Electric charging of eruptive clouds from Shiveluch Volcano caused by different types of explosions

Cover Page

Abstract


The number of explosive eruptions at Shiveluch Volcano has significantly increased over the past years, which requires close volcanic monitoring using all available techniques. In order to implement a new monitoring technique into integrated methods of volcano monitoring, the authors analyze response to the intensity of the vertical component in the atmospheric electrical field (EZ AEF) during the movement of ash clouds. Two eruptions of different intensity that occurred December 16, 2016 and June 14, 2017 at Shiveluch were selected for study. We used a combination of satellite, seismic, and infrasound data to select signals in the EZ AEF field. Signals with negative polarity that accompanied ashfalls in the EZ AEF dynamics were registered for both eruptions within the closest area (< 50 km). In the former case, the ash cloud was “dry” and thus it caused aerial-electrical structure of the negatively charged cloud. In the latter case, a strong explosion sent into the atmosphere the large volume of ash and volcanic gases (98% in form of vapour) that resulted in the formation of a dipolar aerial-electrical structure caused by eolian differentiation within the closest area. At the distance of more than 100 km we registered a positive-going signal that is attributive to the aerial-electrical structure of the positively charged type of the cloud.


ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле атмосферы (ЭПА) является чутким индикаторам высокоэнергетических процессов, происходящих как в атмосфере, так и в литосфере. Вариации параметров ЭПА ограничиваются не только облачными структурами и грозовыми разрядами, которые, в основном, формируют глобальную электрическую цепь [Мареев, 2010], но известны также и другие связи локального электрического поля атмосферы с геодинамическими процессами (землетрясения, извержения вулканов) [Пономарев и др., 2011].

Долговременные непрерывные наблюдения за градиентом потенциала электрического поля в приземном слое атмосферы, который определяет напряженность вертикальной компоненты электрического поля атмосферы (EZ ЭПА), являются экспериментальной основой для исследований локальных электрических эффектов в атмосфере. Эксплозивная активность вулканов Камчатки, при которой в атмосферу выбрасывается вулканический пепел, образующий эруптивные облака, является еще одним локальным источником аэроэлектрических структур.

Вулканические шлейфы, простирающиеся в некоторых случаях на сотни километров, несут мощный электрический заряд, который может регистрироваться приборами наземного базирования. Контролируя ЕZ ЭПА в приземном слое, можно обнаруживать присутствие эруптивных облаков, даже слабонасыщенных аэрозольными частицами мелкодисперсного пепла [Mather, Harrison, 2006].

На полуострове Камчатка Северная группа вулканов является уникальным объектом для изучения электризации эруптивных облаков (рис. 1). Частые эксплозивные извержения андезитовых вулканов Шивелуч и Безымянный, при соответствующих направлениях ветра, повышают вероятность прохождения эруптивных шлейфов над поселками Ключи и Козыревск, где установлены электростатические флюксметры (KZYG и KLYG, см. рис. 1). Первые результаты, полученные по данным с этих пунктов, приведены в работах [Акбашев, Фирстов, 2017; Фирстов и др., 2017; Shevtsov et al., 2016; Firstov et al., 2017]. В данной статье дано описание вариаций ЕZ ЭПА в пунктах KZYG и KLYG при прохождении эруптивных облаков, возникающих при извержениях вулкана Шивелуч разного генезиса.

 

Рис. 1. Схема расположения пунктов регистрации напряженности ЭПА и инфразвуковых волн в районе Северной группы вулканов и трассы эруптивных облаков от двух извержений вулкана Шивелуч, имеющих отклик в ЕZ ЭПА.

Пункты размещения приборов: 1 – флюксметр, 2 – радиотелеметрическая сейсмическая станция, 3 – микробарограф; 4, 5 – траектории эруптивных образований при извержениях (4 – 16.12.2016 г., 5 – 4.06.2017 г.).

На врезке показано расположение Северной группы вулканов на Камчатке и инфразвуковой станции IS44.

1 Здесь и далее по тексту высота дается над уровнем моря.

 

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АКТИВНОСТИ ВУЛКАНА ШИВЕЛУЧ

Самый северный действующий андезитовый вулкан Камчатки Шивелуч представляет собой сильно разрушенное вулканическое сооружение возрастом ~60–70 тыс. лет c основанием 45×40 км и площадью не менее 1300 км2. Абсолютная высота главной вершины 32831 м над уровнем моря (н.у.м.) Современная постройка включает три главных элемента: Старый Шивелуч, древнюю кальдеру и активный Молодой Шивелуч [Действующие вулканы ..., 1991].

Для последних 10 тыс. лет исторического времени для вулкана Шивелуч были характерны, преимущественно, два типа извержений: катастрофические эксплозивные извержения типа “направленных взрывов” и более слабые извержения, сопровождающиеся ростом экструзивных куполов.

Последнее катастрофическое извержение произошло 12.11.1964 г., в результате которого отмечено разрушение нескольких куполов с образованием кратера сложной формы размером 1.5 × 3.0 км и поля резургентных отложений “направленного взрыва” объемом ~1.5 км3. Вслед за этим началась плинианская деятельность, в результате которой было выброшено 0.3 км3 пепла и извергнуты пирокластические потоки объемом 0.3–0.5 км3 [Горшков, Дубик, 1969; Белоусов, Белоусова, 1995].

После 16-летнего перерыва в активности вулкана, с августа 1980 г. по настоящее время с небольшими перерывами в пределах вновь образованного кратера происходит рост экструзивного купола, сопровождаемый эксплозивными извержениями. Регулярные наблюдения за его формированием показали, что скорость роста и расход лавы непостоянны во времени. С 1980 г. по настоящее время выделяются три этапа в формировании экструзивного купола [Жаринов, Демянчук, 2013].

На первом этапе (август 1980 г. – конец 1981 г.) началось формирование экструзии. Появление первой порции лавы в виде выжимания отдельных блоков в центральной части кратера не предварялось и не сопровождалось ни сейсмической, ни вулканической активностью. Формирование купола сопровождалось разрушением отдельных его блоков с образованием раскаленных лавин и небольших пирокластических потоков. В этот период рост купола происходил со средней скоростью 0.8 м/сутки, и к концу 1981 г. относительная высота купола достигла 135 м.

На втором этапе (апрель 1993 – январь 1995 г.) после мощного эксплозивного извержения в апреле 1993 г. [Жаринов и др., 1995; Жаринов, Демянчук 2008; Фирстов и др., 1994; Хубуная и др., 1995] началась экструзивно-эксплозивная деятельность, сопровождавшаяся выжиманием новых экструзий на вершине центрального купола и отдельными эксплозиями различной мощности. В некоторых случаях эруптивное облако поднималось до высот тропопаузы (10–12 км), а пепловый шлейф распространялся на сотни километров.

Во время третьего этапа, с 7 мая 2001 г. по настоящее время с помощью цифровой видеосъемки проводился мониторинг роста экструзивного купола, и отмечалось количество выбросов (рис. 2). На основании полученных данных изучалась динамика изменения профиля экструзивного купола, и делались оценки объема и расхода изверженных продуктов [Жаринов, Демянчук, 2013].

 

Рис. 2. Динамика экструзивно-эксплозивного извержения вулкана Шивелуч в 2001–2017 гг.

а – максимальная высота лавового купола вулкана по данным теодолитных наблюдений из поселка Ключи; б – высота парогазовых и пепловых выбросов.

1 – сильные эксплозивные извержения, после которых происходило уменьшение высоты купола или его частичное разрушение; 2 – периоды излияния вязких лавовых потоков на склоны лавового купола.

 

После нескольких лет затишья, 7 мая 2001 г. началась сейсмическая активизация, сопровождавшаяся серией пепловых выбросов и интенсивным ростом экструзивного купола, который с мая по октябрь 2001 г. вырос почти на 200 м (см. рис. 2а).

В дальнейшем к экструзивно-эксплозивной деятельности добавилась слабая эффузивная с выжиманием коротких вязких лавовых потоков (см. рис. 2а). Мощные эксплозивные извержения с частичным разрушением экструзивного купола произошли 27.02.2005 г. и 28.10.2010 г. В течение двух лет после извержения 27.02.2005 г. количество пепловых выбросов происходило не более 3–4 в год. В 2007 г. наблюдалось образование лавовой короны на вершине купола, и появились вязкие лавовые потоки, что свидетельствует об уменьшении газонасыщенности магмы.

В 2008 г. продолжалось спокойное выжимание лавовых потоков с эксплозивными извержениями до 6 в год. Усиление эксплозивной деятельности до 20 эксплозий в год и рост купола отмечались в 2009–2010 гг. (см. рис. 2б). Мощное эксплозивное извержение, сопровождавшееся разрушением восточной стороны купола, произошло 28 октября 2010 г.

Рост экструзивного купола с последующим его частичным разрушением во время сильных эксплозивных извержений характерен для вулканов, извергающих роговообманковые андезиты. Это обусловлено высокой вязкостью и газонасыщенностью роговообманковой андезитовой магмы. Высокая вязкость магмы сдерживает дегазацию остаточного расплава, растягивая ее во времени, и, в то же время, приводит к образованию мощной жесткой лавовой пробки, запечатывающей вулканический канал, тем самым препятствуя свободному выделению газовой фазы из магмы в атмосферу. В результате возрастает давление выделяющихся из магмы летучих газов, которые являются движущей силой экструзивного процесса, приводящей к мощным эксплозиям. При этом происходит разрушение части купола. Жесткость экструзивного купола и давление скопившихся в магме газов вызывает высокую дисперсность продуктов эксплозий со значительной долей частиц пылеватой размерности. В дальнейшем, поскольку вулканический канал остается заполненный магмой, процесс повторяется.

В последующие годы также происходило увеличение количества эксплозий с 37 в 2011 г. до 70 в 2016 г., но резких скачкообразных уменьшений высоты купола не наблюдалось. В 2016–2017 гг. высота экструзивного купола стабилизировалась на высоте примерно 600 м от его основания. По-видимому, это предельная его высота, так как стали наблюдаться раскаленные лавины, а отдельные эксплозии сопровождаться обвалами. На взгляд авторов, эти два процесса компенсировали дальнейший рост купола за счет выжимания экструзии.

НЕКОТОРЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ОБЛАКОВ

Вопросами электризации эруптивных облаков при извержениях вулканов занимались многие исследователи. В самых ранних работах [Hatakeyama, 1949; Hatakeyama, Uchikawa, 1951], посвященных электризации вулканических облаков, показано, что частицы вулканического пепла при извержении получают значительный, как положительный, так и отрицательный заряд, при этом ЕZ ЭПА могла достигать значительных величин. Так на удалении 250 км от вулкана Акита-Яке-Яма (Япония) она составила 1.2  кВ/м.

Натурные наблюдения, выполненные на Большом трещинном Толбачинском извержении (БТТИ) в июле–октябре 1975 г. (Камчатка) [Руленко, 1994; Руленко, Токарев, 1979], а также на вулкане Сакурадзима (Япония) во время его извержения в 1995 г. [James et al., 1998; Miura et al., 2002], позволили дать описание конфигурации зарядов в эруптивном облаке (рис. 3а, 3б). Причем значения ЕZ ЭПА могли меняться как по знаку, так и величине. Во время БТТИ максимальные/минимальные значения ЕZ ЭПА достигали предела измерительной установки ± 30 кВ/м [Руленко, 1994].

 

Рис. 3. Схематические модели формирования электрических структур в эруптивном облаке.

а – в ближней зоне [Руленко, 1994]; б – схемы разделения заряда при формировании вулканического шлейфа под действием ветра, согласно [Miura et al., 2002]; в – разделение зарядов в эруптивных облаках на основе натурных наблюдений на вулкане Сакурадзима, по [James et al., 1998].

I – разделение зарядов под действием гравитационных сил на начальном участке при слабом ветре; II – формирование облака на автомодельном участке под действием ветра; III – шлейф в зоне плавучести; IV – область выпадения крупной фракции; V – область выпадения тефры.

 

В работах [Руленко, 1994; Miura et al., 2002; Mather, Harrison, 2006] показано, что большую роль на первом этапе в электризации эруптивных облаков имеет процесс фрагментации (разрушения) магмы. На втором этапе происходит разделение частиц разных размеров в эруптивной колонне и в образующемся затем пепловом шлейфе. Это приводит к их разнополярному заряжению и пространственному разделению зарядов в эруптивной колонне и в области пеплопада под шлейфом эруптивного облака. В первом случае разделение обусловлено газодинамическим сопротивлением при инжекции газо-пепловой струи в атмосферу, а во втором – в результате гравитационной дифференциации. Не исключено, что большой вклад среди множества физических и физико-химических процессов возникновения и разделения зарядов в вулканическом облаке вносят термоэлектронная эмиссия и термоэлектричество [Адамчук, Титов, 1984].

По мере удаления эруптивного облака от центра извержения происходит выпадение крупной фракции пепла и образование аэрозолей, что приводит к изменению конфигурации его заряда (см. рис. 3в).

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ

Регистрация ЕZ ЭПА в центральной части полуострова Камчатка представляет особый интерес. Здесь располагается Северная группа вулканов, включающая четыре действующих вулкана: Шивелуч, Ключевской – самый высокий (4750 м) и продуктивный вулкан в Евразии, Безымянный и Плоский Толбачик (см. рис. 1). Вблизи Северной группы вулканов на сейсмических станциях Камчатского филиала Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН” (КФ ФИЦ ЕГС РАН) в пунктах “Ключи” (KLYG) и “Козыревск” (KZYG) осуществляется регистрация ЕZ ЭПА с помощью электростатических флюксметра ЭФ-1 и ЭФ-4. Данные с этих пунктов позволяют, наряду с традиционными задачами атмосферного электричества (изучение унитарной вариации, механизмы ГЭЦ и т.д.), изучать атмосферно-электрические эффекты, возникающие при формировании и распространении пепло-газовых облаков от эксплозивных извержений вулканов.

Технические характеристики электростатического флюксметра ЭФ-4 конструкции В.А. Ефимова приведены в табл. 1 [Ефимов и др., 2013]. Следует отметить, что флюксметр ЭФ-1 (прототип ЭФ-4) имеет больший динамический диапазон ± 6 кВ/м. Применение мощного малогабаритного вентильного двигателя и поверхностный монтаж позволили реализовать устройство в прямоугольном корпусе с габаритными размерами 120×200×45 мм. Прибор обладает низким электропотреблением, что очень важно для создания автономной сети пунктов регистрации ЕZ ЭПА с целью мониторинга эксплозивной активности вулканов Камчатки. С целью защиты механической части приборов от плотного и очень мокрого снега (“ледяной дождь”) и вулканического пепла, они устанавливаются обтюратором вниз. Флюксметр ЭФ-1 с расширенным диапазоном измеряемой ЕZ ЭПА работает на полуострове Камчатка с марта 2008 г. За этот период эксплуатации датчик зарекомендовал себя как очень надежный прибор [Ефимов и др., 2013].

 

Таблица 1. Технические характеристики электростатического флюксметра ЭФ-4

Диапазон измеряемой напряженности поля

±

Верхняя граничная частота

5 Гц

Выходное сопротивление

2 кОм

Выходное напряжение

±

Среднеквадратичная погрешность измерений

5 мВ

Напряжение питания (постоянного тока)

10–14 В

Потребляемый ток в рабочем режиме

180 мА

Температура эксплуатации

–40–+80°

При влажности

0–100%

Режим работы

непрерывный

 

Селекция сигналов в записях ЕZ ЭПА от эруптивных облаков выполнялась на основании комплексирования данных сейсмического, инфразвукового и спутникового мониторингов активности вулканов Камчатки. В районе вулкана Шивелуч работает сеть радиотелеметрических сейсмических станций (РТСС) КФ ФИЦ ЕГС РАН – “Сорокина” (SRK), “Семкорок” (SMK), “Байдарная” (BDR). В районе Северной группы вулканов на двух сейсмических станциях работают каналы (KLYА, KZYА), регистрирующие инфразвук в диапазоне частот 0.03–10 Гц [Махмудов и др., 2016], а также ведутся видеонаблюдения. Кроме того, на расстоянии 458 км от вулкана находится международная инфразвуковая станция IS44 (см. рис. 1, врезка), где регистрация инфразвуковых колебаний в диапазоне 0.003–10 Гц осуществляется антенной из 4 микробарографов, позволяющей определять азимут на источник.

Обработка цифровых данных, получаемых с РТСС и инфразвуковых каналов, осуществлялась интерактивной программой DIMAS [Дрознин, Дрознина, 2010].

В рамках группы “KVERT” в Институте вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН в режиме реального времени с помощью приемной станции Унискан-36 ведется спутниковый мониторинг эксплозивной активности вулканов Камчатки [Гордеев, Гирина, 2014].

Формирование и распространение эруптивного облака происходит под действием стратификации атмосферы. Данные баллонного зондирования, которое проводится два раза в сутки на метеорологической обсерватории “Ключи” Камчатского управления по гидрометеорологии и мониторингу за окружающей средой, дают возможность определять направление и скорость распространения эруптивных облаков от эксплозивных извержений вулканов Северной группы (http://www.esrl.noaa.gov/raobs/intl/intl2000.wmo). Обсерватория “Ключи” находится в 48 км к юго-западу от вулкана Шивелуч (см. рис. 1).

Комплексный подход, основанный на геофизических и спутниковых методах, позволяет осуществлять селекцию сигналов в ЕZ ЭПА, обусловленных прохождением газо-пепловых облаков от эруптивных извержений вулкана Шивелуч.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭКСПЛОЗИЙ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА И ИЗУЧЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ЕZ ЭПА, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ПРОХОЖДЕНИЕМ ЭРУПТИВНЫХ ОБЛАКОВ

Во время извержения вулкана Шивелуч 16 декабря 2016 г. в 22:312 по данным КФ ФИЦ ЕГС РАН (http://www.emsd.ru/~ssl/monitoring/main.htm) высота эруптивного облака, оцененная по интенсивности сейсмического сигнала [Близнецов, Сенюков, 2015], составила 5.6 км. Спустя ~2 часа в поселке Ключи был отмечен пеплопад интенсивностью 20 гр/м2.

Рассмотрим картину распространения эруптивного облака от этого извержения по данным ветровой стратификации (баллонное зондирование) и космическим снимкам в этот период времени. На космических снимках, полученных на приемной станции Унискан-36 с полуторачасовым интервалом (рис. 4а, 4б), эруптивное облако двигается под действием ветра с азимутом ~75° со скоростью ~17 м/с. Согласно стратификации атмосферы это соответствует азимуту и скорости ветра в интервале высот 6.5–8.0 км (см. рис. 4б).

 

Рис. 4. Распространение эруптивного облака от извержения вулкана Шивелуч 16.12.2016 в 22:31 и стратификация атмосферы по данным баллонного зондирования на метеостанции Ключи.

а, б – спутниковые снимки (Terra MODIS) эруптивного облака, полученные в режиме реального времени на приемной станции Унискан-36 ИВиС ДВО, в – температурная и ветровая стратификация атмосферы 17.12.2016 в 00:00.

 

В этом случае пепел не должен был выпасть в поселке Ключи, однако спустя около двух часов начался пеплопад, интенсивность которого составило ~20 г/м2. Второе эруптивное облако, причастное к пеплопаду, должно было сноситься ветром с азимутом ~45° и скоростью ~5 м/с, что соответствует стратификации атмосферы на высоте 2.5 км (см. рис. 4в). На спутниковых снимках такое эруптивное облако не просматривается.

Надежными дистанционными методами мониторинга эксплозивной активности вулканов являются сейсмический и инфразвуковой. Если первый дает информацию об интенсивности и продолжительности эксплозивного процесса, то второй указывает на степень его нестационарности и интенсивность выноса пепла в атмосферу.

Эксплозивное землетрясение (ЭЗ) на РТСС SMK длительностью ~15 минут, сопровождавшее эксплозию 16 декабря 2016 г., довольно слабое (Аmax = 4 мкм/с) и сильно зашумлено помехами (рис. 5а). После фильтрации фильтром высоких частот (ФВЧ) с граничной частотой fгр = 0.5 Гц рассчитывалась спектральная плотность мощности (СПМ) сигнала (см. рис. 5б). В интервале частот 1–10 Гц уровень СПМ относительно фона почти постоянен, также просматривается участок СПМ до 20 Гц, что не характерно для ЭЗ [Фирстов и др., 2012].

 

Рис. 5. Три компоненты скорости колебания грунта сейсмического сигнала на РТСС SMK, сопровождавшего эксплозивное извержение 16.12.2016 г. вулкана Шивелуч, после фильтрации ФВЧ с fгр = 0.5 Гц (а), спектральная плотность мощности сейсмического сигнала (б), запись сейсмического сигнала и вариаций ЕZ ЭПА (в). Серым цветом показан отклик в ЕZ ЭПА на прохождение второго эруптивного облака.

 

Акустический сигнал на записях микробарографа ближайшего пункта KLYA обнаружен не был. В целом эту эксплозию можно охарактеризовать как “продувку”, то есть длительное истечение пепло-газовой смеси.

Пеплопад в поселке Ключи сопровождался отрицательной однополярной аномалией в ЭПА с минимальным значением –1.23 кВ/м и общей длительностью ~45 минут (15 минут – передний фронт и 30 – задний). По форме заднего фронта аномалии в EZ ЭПА [Чернева и др., 2007] можно говорить, что эруптивное облако представляло собой тонкое аэроэлектрическое образование, двигающееся горизонтально на высоте 2.5 км. За счет эоловой дифференциации облако приобрело значительный горизонтальный размер ~9 км, который оценен по длительности заднего фронта аномалии EZ ЭПА и скорости ветра на высоте 2.5 км.

Во время извержения вулкана Шивелуч 14 июня 2017 г. в 16:26 по данным КФ ФИЦ ЕГС РАН (http://www.emsd.ru/~ssl/monitoring/main.htm) высота эруптивного облака, оцененная по интенсивности сейсмического сигнала [Близнецов, Сенюков, 2015], составила ~12 км.

На спутниковых снимках (HIMAWARI-8 данные Regional and Mesoscale Meteorology Branch NOAA/NESDIS, http://rammb.cira.colostate.edu/) видно, что через 34 минуты после извержения сформировалось почти круговое эруптивное облако диаметром ~70 км на высоте 9 км (рис.  6а). Далее, согласно ветровой стратификации, эруптивное облако стало двигаться к поселку Ключи со скоростью 12 м/с (см. рис. 6а, 6б, 6в). Формирование эруптивного облака в первые минуты после начала эксплозивного извержения зафиксировано на станции KLYG видеокамерой, которая осуществляет мониторинг активности вулкана Шивелуч (см. рис. 6г).

 

Рис. 6. Распространение эруптивного облака от извержения вулкана Шивелуч 14.06.2017 г. в 16:26 по данным спутниковых снимков HIMAWARI-8 (а, б, в) (http://rammb.cira.colostate.edu), развитие эруптивного облака, зафиксированное видеокамерой (г, д, е), температурная и ветровая стратификации атмосферы по данным баллонного зондирования (ж).

 

Почти через час эруптивное облако накрыло поселок Ключи, где выпало 100 г/м2 пепла (см. рис. 6д). После чего эруптивное облако продолжило движение по направлению к Ключевскому вулкану (см. рис. 6е). В 21:33 эруптивное облако достигло поселка Козыревск, где наблюдалось слабое выпадение очень мелкодисперсного пепла.

На РТСС SMK эксплозивное землетрясение, сопровождавшее это извержение, имело длительность около десяти минут. Ограниченная динамическим диапазоном аппаратура не смогла зарегистрировать максимальную амплитуду скорости колебания грунта, но можно говорить, что ее амплитуда превысила Аmax > 400 мкм/с (рис. 7а). СПМ для трехминутной записи ЭЗ имеет максимум на частоте один герц и заключена в пределах 0.4–10 Гц, что характерно для ЭЗ [Фирстов и др., 2012].

 

Рис. 7. Три компоненты скорости колебания грунта сейсмического сигнала на РТСС SMK, сопровождавшего эксплозивное извержение 14.06.2017 г. вулкана Шивелуч (а), спектральная плотность мощности участка сейсмического сигнала в 180 с (б).

 

Данное извержение сопровождалось воздушной ударной волной (ВУВ), которая с расстоянием эволюционировала в инфразвуковую и была зарегистрирована всеми микробарографическими каналами на полуострове Камчатка (рис. 8). Время задержки АС относительно сейсмического сигнала на РТСС SMK, который можно считать за начало извержения, для KLYA составило 2.19 мин, а для KZYA – 5.28 мин. На IS44 выделяются два прихода отдельных групп инфразвуковых волн, связанных с распространением звукового луча в стратосферном и тропосферном волноводах.

 

Рис. 8. Запись воздушной волны, сопровождавшей извержение 14.06.2017 г., на акустических станциях: KLYA (а), KZYA (б), IS44 (в).

 

С целью оценки энергии взрывного процесса с использованием параметров ВУВ, в первом приближении, можно рассчитать тротиловый эквивалент (Q) в кг, по методике, которая используется для оценки взрывов взрывчатых веществ. На основании закона подобия обычно рассматривают параметры ВУВ в зависимости от приведенного расстояния `r = r/Q1/3.

Многочисленные работы по изучению распространения ВУВ от взрывов позволили получить ряд эмпирических формул, имеющих вид степенных многочленов. На основе эмпирической формулы  [Цейтлин, Смолий, 1981], по величине импульса длительностью τ, вычисленного по формуле

 I+=0τΔP(t)dt, Па⋅с,

оценим величину Q = 4·103 кг. Следует отметить, что примененная зависимость I+ = f(Q) работает в интервале , поэтому для нашего случая оценка Q является минимальной. Таким образом, эксплозия 14.06.2017 г. началась с сильного взрыва, после которого в течение 10 минут происходило постепенно затухающее истечение пепло-газовой смеси из кратера вулкана.

Удачное сочетание “условий хорошей погоды” и направления ветра при извержении 14 июня 2017 г. позволили зарегистрировать отклик ЕZ ЭПА во время прохождения эруптивного облака над поселками Ключи и Козыревск. С момента начала выпадения пепла в Ключах в 17:40 на KLYG началось уменьшение ЕZ ЭПА до -6 кВ/м, которое затем сменилось резким увеличением ЕZ ЭПА до +5 кВ/м (рис. 9). Значительно большая амплитуда отрицательной фазы по сравнению с первым случаем согласуется со значительным количеством пепла ~100 г/м2, выпавшем в поселке Ключи.

 

Рис. 9. Фрагменты записи: скорости смещения грунта вертикальной составляющей на РТСС SMK (а), напряженности ЭПА в KLYG (б) и KZYG (в).

 

В работе [Чернева и др., 2007] рассчитан отклик в ЕZ ЭПА от объемных зарядов с простой конфигурацией, транспортируемых ветром и расположенных над проводящей поверхностью, и приведены модельные кривые в безразмерных величинах. Форма рассматриваемой аномалии напоминает изменение ЕZ ЭПА горизонтального диполя, ось которого ориентирована вдоль движения и проходящего через пункт регистрации. По-видимому, диполь сформировался за счет эоловой дифференциации, когда в передней части эруптивного облака крупные частицы пепла были заряжены отрицательно, а отстающая аэрозольная часть облака – положительно.

На основе стратификации атмосферы и кинематических параметров аномалии можно оценить параметры диполя: движение начинается за 40 км от KLYG; скорость движения диполя 36 км/час; высота над землей центра диполя z = 9 км; расстояние между зарядами 2.5 км. Исходя из этих параметров, рассчитаем в первом приближении заряд диполя q по формуле

EZ=2q4πε0z2, q40 Кл,

где ε0 = 8.85·10-12 Кл/В·м, электрическая постоянная.

Почти через 5 часов эруптивное облако достигло п. Козыревск, где отмечалось выпадение незначительного количества мелкодисперсного пепла. Флюксметром KZYG была зарегистрирована аномалия по форме соответствующая заряженному облаку положительного заряда [Чернева и др., 2007], которая указывает, что в процессе эоловой дифференциации образовалось аэрозольное облако с незначительным количеством очень тонкого пепла.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Высота экструзивного купола вулкана Шивелуч в последние годы стабилизировалась на высоте примерно 600 м. Стали наблюдаться раскаленные лавины, а отдельные эксплозии часто сопровождаться обвалами. По-видимому, экструзивный конус достиг предельной высоты, а указанные выше процессы компенсируют рост купола за счет выжимания экструзивного материала.

На основании комплексных данных, полученных дистанционными методами, рассмотрены особенности двух эксплозий вулкана Шивелуч. Определенную роль для понимания физики эксплозивных извержений является наблюдения за электризацией эруптивных облаков. Информативность этого метода определяется двумя факторами: “условиями хорошей погоды”, так как этот метод чувствителен к вариациям метеорологических величин; к расположению флюксметров относительно источника, которые надо располагать, учитывая розу ветров в районе вулкана Шивелуч по многолетним наблюдениям. Исходя из этих ограничений, даже получение единичных наблюдений за откликом ЕZ ЭПА при прохождении эруптивных облаков представляет большой интерес.

Несмотря на значительное количество эксплозивных извержений за прошедшие годы (см. рис. 2) пеплопады во время извержений в пос. Ключи наблюдались редко. Из этого следует, что для уверенной регистрации вариаций ЕZ ЭПА пункты наблюдений должны быть размещены в направлениях основных осей пеплопадов, формируемых розой ветров.

Слабая эксплозия вулкана Шивелуч 16 декабря 2016 г. в 22:31, вероятно, сопровождавшаяся обвалом, представляла “продувку” в течение более 10 минут, в результате которой сформировавшееся эруптивное облако на высоте ~ 6 км, ушедшее на юго-запад минуя пункт KLYG. В то время как пепловое облако от обвала, сформировавшееся на высоте ~2.5 км, прошло над пос. Ключи и дало аномалию в ЕZ ЭПА, характерную для облачных структур.

Мощная эксплозия вулкана Шивелуч 14 июня 2017 г. в 16:26 представляла собой “взрыв” с последующей “продувкой”. Возникшее при этом эруптивное облако прошло над двумя пунктами (KLYG-48 км, KZYG-109 км). Если в ближайшем пункте эруптивное облако имело электрическую структуру в виде диполя, то в дальнем пункте электрическая структура эволюционировала за счет эоловой дифференциации в заряженное отрицательно облако.

Сравнение параметров эксплозий 2016 и 2017 гг., полученных дистанционными методами, дают некоторое представление о возможностях этих методов. В дополнение рассмотрим химический (табл. 2) и гранулометрический (рис. 10) составы пеплов, выпавших в поселке Ключи, от рассмотренных эксплозий.

 

Таблица 2. Химический состав пеплов извержений вулкана Шивелуч

Дата

SiO2

TiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

MnO

CaO

MgO

Na2O

K2O

P2O5

nnn

Sun

Fe2O3/ FeO

16.12.2016

65.80

0.44

15.40

1.24

2.38

0.08

5.14

2.60

4.87

1.43

0.14

0.29

99.82

0.52

14.06.2017

64.20

0.59

15.30

2.35

2.44

0.09

5.50

3.30

4.43

1.22

0.14

0.37

99.95

0.96

Примечание. Анализы выполнены в аналитическом центре Института вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН. Аналитики А.А. Кузьмина, Н.Ю. Курносова, В.М. Рагулина.

 

Рис. 10. Гранулометрический состав пеплов вулкана Шивелуч.

1, 2 – отборы в п. Ключи 16.12.2016 г. и 14.06.2017 г., соответственно, 3 – отборы в верховье р. Байдарной 14.06.2017 г. (отобран А.Б. Белоусовым).

 

Пепел 2016 г. имеет свежий, ювенильный облик, представлен, преимущественно, светлыми прозрачными неокрашенными частицами плагиоклаза с небольшой долей темноцветных минералов. В пеплах 2017 г., кроме того, присутствует заметное количество окисленных обломков тех же минералов ржаво-бурого цвета, что указывает на присутствие некоторой доли резургентного материала. Это подтверждается и результатами химического анализа пеплов. По химическому составу пеплы практически идентичны и являются среднекалиевыми дацитами известково-щелочной серии. Однако, пепел 2017 г. по сравнению с пеплом 2016 г. имеет несколько менее кислый состав и заметно более высокую степень окисления, как следует из отношения в них Fe2O3/FeO: 0.96 и 0.52, соответственно.

Гранулометрический состав пеплов представлен на рис. 10. Оба пепла (2016 и 2017 гг.), отобранные в поселке Ключи, имеют аналогичный характер распределения, но пепел 2017 г. несколько более крупнозернистый (см. рис. 10). Для сравнения приведен гранулометрический состав пепла 2017 г., отобранного в верховье р. Байдарной. Естественно, пепел, отобранный в 7 км от кратера, значительно крупнозернистее по сравнению с пеплами, транспортированными ветром на расстояние 48 км.

Из результатов гранулометрического и химического анализа пеплов следует, что пепел 2016 г. связан с более слабым эруптивным событием, последовавшим после схода обвала или раскаленных лавин. Пепел 2017 г. отражает результат более мощного, чем в 2016 г., эксплозивного события, захватившего заметную долю внешних, окисленных частей экструзии. При этом пепел, выпавший в п. Ключи, претерпел эоловую дифференциацию относительно пепла, отобранного в ближней зоне вулкана (см. рис. 10).

Несмотря на незначительные различия гранулометрического и химического состава пеплов, эруптивные облака для рассмотренных случаев имели различные аэроэлектрические структуры. Это указывает на то, что физические процессы, связанные с образованием эруптивных облаков, определяют их электризацию. Если в первом случае пепло-воздушное облако было “сухое”, поэтому и сформировалась аэроэлектрическая структура “типа заряженное облако”. Во втором случае в результате сильной эксплозии в атмосферу было выброшено большое количество пепла и вулканических газов, в которых более 90% приходится на водяной пар [Меняйлов и др., 1991]. Поэтому в ближней зоне (KLYG, R = 48 км) в результате эоловой дифференциации сформировалась дипольная аэроэлектрическая структура (см. рис. 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Формирования нового экструзивного купола в кальдере вулкана Молодой Шивелуч наблюдается с 1980 г. Столь продолжительный цикл вулканической активности дает возможность планомерно изучать динамику извержения. Наряду с прямыми методами изучения изменений морфологии купола, определения его роста и изменений объема, важны другие методы. Одним из таких методов может быть исследование электризации эруптивных облаков во время эксплозивных этапов извержений. В представленной работе показано, что напряженность электрического поля атмосферы при прохождении эруптивных облаков над пунктом KLYG, возникших во время эксплозивных извержений 16.12.2016 г. и 14.12.2017 г., составляет -1.2 и -6.0 кВ/м, соответственно. Такие значения ЕZ ЭПА достаточно уверенно выделяются на фоне помех, связанных с вариациями метеорологических величин.

Создание сети пунктов для регистрация EZ ЭПА в районе действующих вулканов даст возможность получать оценки объема вулканического аэрозоля и его динамики в процессе эволюции и переноса эруптивных облаков. Кроме того, существенно дополнит картину переноса эруптивных облаков с малой концентрации аэрозоля недоступных наблюдению со спутников.

Следует особо отметить, регистрация напряженности электрического поля атмосферы выполняется дистанционно, что является положительным фактором при изучении таких вулканов как Шивелуч, на которых возможны мощные катастрофические извержения типа “направленный взрыв”.

Благодарности

Авторы выражают благодарность В.С. Ефимову за большую помощь в организации аппаратурной базы, Ю.А. Владимирову и Р.А. Коневу за помощь в эксплуатации флюксметров, а также А.А. Коневу за помощь в оформлении рисунков. Авторы очень признательны за советы и конструктивную критику П.М. Нагорскому, способствующему улучшению работы.

Источник финансирования

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 18–35–00175.

P. P. Firstov

Kamchatka Branch, National Seismological Center, Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

R. R. Akbashev

Kamchatka Branch, National Seismological Center, Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

N. A. Zharinov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

A. P. Maximov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

T. M. Manevich

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

D. V. Melnikov

Institute of Volcanology and Seismology Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: firstov@emsd.ru

Russian Federation, 9, bul’var Piipa, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

  1. Адамчук Ю.В., Титов В.В. Электрические процессы и образование молний в вулканическом аэрозоле // Препринт ИАЭ-4016/1. 1984. 117 с.
  2. Акбашев Р.Р., Фирстов П.П. Изменение градиента потенциала электрического поля атмосферы Земли при прохождении шлейфов вулканических извержений // Материалы XII Международной сейсмологической школы “Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных”, 11–15 сентября 2017 г. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С. 18–19.
  3. Белоусов А.Б., Белоусова М.Г. Извержение вулкана Шивелуч в 1964 г. (Камчатка) – плинианское извержение, предварявшееся крупномасштабным обрушением постройки // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4/5. С. 116–127.
  4. Близнецов В.Е., Сенюков С.Л. Программа ADAP для автоматического выделения пепловых выбросов и расчета их высоты по сейсмологическим данным // Сейсмические приборы. 2015. Т. 51. № 1. С. 46–59.
  5. Гордеев Е.И., Гирина О.А. Вулканы и их опасность для авиации // Вестник РАН. 2014. Т. 84. № 2. С. 134–142. doi: 10.7868/S0869587314020121
  6. Горшков Г.С., Дубик Ю.М. Направленный взрыв на вулкане Шивелуч // Вулканы и извержения. М.: Наука, 1969. С. 3–37.
  7. Действующие вулканы Камчатки. Т. 1. М.: Наука, 1991. 302 с.
  8. Дрознин Д.В., Дрознина С.Я. Интерактивная программа обработки сейсмических сигналов DIMAS // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 3. С. 22–34.
  9. Ефимов В.А., Орешкин Д.М., Фирстов П.П., Акбашев Р.Р. Применение электростатического флюксметра “ЭФ-4” для исследований геодинамических процессов // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49. № 4. С. 14–24.
  10. Жаринов Н.А., Демянчук Ю.В. Рост экструзивного купола вулкана Шивелуч (Камчатка) в 1980–2007 гг. по геодезическим наблюдениям и видеосъемке // Вулканология и сейсмология. 2008. № 4. С. 3–13.
  11. Жаринов Н.А., Демянчук Ю.В. Крупные эксплозивные извержения вулкана Шивелуч (Камчатка) с частичным разрушением экструзивного купола 28 февраля 2005 г. и 27 октября 2010 г. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 2. С. 1–15.
  12. Жаринов Н.А., Богоявленская Г.Е., Хубуная С.А., Демянчук Ю.В. Новый эруптивный цикл вулкана Шивелуч 1980-1993 гг. // Вулканология и сейсмология. 1995. № 1. С. 20–28.
  13. Мареев Е.А. Достижения и перспективы исследований глобальной электрической цепи // УФН. 2010. Т. 180. № 5. С. 527–533.
  14. Махмудов Е.Р., Фирстов П.П., Будилов Д.И. Информационная система для мониторинга волновых возмущений в атмосфере на полуострове Камчатка “KamIn” // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52. № 2. С. 5–16.
  15. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Щапарь В.Н. Геохимические особенности фумарольных газов на различных стадиях активности вулканов Тихоокеанского вулканического пояса // Вулканология и сейсмология. 1991. № 1. С. 79–82.
  16. Пономарев Е.А., Чернева Н.В., Фирстов П.П. Формирование локального электрического поля атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51. № 3. С. 405–411.
  17. Руленко О.П. Экспериментальное исследование электризации вулканических облаков / Автореф. дисс. … кандидата физ.-мат. наук. СПб., 1994. 16 с.
  18. Руленко О.П., Токарев П.И. Атмосферно-электрические эффекты Большого трещинного Толбачинского извержения в июле–октябре 1975 г. // Бюлл. вулканостанции. 1979. № 56. С. 96–102.
  19. Фирстов П.П., Акбашев Р.Р., Холзворт Р. и др. Атмосферно-электрические эффекты во время эксплозии вулкана Шивелуч 16 ноября 2014 г. // Известия РАН. ФАО. 2017. Т. 53. № 1. С. 29–37.
  20. Фирстов П.П, Гаврилов В.А., Жданова Е.Д., Кирьянов В.Ю. Начало нового эструзивного извержения вулкана Шивелуч в апреле 1993 г. // Вулканология и сейсмология. 1994. № 4/5. С. 33–46.
  21. Фирстов П.П., Махмудов Е.Р. Макаров Е.О., Фи Д. Комплексные геофизические наблюдения на вулкане Карымский (Камчатка) в августе 2012 г. // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012. № 2. Вып. 20. С. 110–120.
  22. Хубуная С.А., Жаринов Н.А., Муравьев Я.Д. и др. Извержение вулкана Шивелуч в 1993 г. // Вулканология и сейсмология. 1995. № 1. С. 3–16.
  23. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. М.: Недра, 1981. 136 с.
  24. Чалмерс Дж. А. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 420 с.
  25. Чернева Н.В., Пономарев Е.А., Фирстов П.П., Бузевич А.В. Базовые модели источников вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. № 2. Вып. 10. С. 60–64.
  26. Firstov P., Cherneva N., Akbashev R. Natural factor impact on atmospheric electric field variations in Kamchatka // Solar-Terrestrial Relations and Physics of Earthquake Precursors. E3S Web of Conferences 20. 01003. 2017. doi: 10.1051/e3sconf/20172001003
  27. James M.R., Lane S.J., Gilbert J.S. Volcanic plume monitoring using atmospheric electrical potential gradiens // J. Geol. Soc. London. 1998. № 155. Р. 587–590.
  28. Hatakeyama H. On the disturbance of the atmospheric potential gradient caused by the smoke-cloud of the volcano Yakeyama // J. Met. Soc. Japan. 1949. № 27. Р. 372–376.
  29. Hatakeyama H., Uchikawa K. On the Disturbance of the Atmospheric Potential Gradient caused by the Eruption-smoke of the Volcano Aso // J. Met. Soc. Japan. 1951. V. 21. Р. 84-89.
  30. Mather T.A., Harrison R.G. Electrification of volcanic plumes // Serv. Geophys. 2006. V. 37. P. 387–432. DOI: 10/1007/s10712-006-9007-2
  31. Miura T., Koyaguchi T., Tanaka Y. Measurements of electric charge distribution in volcanic plumes at Sakurajima volcano Japan // Bull. Volcanol. 2002. V. 64. P. 75–93.
  32. Shevtsov B.M., Firstov P.P., Cherneva N.V. et al. Lightning and electrical activity during the Shiveluch volcano eruption on 16 November 2014 // Nat. Hazard Earth Syst. Sci. 2016. V. 16. P. 871–874. doi: 10.5194/nhessd-16-871-2016

Supplementary files

Supplementary Files Action
1. Fig. 1. The location of the points of registration of the intensity of the EPA and the infrasonic waves in the area of the Northern group of volcanoes and the paths of eruption clouds from two eruptions of Shiveluch volcano, which have a response in EZ EPA. View (167KB) Indexing metadata
2. Fig. 2. Dynamics of extrusive-explosive eruption of the volcano Shiveluch in 2001–2017 View (197KB) Indexing metadata
3. Fig. 3. Schematic models of the formation of electrical structures in the eruptive cloud. View (188KB) Indexing metadata
4. Fig. 4. The spread of the eruption cloud from the eruption of the volcano Shiveluch 16.12.2016 at 22:31 and the stratification of the atmosphere according to balloon sounding at the Klyuchi weather station. View (175KB) Indexing metadata
5. Fig. 5. Three components of the earthquake ground velocity on the RTSS SMK, which accompanied the explosive eruption of Shiveluch volcano on December 16, 2016, after filtering the high-pass filter with fgr = 0.5 Hz (a), the seismic signal power spectral density (b), recording the seismic signal and variations EZ EPA (in). The gray color shows the response in EZ EPA to the passage of the second eruption cloud. View (134KB) Indexing metadata
6. Fig. 6. The spread of the eruptive cloud from the eruption of the volcano Shiveluch 14.06.2017 at 16:26 according to satellite imagery HIMAWARI-8 (a, b, c) (http://rammb.cira.colostate.edu), the development of the eruptive cloud, recorded by a video camera (g, d, e), temperature and wind stratification of the atmosphere according to balloon sounding (g). View (166KB) Indexing metadata
7. Fig. 7. Three components of the ground vibration velocity of the seismic signal on the RTSS SMK, which accompanied the explosive eruption of 06.06.2017 of the volcano Shiveluch (a), the spectral power density of the seismic signal section is 180 s (b). View (353KB) Indexing metadata
8. Fig. 8. Record of the air wave that accompanied the eruption of June 14, 2017, at acoustic stations: KLYA (a), KZYA (b), IS44 (c). View (128KB) Indexing metadata
9. Fig. 9. Fragments of the record: the rate of displacement of the soil of the vertical component on the RTSS SMK (a), the intensity of the EPA in KLYG (b) and KZYG (c). View (92KB) Indexing metadata
10. Fig. 10. The granulometric composition of the ashes of the Sheveluch volcano. View (65KB) Indexing metadata

Views

Abstract - 74

PDF (Russian) - 39

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences