Основная цель вулканической сейсмологии заключается в понимании природы и динамики сейсмических источников, связанных с закачкой и переносом магмы и связанных с ней гидротермальных флюидов. Ее конечной целью является разработка всеобъемлющей теории сейсмических источников, связанных с вулканической деятельностью, которая может быть применена для количественной интерпретации полей упругих волн, связанных с магматическим и/или гидротермальным переносом в вулканах. Для достижения этих целей сейсмологи вулканической сейсмологии должны решать проблемы, связанные с излучением волн.
Критически важным направлением исследований в вулканической сейсмологии сегодня является количественная оценка свойств очаговых явлений и толчков длительного периода. Происхождение длительно-периодических событий и толчков имеет решающее значение для понимания, поскольку этот тип сейсмичности обычно предшествует и неизбежно сопровождает извержения вулканов и поэтому может быть использован для оценки эрупционного состояния или краткосрочного эрупционного потенциала вулкана
Томография с высоким разрешением имеет решающее значение для изучения исходных процессов в вулканах, поскольку точность и достоверность, достигаемая при определении сил, действующих в вулкане, зависит от степени разрешения, достигнутого для вулканической структуры. Томография высокого разрешения, основанная на итеративных инверсиях сейсмических данных во времени прохождения, позволяет получить изображение трехмерных структур в масштабе нескольких сотен метров при условии наличия адекватных местных короткопериодных данных о землетрясениях. Таким образом, временные колебания сил в вулкане могут быть разрешимы в течение всего нескольких секунд. Знание распределения этих сил, их амплитуд и временной истории представляет собой первый шаг к оценке геометрии траектории движения жидкости.
Трехмерная скоростная структура вулканического сооружения
Скоростные модели с высоким разрешением (разрешение 0,5 км) области Килауэйской кальдеры были получены путем томографической инверсии времени прихода P- и S-волн от местных землетрясений. Данные, использованные для их инверсии, были зарегистрированы на сети из 67 станций, включая 16 постоянных вертикально-компонентных сейсмометров Гавайской обсерватории вулканов и 51 временный трехкомпонентный сейсмометр, установленный в рамках совместного японско-американского сейсмического эксперимента.
Высокие скорости Р-волн наблюдаются вдоль юго-западной и восточной рифтовых зон, а также в северо-восточном и юго-западном секторах кальдеры на глубине наименьшего 1 км от структуры. Низкоскоростные зоны наблюдаются в первом километре строения в центре и вдоль южной оконечности кальдеры. На расстоянии одного километра под поверхностью разрешена отмеченная низкая аномалия Р-волн с боковыми размерами порядка величины кальдеры. Эта аномалия расположена на юго-восточной окраине кальдеры и простирается на 3 км к юго-востоку от кальдеры. Аномалия простирается на глубину до 4 км под поверхностью и имеет максимальную контрастность скорости около 10% с окружающим регионом.
Интерес представляют отмеченные низкоскоростные зоны к югу от кальдеры и вблизи кратера карьера Халемаумау, расположенные под Килауэа. Первая зона хорошо коррелирует с системой трещин кальдеры и областью толстых отложений тефры и золы к югу от кальдеры. Вторую зону в пределах кальдеры можно отнести к пониженным скоростям Р-волн из-за гидротермальной активности в Галемаумау. Высокие скорости Р-волн в юго-западной и северо-восточной частях кальдеры объясняются накопленными доисторическими и историческими пагообразными течениями.
Следует отметить, что аномалия малых Р-волн под кратером Пухимау, полученная в модели высокого разрешения не была разрешена в предыдущих региональных моделях, поскольку эти модели не имели достаточно малых размеров для определения пространственной области пробы с такими параметрами. Однако высокоскоростные аномалии в пределах верхнего 1 км и на глубине около кальдеры в модели высокого разрешения совпадают с региональными моделями.
Акустические свойства магматических и гидротермальных флюидов
Длительно-периодическая сейсмичность, включая длительно-периодические события и толчки, широко наблюдалась в связи с магматической и гидротермальной деятельностью в вулканических районах и была признана предшественником эруптивной активности. Форма волны события длительного периода характеризуется простыми распадающимися гармоническими колебаниями, за исключением короткого промежутка времени при наступлении события. Эта характеристика обычно интерпретируется как колебания заполненного жидкостью резонатора в ответ на локализованное во времени возбуждение.
Аналогичным образом, тремор может рассматриваться как колебания одного и того же резонатора в ответ на продолжительное возбуждение. События длительного периода особенно важны при количественной оценке вулканических и гидротермальных процессов, поскольку свойства резонаторной системы у источника этого события можно вывести из сложных частот разлагающихся гармонических колебаний в хвосте сейсмограммы.
Для сравнения сложных частот длительно-периодических событий с прогнозируемой резонаторной моделью мы используем геометрию трещины, соответствующую условиям переноса массы под вулканом. Исследования показали, что заполненная жидкостью трещина порождает очень медленную волну, распространяющуюся вдоль стены трещины. Асимптотическое поведение этой волны для трещины бесконечной длины было исследовано в аналитическом исследовании нормальных режимов, захваченных в жидком слое, зажатом между двумя твердыми половинами пространства. Трещина приводит к более реалистичным оценкам размера резонатора по сравнению со сферическим резонатором со сферической геометрией.
Вулканическая сейсмология как инструмент
Вулканическая сейсмология является уникальным и мощным инструментом для изучения динамики активных магматических и связанных с ними гидротермальных систем, определения механических свойств таких систем и интерпретации природы, эволюции и протяженности магматических источников энергии, что в совокупности способствует нашему пониманию поведения извержений и позволяет оценить опасность вулканической активности.
Необходимы дальнейшие достижения в области геохимического мониторинга в режиме реального времени для получения надежных непрерывных данных о вулканических флюидах. Для более точного определения свойств горной породы и термодинамических условий на источнике также необходимо улучшить разрешение структур скоростей 3-D вулканов и местоположение сейсмичности длинных периодов.Пространственные и временные колебания сложных частот явлений длинных периодов, регистрируемых на плотных сетях сейсмометров, при наличии дополнительных ограничений, обусловленных геохимическими и геологическими данными, открывают широкие возможности для получения изображений магматических и гидротермальных систем под вулканами.
Недавние лабораторные исследования выявили механизмы самовозбуждения, присущие нелинейности флюидов, которые приводят к новому пониманию механизмов, лежащих в основе вулканического толчка. Параллельно с этими достижениями, численные исследования многофазных потоков начинают проливать свет на микро- и макрофизику этих потоков, а новые достижения компьютерных моделей, связывающих гидродинамику с эластодинамикой в твердом теле, составляют первые шаги к квантованию эластичного излучения в результате таких процессов.
Для достижения полного понимания динамики активных магматических систем потребуется комплексный синтез сейсмических данных, полученных с помощью различных методов. Такие усилия являются необходимым условием точной оценки вулканической опасности и уменьшения людских и социально-экономических потерь в результате разрушительных извержений.
