. Гурбанов А. Г., Богатиков О. А., Карамурзов Б. С., Цуканова Л. Е., Лексин А. Б., Газеев В. М., Мохов А. В., Горностаева Т. А., Жариков А. В., Шмонов В. М.,

28. Докучаев А.Я., Горбачева С. А., Шевченко А. В. Необычные виды дегазации из расплавов периферических магматических камер «спящего» вулкана Эльбрус(Россия). Геохимические и минералогические особенности. // Вулканология и сейсмология. 2011, № 4, с. 3-20

29. Звягинцев Л.И., Гурбанов А.Г. Петрофизические типы арисцийских гранитоидов Главного Кавказского хребта и их рудоносность // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1986. № 9. С. 13-26.

30. Кадик A.A., Луканин O.A., Лапин И.В. Физико-химические условия эволюции базальтовых магм в приповерхностных очагах,- М.: Наука, 1989.- 346 с.

31. Катастрофические процессы и их влияние на природную среду. / Под редакцией академика Лаверова Н.П. Том 2. Сейсмичность. М.: Региональная общественная организация,ученных по проблемам прикладной геофизики, 2002. 506с.

32. Козырева A.B., Милюков В.К. Оценка резонансных характеристик магматического очага вулкана Эльбрус по деформационным наблюдениям // Вестн. Моск. ун-та. Физика. Астрономия. 2003. № 3. С. 62-67.

33. Копаев А. В., А. Г. Гурбанов. Гравиметрические исследования в Геналдонском ущелье: первые результаты. Вестник Владикавказского научного центра, Том 4, №3, 2004 г.

34. Короновский Н.В. Геологическое строение и история развития вулкана Эльбрус // Оледенение Эльбруса,- М.: МГУ, 1968,- С. 15-72.

35. Ле Пишон К., Франшто Ж., Боннин Ж. Тектоника плит // Изд. «Мир» М. 1977г.

36. Лучицкий И.В. Основы палеовулканологии. М.: Наука, 1971. Т.1. 480с.

37. Маков Ю.Н., Руденко О.В., Собисевич Л.Е., Собисевич А.Л. О резонансных явлениях в геофизической среде // Развитие методов и средств экспериментальной геофизики. М.: ИОФЗ РАН, 1996. В. 2. С. 194-200.

38. Малахов А. Гравитационные аномалии вулканических районов. // Измерительная техника. 1990. № 11. С. 9.

39. Мельхиор П. Земные приливы. М.: "Мир". 1968. 483 с.

40. Милюков В.К., Руденко В.Н., Клячко Б.С., Карт A.M., Мясников A.B. Широкополосный лазерный интерферометр для мониторинга деформаций Земли // Известия Академии наук. Сер. Физическая. 1999. Т. 63. № 6. С. 11921197.

41. Милюков В. К., Мясников A.B. Метрологические характеристики Баксанского лазерного интерферометра // Измерительная техника. 2005. № 12. С. 26-30.

42. Милюков В.К. Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций //Вулканология и сейсмология. 2006. № 1.С. 1-13

43. 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.

44. Расцветаев JI.M. О геологической природе линеаментов, выявленных на космических изображениях Кавказа // Известия вузов. Геол. и разведка, 1974, №12, с. 58-66.

45. Розен О.М., Федоровский B.C. Коллизионные гранитоиды и расслоение земной коры,- М.: Научный мир, 2001.- 188 с. (Тр. ГИН РАН, Вып. 545).

46. Саваренский Е.Ф., Нерсесов И.Л., Кармалеева P.M., Латыниа Л.А.// Физика Земли. 1966. № 5. С. 33.

47. Собисевич А.Л. Избранные задачи математической геофизики и вулканологии. М.: ИФЗ РАН, 2010.-464 с.

48. Собисевич Л.Е.,Милюков„В.К., СобисевинА.Л.Механико-математинеский. мониторинг магматических структур вулкана Эльбрус // Современные математические и геологические модели в задачах прикладной геофизики. М.: Изд.ОИФЗ РАН, 2001г. С 223-249.

49. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях. Справочник / Под ред. Кузнецова В.М., Зубарева В.Н., Козлова А.Д. и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. 232 с.

50. Толстых М.Л., Наумов В.Б., Гурбанов А.Г. и др. Состав магматических расплавов вулкана Эльбрус и Казбек (Кавказ) по данным изучения включений в минералах // Геохимия. 2001. № 4. С. 441-448.

51. Трифонов В.Г. Неотектоника Евразии. М.: Научный мир, 1999. 252с.

52. 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. 121.

53. Федотов С.А. О входных температурах магм, образовании, размерах и эволюции магматических очагов вулканов // Вулканология и сейсмология. 1980. №4.С. 3-29.

54. Федотов С.А. Расчет питающих каналов и магматических очагов вулканов, имеющих устойчивые размеры и температуру // Вулканология и сейсмология. 1988. № 3. С. 3-7

55. Федотов С.А., Горицкий Ю.А. Тепловой расчет цилиндрических питающих каналов и расхода магм для вулканов центрального типа. 4.1 // Вулканология и сейсмология. 1979. №6. С.78-93.

56. Федотов С.А., Гусев А.А., Чернышова Г.В., Шумилина JI.C. Сейсмофокальная зона Камчатки: (Геометрия, размещение очагов землетрясений и связь с вулканизмом) //Вулканология и сейсмология. 1985. №4. С. 91-107.

57. Флоринский И.В. Визуализация линеаментов и структур центрального типа: количественные топографические подходы. Пущино, ПНЦ РАН, 1992, 48с.

58. 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.

59. Шенгелая Г. Ш. Гравитационная модель земной коры Кавказа. М., «Наука», 1984 г.

60. Хаин В.Е. Тектоника линеаментов и неомобилизм / Geologica Balcanica, 8.3, Sofia, Sept.,1978, р.З 8.

61. Хаин В.Е., Лобковский Л.И. Условия проявления остаточной мантийной сейсмичности альпийского пояса Евразии // Геотектоника. 1994. - № 3. С. 1220.

62. Хаин В.Е. Тектоника континентов и океанов (год 2000). М.: Научный мир, 2001.-606 с.

63. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М: КДУ, 2010. 560

64. Большой Кавказ в альпийскую эпоху. // Под ред. Ю.Г. Леонова. М.: ГЕОС, 2007. 368

65. Хитаров В.И. К оценке активности вулкана Эльбрус // Докл. АН СССР, 1984, т.275, №4, с. 952-984.

66. Якушева А.Ф., Хаин В.Е., Общая геология. М.: Мир, 1988.

67. Agnew D. С. Strainmeters and Tiltmeters // Rev. Geophys. 1986. V. 24 . № 3. P. 579624

68. Chouet B.A. A seismic model for the source of long-period events and harmonic tremor. // In: Volcanic Seismology. Ed. by Gasparini P., Scarpa R. and Aki K. Springer Verlag, New York. 1992. P. 133-156.

69. Crescentini L., Amoruso A., Fiocco G., Visconti G. Installation of a high-sensitive laser strainmeter in a tunnel in central Italy // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. № 8. P. 3206-3210.

70. 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.

71. Kopaev A.V., Milyukov V.K. Geodynamical Investigation Program in Baksan Canyon Area // In: Geodesy and Physics of the Earth. Proc. VII Internat. Sympos. Potsdam. 1992. P. 147.

72. Kopaev A., Milyukov V. Environmental effects in tide strain observations near the Mt. Elbrus, Central Caucasus // Marees Terrestrees. Bull. d'Inform. 2002. N 137. P. 10909-10916

73. Kumagai H., Chouet B.A. Acoustic properties of a crack containing magmatic or hydrothermal fluids // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № B11. P. 25493-25512.

74. Milyukov V., Azarova V., Goliaev Yu., Solovieva T. Sensing of Earthquake Precursors with Laser Interferometer // Proceedings of SPIE. 2000. V. 4101, P 117121.

75. Milyukov V. Baksan Laser Interferometer Observations: Gravitational and Astrophysical Aspects // In: Gravitation and Astrophysics. Ed. by Liao Liu. Word Scientific. 2000. P. 89-103.

76. Takemoto S., Araya A., Akamatsu J. et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tunnel at Kamioka, Gifu, Japan // Jour, of Geodynamics. 2004. V. 38 P. 477.

77. Wu Shu-Chao, Chen Fan, Fan Shu-Hua, Luo Iun. Phase leading of temperature variation in cavity caused by heat conduction between air and rock. // Chit.phis.lett. 2003. № 12, P. 20.