Проблемы вибросейсмического мониторинга вулкана Эльбрус

УДК 550.344

Б.М. Глинский, А.Г. Фатьянов ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

ПРОБЛЕМЫ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС

В работе рассматриваются теоретические, методические и экспериментальные основы создания системы мониторинга вулкана Эльбрус с применением мощных вибросейсмических источников. Предлагается концепция создания системы для изучения геометрии магматических камер, глубинных разломов в районе вулкана, динамики процессов извержения с использованием методов вибросейсмического зондирования, основанных на применении мощных контролируемых источников с усилием на грунт 40-100 тонн. Приводятся результаты расчёта сейсмического поля для очаговой зоны вулкана Эльбрус. Определенное внимание уделено разработке методики вибросейсмического мониторинга этого вулкана, которая, по нашему мнению, позволит измерить скорости подъема магмы в каналах и прогнозировать время извержения изучаемого вулкана в комплексе с другими геофизическими, геохимическими и геологическими методами. В заключение предлагается проект системы мониторинга вулкана Эльбрус с применением низкочастотного вибратора и сети сейсмологических станций СевероКавказского региона.

В настоящее время в мире насчитывается около 700 вулканов, считающихся активными. В среднем ежегодно извергаются 55-60 вулканов. В России к числу таких регионов относятся Камчатка и Северный Кавказ, подобные области имеются на Филиппинах, Гавайях, Италии и других регионах планеты. Катастрофические извержения вулканов являются трудно предсказуемыми, стихийными бедствиями и представляют серьезную угрозу населению, проживающему вблизи вулканов. Катастрофические извержения с разрушением постройки вулкана часто связаны с "потухшими" вулканами, например, вулканы Безымянный, Сент-Хеленс, события произошедшие в 1996 г. на Камчатке, в "древней" кальдере Академии Наук. На Европейской части России к потенциально действующим относится крупнейший вулкан Эльбрус [1,2]. Важно отметить, что площадь его ледников составляет 139 кв. км, а суммарный объем льда 6-7 куб. км [3]. При проявлении активности этого вулкана будут затоплены большие площади Краснодарского и Ставропольского краев. Известно, например, что каждый вулкан характеризуется своеобразием взаимосвязи сейсмической и вулканической активности. Например, землетрясения, предшествующие извержению вулкана Везувий начались за 16 лет, а при извержении Геклы локальные землетрясения начались всего лишь за 20 минут [4].

МЕТОДИКА ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Предлагаемая система для активного мониторинга магматических структур с контролируемым вибросейсмическим источником позволит

получить новые знания о строении вулканов и о динамике поведения магматических структур живущих вулканов. Данный подход к мониторингу вулканов является новым и, насколько известно авторам, ранее не предлагался. Создание основ активного вибросейсмического мониторинга живущих вулканов требует проведения сложных численных расчетов, экспериментальных и методических исследований. Рассмотрим некоторые аспекты построения вибросейсмического метода и системы для мониторинга вулканов.

Отличительной особенностью предлагаемого подхода является применение контролируемых вибрационных источников, позволяющих проводить излучение сейсмических волн в различных режимах (монохроматическом, свип-сигналов и др.) с высокой степенью точности. По нашему мнению предлагаемый метод позволит использовать для обнаружения и последующего наблюдения изменений состояния сейсмоакустических параметров вулканических каналов и их окрестностей принципиальное преимущество современной вибрационной технологии сейсмического зондирования с мощными источниками. Это преимущество основано на высокой и долговременной стабильности параметров излучения вибрационных сигналов, которые обеспечиваются современными системами компьютерного управления вибраторами [5].

Обобщенная модель информационной системы для активного вибросейсмического мониторинга подробно описана в работах [6-8].

На Быстровском полигоне под Новосибирском разработаны и смонтированы несколько типов излучателей. Самый мощный стационарный центробежный вибратор ЦВ-100 обеспечивает усилия на грунт до 100 тонн в полосе частот от 5 до 8.5 Гц. Основанный на этом принципе сборноразборный источник передвижного типа ЦВ-40 обеспечивает усилия на грунт до 40 тонн в полосе частот от 6 до 10 Гц [5]. Именно такого типа источники могут быть применены для изучения вулканических структур. Для синхронизации процессов излучения и приема вибросейсмических сигналов используются GPS-приемники.

ЧИСЛЕННЫЕ РАСЧЁТЫ

Для обоснования экспериментальных работ разработан алгоритм и на этой основе создан комплекс программ моделирования волновых полей для произвольных моделей магматических камер, произвольных расстановок вибратора, регистрирующих систем и параметров [8-10].

Для моделирования реальных очаговых зон приведён пример расчёта волновых полей для магматической камеры живущего вулкана Эльбрус. Сложная геологическая форма постройки вулкана Эльбрус и недостаточный объём информации о физико-механических свойствах магмы накладывают известные трудности в построении реальной модели исследуемого явления. На рис.1 приведены волновые поля для очаговой зоны вулкана Эльбрус для трёх положений источника (Собисевич А.Л. и др., Катастрофические процессы, Москва, 2002). Эта модель характеризуется пачкой слоёв,

соответствующей осадочным породам, гранитам и базальтам. Магматическая камера взята в виде квадратного включения. При этом очаговая зона является не полой, а содержит среду с более низкой скоростью.

На рис.2 для сравнения приведены волновые поля для такой же модели, как и на рис.1. Но в этом случае отсутствует очаговая зона вулкана Эльбрус. Из сравнения рис. 1-2. видно, что в случае наличия очаговой зоны волновая картина имеет гораздо более сложный и информативный вид.

Рис. 1. Волновые поля для очаговой зоны (для расчетов взята модель

Собисевича А.Л. и др.)

Рис. 2. Волновые поля при отсутствии очаговой зоны

ПРОЕКТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ НА ВУЛКАНЕ ЭЛЬБРУС

Результаты моделирования показали, что расположение источника (в данном случае вибратора) имеет существенное влияние на формирование волнового поля. Оно максимально, если вибратор расположен над центром магматической области. При удалении вибратора от изучаемого объекта волновое поле существенно изменяется. Таким образом, целесообразно установить вибратор как можно ближе к вершине Эльбруса.

Для наблюдений в режиме мониторинга можно использовать стационарную региональную сеть сейсмических наблюдений на Северном Кавказе.

Существующая в ЦОМЭ сеть сейсмических наблюдений в регионе Северного Кавказа, позволяет без пропусков регистрировать землетрясения с К=6-7 только для территории Кавминводского геодинамического полигона, с К=8 - для Центральной части Северного Кавказа, землетрясения с К=9 для южной части Ставропольского края, юго-западных районов Краснодарского края, Карачаево-Черкессии, Кабардино-Балкарии, РСО-Алании и Ингушетии

Землетрясения с К=10, регистрируемые этой сетью, представительны практически для всей территории Северного Кавказа (обозначены на рис. 3 пустыми треугольниками).

Рис. 3. Схема сети аналоговых сейсмических станций и потенциальных очагов сильнейших землетрясений Северного Кавказа. В очагах 1,3,6,7,8 -

Mmax >7.

В очагах 2,5 - Mmax<7

Аналоговые станции расположены в городах Анапа, Сочи, Пятигорск, Махачкала, Ессентуки и поселке Цей. Их наблюдения используются для определения параметров гипоцентров землетрясений не только в регионе Северного Кавказа, но и на телесейсмических расстояниях.

Однако аналоговые станции являются не лучшим вариантом для вибросейсмических наблюдений. Отсутствие цифровых записей сильно затруднит получение корреляционных сейсмограмм и применения методов интерферометрии, наиболее чувствительного к динамическим изменениям среды. Наиболее приемлемы цифровые станции: широкополосная цифровая сейсмическая станция ЫУ; сейсмическая микрогруппа KIVMA, которые являются автоматическими станциями локальной сети Кавминводского геодинамического полигона.

Производство наблюдений на станциях Северо-Кавказских сетей осуществляется Опытно-методической экспедицией ГС РАН. Потребуется согласование с этой службой для использования станций Северо-Кавказских сетей в режиме непрерывной записи при проведении мониторинга магматической камеры Эльбруса с помощью сеансов вибросейсмического зондирования.

Наилучшим решением было бы применение автономных передвижных станций типа RefTek, которые бы разворачивались вокруг Эльбруса с радиусом 15-50 км на время сеансов вибросейсмических зондирований.

К достоинствам подхода с использованием стационарной сети сейсмологических станций этого региона следует отнести возможность также вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон Северного Кавказа, указанных на рис.3. Землетрясение силой около 4 баллов, которое

произошло в ноябре 2004 года в районе Сочи, говорит о повышенной сейсмоопасности этого региона. Однако эта возможность применения вибратора нуждается в детальной проработке и экспериментальном опробовании.

Таким образом, в настоящее время имеются все предпосылки для организации системы мониторинга живущего вулкана Эльбрус. Ключевым моментом для реализации этой идеи является необходимость изготовления мощного низкочастотного вибратора и установка его в непосредственной близости от вершины вулкана. В пяти километрах от вершины такая площадка имеется, а в АСОМСЭ разработан передвижной источник с усилием на грунт 40 тонн, который может быть размещен в непосредственной близости от Эльбруса, рис. 3 (перевернутый треугольник).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (№ 03-05-65292, 03-05-64402), программы РАН № 16, Интеграционного проекта СО РАН № 57.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лаверов Н.П., Богатиков О.А., Гурбанов А.Г. и др. Геодинамика, сейсмотектоника и вулканизм центрального Кавказа. //Глобальные изменения природной среды и климата. М.: Наука, 1977, С 109-130.

2. Богатиков О.А., Гурбанов А.Г., Мелекесцев И.В. и др. Проблема активизации вулкана Эльбрус (Северный Кавказ) и возможные ее последствия. //Глобальные изменения природной среды. Мин. Науки и технологий РФ, РАН. Новосибирск: СО РАН НИЦ ОИИГМ, 1998, С 153-164.

3. Богатиков О.А., Нечаев Ю.В. Собисевич А.Л. Уточнение структурных особенностей материнского магматического очага и вулканической камеры Эльбруса. // М.: ОИФЗ Ран, 2001, С. 223-249.

4. Раст Х. Вулканы и вулканизм. //М.: Мир, 1982, С. 344.

5. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Еманов А.Ф., Кашун В.Н., Ковалевский В.В., Манштейн А.К., Селезнев В.С., Сердюков С.В., Соловьев В.М., Собисевич А.Л., Собисевич Л.Е., Хайретдинов М.С., Чичинин И.С., Юшин В.И. Новые геотехнологии и комплексные геофизические методы изучения внутренней структуры и динамики геосфер. //Коллективная монография под ред. Ак. Н.П. Лаверова. Изд. "Региональная общественная организация ученых по проблемам прикладной геофизики", Москва, 2002г, с. 400.

6. Глинский Б.М. Техника и методика большемасштабных вибросейсмических экспериментов. //ИСТ 2000. Сборник статей. НГТУ, Новосибирск, 2001, С. 52-56.

7. Glinsky B.M. Architecture of Computer-telecommunication Systems for Active Seismology //Proc. 15th IMACS World Congress, Berlin, 1997, V 6,P 353-358

8. Glinsky B.M., Fatyanov A.G. Theoretical and Experimental Grounds of Vibroseismic

/st

International Workshop on Active Monitoring in the solid Earth Geophysics (IWAM04)”. Task Group for Active Monitoring, Mizunami, Japan, 2004 - p. 133-136.

9. Фатьянов А.Г. , Михайленко Б.Г. Метод расчёта нестационарных волновых полей в неупругих слоисто-неоднородных средах // ДАН, 1988,т.301, №4, с. 834-839.

10. Фатьянов А.Г. Математическое моделирование волновых полей в средах с криволинейными границами // Докл. РАН, т.401, № 4, 2005. - p.529-532.

© Б.М. Глинский, А.Г. Фатьянов, 2006