Сейсмическое волновое поле, зарегистрированное на вулканах, может подвергаться значительному влиянию контурных эффектов.
В регистрируемых сейсмограммах доминирующую роль может играть рассеяние от рельефа местности и внутреннего вулканического строения. Считается, что внутреннее затухание также играет важную роль в характеристиках сейсмических сигналов вулканов.
Для исследования характеристик рассеяния и затухания синтетических сейсмограмм используется 3D численное моделирование распространения волн в упругих и вязкоупругих средах, включая сложные скоростные модели и топографию.
Считается, что сейсмичность на действующих и беспокойных вулканах генерируется несколькими потенциальными источниками. Эти механизмы источника включают хрупкое разрушение горных пород, перенос флюидов, подъем газовых частиц, дымный поток, магматическую активность и взаимодействие горячей магмы с гидротермальными флюидами.
Сейсмичность также может быть вызвана поверхностными явлениями, например, камнепадами, пирокластическими водопадами и лахарсами. Это богатство механизма потенциального источника отражено в многообразии классов сигналов, наблюдаемых на действующих или беспокойных вулканах. Эти сигналы охватывают континуум от сверхдлинных событий с доминирующими периодами в 100 секунд, от очень длинных событий до событий с длительным периодом (LP) и, кроме того, вулканотектонические сигналы.
Вулканотектонические сигналы состоят из сдвига или растяжения хрупких пород, спектральные характеристики которых неотличимы от местных тектонических землетрясений. Интерпретация сигналов в вулканической среде сопряжена с рядом сложных проблем в сейсмологии.
Сложность возникает в вулканической среде, поскольку:
- волновое поле значительно искажается сложным рельефом,
- вулканическая стратиграфия может еще больше исказить волновое поле,
- присутствие магматических флюидов (газа, магмы и гидротермальной воды) может вызвать значительное внутреннее ослабление.
Кроме того, сейсмическое поле ближнего поля нельзя игнорировать, длины волн могут быть большими относительно расстояния источник-приемник и, следовательно, фазы Р- и S-волн могут быть переплетены. Также, сигналы могут иметь эмерджентные волновые пакеты из-за эффектов как источника, так и пути, поэтому часто невозможно четко различить отдельные фазовые поступления. Сочетание этих процессов может привести к диффузионному волновому полю.
Таким образом, ключевым вопросом в вулканической сейсмологии является вопрос о том, каковы относительные последствия топографии, структуры и ослабления на волновом поле и как они поддаются количественной оценке?
Численное моделирование распространения сейсмических волн на Мерапи, Индонезия, показывает, что из-за наличия крутого рельефа может возникнуть сложное гетерогенное волновое поле и что в кодеиновом поле возникают и доминируют сильные поверхностные волны. Для широкополосных форм волны угол падения, а также задний азимут подвержены влиянию наклонной свободной поверхности.
На вулканах в зависимости от истории извержений могут возникать сильные литологически контролируемые сейсмические контрасты на границах соприкосновения слоев. Измерения образцов горных пород из скважины Trecase близ вершины Везувия показывают, что средняя скорость Р-волн без трещин в верхней части 300 м менее 2500 м/с. Анализ дисперсии поверхностных волн показывает аналогичные результаты для Везувия, Стромболи, Аренала в Коста-Рике и Масаи в Никарагуа.
Используя массивный анализ сейсмических полей волн ученые определили низкоскоростные мелководные структуры в Килауэа. Поэтому представляется, что приповерхностные (несколько сотен метров) низкие скорости являются обычным явлением в вулканической среде и могут играть значительную роль в искажении волнового поля.
Наличие низкоскоростного слоя может существенно влиять на тензор момента, рассчитанный на основе инверсии длиннопериодных событий на горе Этна, хотя наименьшая длина волны приблизительно в 4 раза больше толщины слоя.
В дополнение к мелководным низкоскоростным зонным скважинным каротажам наблюдаются колебания скоростей и плотности по всему вулканическому сооружению. В частности, скважинные звуковые каротажи показывают, что на литологических границах между туфом, золой и компетентным базальтом могут возникать исключительно сильные контрасты акустического сопротивления.
Помимо этих структурных неоднородностей, значительную роль в искажении волнового поля может также играть рассеяние подповерхностных интерфейсов.
Сейсмическое затухание изучалось на многочисленных вулканах. Например, затухание на вершине Везувия измеряли, используя энергетические оболочки и различные модели диффузионного волнового поля. Было обнаружено, что общий коэффициент качества Qi колеблется примерно от 10 на частоте 2 Гц до более 1000 на частотах более 10 Гц.
При создании томографической модели горы Этна, был обнаружен большой участок с низким коэффициентом качества Р-волн (QP-волны), величина которого варьируется от приблизительно 30-80, расположенный под вершиной с радиусом до глубины 4 км.
Как и в случае с низкоскоростными слоями и переменным распределением скоростей, затухание имеет важное значение для вулканов.
Никакие аналитические решения не могут объяснить сложную топографию, скоростные модели и внутреннее затухание, поэтому для моделирования распространения сейсмических волн в вулканических условиях необходимо использовать численные методы.
