Способ мониторинга вулканической активности на основе выделения стоячих волн
METHOD FOR MONITORING VOLCANIC ACTIVITY BASED ON THE SELECTION OF STANDING WAVES

Изобретение относится к области геофизических методов мониторинга и прогнозирования вулканической активности.
На протяжении всей человеческой истории люди селились рядом с вулканами и их жизнь непосредственно зависела от периодов их активизации. Помимо угрозы близкорасположенным населенным пунктам вулканы могут представлять опасность для людей, находящихся на удалении, или для авиасообщения из-за выбрасываемых при извержении облаков пепла, или ядовитых газов.
Так, для своевременного планирования мер по предотвращению и минимизации ущерба от извержения существуют и используются различные методы наблюдения за вулканической активностью, позволяющие с определенной вероятностью предсказывать поведение вулканов.
Методы мониторинга охватывают метод визуального контроля за внешними признаками извержений, предсказания, базирующиеся на статистических данных [1]. Кроме того, существуют методы мониторинга вулканической активности, основанные на спутниковых наблюдениях (спутниковая радиолокация, интерферометрия) [2, 3, 4, 5, 6]. Наиболее широко используемыми и точными методами предсказания вулканической активности являются методы, основанные на интерпретации данных, получаемых в процессе наблюдения землетрясений, происходящих в период активизации вулкана [7, 8, 9, 10].
Задача изобретения
состоит в создании метода мониторинга вулканической активности позволяющего предсказывать с высокой точностью возможные извержения вулканов, использовать при осуществлении способа алгоритмы автоматической обработки данных с получением результата об активизации вулкана, а также позволяющего его использовать в сочетании с другими сейсмологическими методами мониторинга вулканической активности, например, основанными на регистрации и анализе данных о землетрясениях вблизи вулкана, базирующихся на непрерывной записи сейсмограмм, по данным которых могут быть выделены стоячие волны.
Технический результат
при осуществлении изобретения:
- повышение чувствительности при определении уровня вулканической активности.
Технический результат достигается предлагаемым способом мониторинга вулканической активности на основе стоячих волн, в котором на вулкане регистрируют шумовые сейсмические записи, разбивают на фрагменты, вычисляют их амплитудные спектры и усредняют полученные спектры во временном окне, затем полученные частоты низших колебательных мод сравнивают во всем периоде наблюдения за вулканом, при этом изменение частоты низшей моды собственных колебаний свидетельствует о начале периода активизации вулкана.
Предлагаемый способ может быть использован для мониторинга активности любого вулкана, где могут быть размещены сейсморегистраторы. Способ не требует использования специального типа регистраторов, отличных от широко используемого другими сейсмологическими методами оборудования.
В заявленном способе для выделения стоячих волн из микросейсм, в качестве которых выделяют упругие стоячие волны из сейсмического шума и проводят анализ первых мод собственных колебаний исследуемой вулканической постройки, осуществляют следующие операции:
а) регистрируют когерентные паразитные шумы, для последующего учета при обработке полученных данных;
б) разбивают сейсмические записи на временные блоки для дальнейшей обработки;
в) производят преобразование Фурье для каждого блока и строят непрерывную спектрограмму;
г) выбирают оптимальный размер временного окна для осреднения амплитудных спектров таким образом, чтобы наглядно выделить собственные колебания;
д) усредняют полученные амплитудные спектров в выбранном временном окне путем их суммирования;
е) определяют частоты первых мод собственных колебаний вулканической структуры и проводят их анализ.
Известно, что собственные колебания вулканических построек лежат в диапазоне от 0 Гц до 2 Гц, поэтому многие паразитные наводки, такие как работа насосно-компрессорных станций, электросетей и т.д. не вносят ошибок при выделении частот собственных колебаний. Это позволяет, не всегда, но во многих случаях не осуществлять регистрацию когерентных паразитных шумов для последующего учета в выделении стоячих волн из сейсмического шума.
Полученные усредненные амплитудные спектры стоячих волн из сейсмического шума спектрограммы несут в себе информацию о собственных частотах низших колебательных мод вулканической постройки. Значения частот этих колебательных мод зависят, главным образом, от размера вулканической постройки и длины подводящих каналов, заполненных магмой. Поскольку размеры самой постройки остаются неизменными до извержения, то частоты собственных колебаний зависят только от длины магматических каналов, соединенных между собой.
Значения частот собственных колебаний в таком случае определяются формулой:
p
где n - номер моды стоячих волн, V - скорость продольных волн, h - длина магматического канала.
Известно, что частично расплавленные магматические массы в период активизации поднимаются из недр к магматическому очагу, что увеличивает длину магматического канала, дающую вклад в определение частоты. Это ведет к относительному понижению частоты собственных колебаний, а также понижаются из-за частичного расплавления скорости продольных волн, что в результате проявляется понижением частот и достигается повышение чувствительности при определении уровня вулканической активности.
Таким образом, при непрерывном мониторинге частот низших колебательных мод вулкана в период его активизации наблюдается понижение частот этих мод, относительно спокойного периода, что и обеспечивает повышение чувствительности при определении уровня вулканической активности.
Этот факт подтверждается проведенными исследованиями с использованием методики выделения стоячих волн из микросейсм на вулкане Безымянный, входящем в Ключевскую группу вулканов на Камчатке и вулкане Редаут на Аляске, являющемся частью Алеутского хребта. Используемые для анализа данные, полученные при наблюдении за этими вулканами, являются длительными сейсмическими записями со множества трехкомпонентных сейсмостанций и включают в себя как спокойные периоды, так и периоды активизации, заканчивающиеся извержениями.
Обработку данных производят в соответствии с указанными операциями выделения стоячих волн из сейсмического шума. Размер окна для преобразования Фурье составляет 8192 отчета сейсмической трассы. Временное окно для усреднения полученных амплитудных спектров, в среднем, выбирают равным 1 неделе, что является достаточным для точного определения низшей моды собственных колебаний в каждый недельный промежуток. Однако ширина временного окна может варьироваться и возможно использование меньшего окна для осреднения. Минимальный размер окна составил 3 суток, что не сказалось на точности определения частоты низшей колебательной моды.
В результате обработки данных по каждой из сейсмостанций обоих вулканов, на каждой из трех компонент были определены моменты активизации вулканов и моменты извержений по понижению частоты низшей моды собственных колебаний, относительно спокойного периода. После извержения, вследствие выброса магматического материала, частота повышалась и совпадала с частотой спокойного периода.
Фиг. 1
На представлен результат определения частоты низшей колебательной моды вулкана Безымянный в спокойный период, полученный с проведением осреднения во временном окне шириной 13 суток, при этом частота низшей моды собственных колебаний равна 0.2 Гц.
Фиг. 2
На представлен результат определения частоты низшей колебательной моды вулкана Безымянный в период активизации вулкана, полученный с проведением осреднения во временном окне шириной 9 суток, при этом частота низшей моды собственных колебаний равна 0.16 Гц.
Фиг. 3
На представлен результат определения частоты низшей колебательной моды вулкана Безымянный сразу после извержения, полученный с проведением осреднения во временном окне шириной 3 суток, при этом частота низшей моды собственных колебаний равна 0.2 Гц.
Фиг. 1, Фиг. 2
Представленные результаты показывают, что при активизации вулкана Безымянный, окончившейся его извержением изменение частоты низшей моды колебаний составило 20% и произошло за 10 дней до момента извержения ().
Изменение размера временного окна, в котором усреднялись полученные амплитудные спектры было обусловлено качеством данных и наглядностью результата.
Фиг. 1
Фиг. 3
На  -  приведены результаты анализа одной из сейсмостанций, расположенных на вулкане Безымянный. Аналогичные результаты были получены по данным остальных сейсмостанций.
Одновременное использование данных с нескольких различных сейсмостанций, расположенных на одном вулкане, многократно повышает достоверность определения периода активизации и позволяет избежать влияния помех, вызванных локальными изменениями сигнала для некоторых станций.
Полученные результаты наглядно демонстрируют возможность предсказания извержений вулканов с помощью выделения стоячих волн из сейсмического шума по понижению частоты низшей колебательной моды в период активизации вулкана. То, насколько заранее будет предсказано извержение, зависит от времени активности вулкана перед извержением, но в среднем составляет от одной до двух недель.
Изобретение может быть дополнено системой автоматической обработки получаемых данных мониторинговым комплексом с автоматической отправкой оповещения об активизации вулкана.
Регистрирующим комплексом записываются и обрабатываются три низших моды по трем взаимноортогональным компонентам (X, Y, Z). В случае если одна из мод претерпевает изменения, то это сигнализирует начале периода активизации.
Использованные источники информации
1. G.A. Papadopoulos, K. Orfanogiannaki, Long-Term prediction of the next eruption in Thera volcano from conditional probability estimates, Editor(s): Michael Fytikas, Georges E. Vougioukalakis, Developments in Volcanology, Elsevier, Volume 7, 2005, Pages 211-216.
2. О. А. Гирина, Д. В. Мельников, А. Г. Маневич, Спутниковый мониторинг вулканов Камчатки и Северных Курил. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. №6. С. 194-209.
3. Bonny, E., Wright, R. Predicting the end of lava flow-forming eruptions from space. Bull Volcanol 79, 52 (2017).
th
4. T. T. Le, J. L. Froger, A. Hrysiewicz, H, Pham, Multitemporal InSAR Coherence Change Analysis: Application To Volcanic Eruption Monitoring. 10 International Workshop on the Analysis of Multitemporal Remote Sensing Images (MultiTemp), Shanghai 2019.
5. Ian J. Hamling (2021) InSAR observations over the Taupō Volcanic Zone's cone volcanoes: insights and challenges from the New Zealand volcano supersite, New Zealand Journal of Geology and Geophysics.
6. Eva Savina Malinverni, David T. Sandwell, Anna Nora Tassetti & Lucia Cappelletti (2014) InSAR decorrelation to assess and prevent volcanic risk, European Journal of Remote Sensing, 47:1, 537-556.
7. Bruno Martinelli, Volcanic tremor and short-term prediction of eruptions, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 77, Issues 1-4, 1997, Pages 305-311, ISSN 0377-0273.
8. Lauriane Chardot, Arthur D. Jolly, Ben M. Kennedy, Nicolas Fournier, Steven Sherburn, Using volcanic tremor for eruption forecasting at White Island volcano (Whakaari), New Zealand, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 302, 2015, Pages 11-23,ISSN 0377-0273.
9. Mie Ichihara, Seismic and infrasonic eruption tremors and their relation to magma discharge rate: A case study for sub-Plinian events in the 2011 eruption of Shinmoe-dake, Japan, Journal of Geophysical Research-Solid Earth, Volume 121, October 2016, Pages 7101-7118.
10. Wellik John J., Prejean Stephanie G., Syahbana Devy K.. Repeating Earthquakes During Multiple Phases of Unrest and Eruption at Mount Agung, Bali, Indonesia, 2017. Frontiers in Earth Science, Volume 9, 2021. Pages 369.