Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2020. Т. 33. № 4. C. 86-101. ISSN 2079-6641

Содержание выпуска/Contents of this issue

Научная статья

УДК 550.34 + 517.925.42

Феноменологическая модель генерации землетрясений сейсмического режима «drumbeats», сопровождавших извержение вулкана Кизимен в 2011–2012 гг

А. А. Шакирова¹, П. П. Фирстов¹, Р. И. Паровик²

¹Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», г. Петропавловск-Камчатский, 683006, бульвар Пийпа, 9
²Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, Камчатский край, c. Паратунка, 684034, ул. Мирная, 7

E-mail: shaki@emsd.ru

Извержение вулкана Кизимен в 2011-2012 гг. характеризовалось устойчивым, почти равномерным выжиманием вязкого лавового потока объемом 0.3 км³. Формирование лавового потока сопровождалось возникновением квазипериодических землетрясений режима «drumbeats» с энергетическими классами Ks<7, регистрируемых на длительных временных участках. Показано, что землетрясения генерировались движением фронта вязкого лавового потока, что в практике вулканологических исследований наблюдалось впервые. Предложена феноменологическая модель генерации сейсмического режима «drumbeats». Движение фронта лавового потока по склону вулкана происходило в результате прерывистого скольжения с включением механизма «stick-slip» и возбуждением автоколебательного процесса с генерацией сейсмического режима «drumbeats». Правдоподобность феноменологической модели режима ««drumbeats» на качественном уровне подтверждена математической моделью дробного нелинейного осциллятора.

Ключевые слова: Кизимен, извержение, фронт лавового потока, «drumbeats», «stick-slip», феноменологическая модель, нелинейный осциллятор.

DOI: 10.26117/2079-6641-2020-33-4-86-101

Поступила в редакцию: 28.09.2020

В окончательном варианте: 23.10.2020

Для цитирования. А. А. Шакирова, П. П. Фирстов, Р. И. Паровик Феноменологическая модель генерации землетрясений сейсмического режима «drumbeats», сопровождавших извержение вулкана Кизимен в 2011–2012 гг // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2020. Т. 33. № 4. C. 86-101. DOI: 10.26117/2079-6641-2020-33-4-86-101

Контент публикуется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)

© Шакирова А. А., Фирстов П. П., Паровик Р. И., 2020

Финансирование. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (в рамках государственного задания № 075-01304-20) и с использованием данных, полученных на уникальной научной установке «Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира»

Конкурирующие интересы. Авторы заявляют, что конфликтов интересов в отношении авторства и публикации нет.

Авторский вклад и ответственность. Все авторы участвовали в написании статьи и полностью несут ответственность за предоставление окончательной версии статьи в печать. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами.

Research Article

MSC 86A70

Phenomenological model of the generation of the seismic mode «drumbeats» earthquakes accompanying the eruption of Kizimen volcano in 2011-2012

A. A. Shakirova¹, P. P. Firstov¹, R. I. Parovik²

¹Kamchatka Branch of the Federal Research Center «Unified Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences», Petropavlovsk Kamchatsky, 683006, Piip Boulevard, 9
²Institute for Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation, Far East Branch, Russian Academy of Sciences, Kamchatka Krai, Paratunka, 684034, Mirnaya, 7

E-mail: shaki@emsd.ru

The eruption of the Kizimen volcano in 2011-2012 characterized by stable, almost uniform squeezing of a viscous lava flow with a volume of 0.3 km³. The formation of the lava flow was accompanied by the occurrence of quasiperiodic earthquakes of the “drumbeats” mode with energy classes Ks < 7, recorded at long time intervals. Shown that earthquakes were generated by the movement of the front of a viscous lava flow, which was observed for the first time in the practice of volcanological research. A phenomenological model of “drumbeats” seismic mode generation is proposed. The movement of the front of the lava flow along the slope of the volcano occurred because of intermittent sliding with the inclusion of the «stick-slip» mechanism and the initiation of a self-oscillating process with the generation of a seismic mode «drumbeats». The mathematical model of a fractional nonlinear oscillator qualitatively confirms the plausibility of the phenomenological model of the “drumbeats” mode.

Key words: Kizimen, eruption, lava flow front, drumbeats, stick-slip, phenomenological model, nonlinear oscillator.

DOI: 10.26117/2079-6641-2020-33-4-86-101

Original article submitted: 28.09.2020

Revision submitted: 23.10.2020

For citation. Shakirova A. A., Firstov P. P., Parovik R. I. Phenomenological model of the generation of the seismic mode «drumbeats» earthquakes accompanying the eruption of Kizimen volcano in 2011-2012. Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2020, 33: 4, 86-101. DOI: 10.26117/2079-6641-2020-33-4-86-101

Competing interests. The authors declare that there are no conflicts of interest regarding authorship and publication.

Contribution and Responsibility. All authors contributed to this article. Authors are solely responsible for providing the final version of the article in print. The final version of the manuscript was approved by all authors.

The content is published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)

© Shakirova A. A., Firstov P. P., Parovik R. I., 2020

Funding. The work was supported by Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (№ 075-01304-20). The data used in the work were obtained with large-scale research facilities «Seismic infrasound array for monitoring Arctic cryolitozone and continuous seismic monitoring of the Russian Federation, neighbouring territories and the world»

Список литература/References

  1. Фирстов П.П., Шакирова А.А., “Сейсмический режим «drumbeats», предваряющий и сопровождающий извержения андезитовых и дацитовых вулканов и его особенности (обзор)”, Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле, 43:3 (2019), 75–88. [Firstov P.P., Shakirova A.A., “Seysmicheskiy rezhim «drumbeats», predvaryayushchiy i soprovozhdayushchiy izverzheniya andezitovykh i datsitovykh vulkanov i yego osobennosti (obzor)”, Vestnik KRAUNTS. Nauki o Zemle, 43:3 (2019), 75–88 (in Russian)].
  2. Фирстов П. П., Шакирова А. А., “Особенности сейсмичности в период подготовки и в процессе извержения вулкана Кизимен (Камчатка) в 2009–2013 гг.”, Вулканология и сейсмология, 2014, №4, 3–20. [Firstov P. P., Shakirova A. A., “Osobennosti seysmichnosti v period podgotovki i v protsesse izverzheniya vulkana Kizimen (Kamchatka) v 2009–2013 gg.”, Vulkanologiya i seysmologiya, 2014, №4, 3–20 (in Russian)].
  3. Iverson M.R., Dzurisin D., Gardner C.A. et al., “Dynamics of seismogenetic volcanic extrusion at Mount St Helens in 2004-2005”, Nature, 444 (2006), 439-443 https://doi.org/10.1038/nature05322.
  4. Alexandrov D.V., Bashkirtseva I.A., Ryashko L.B., “Analysis of stochastic model for nonlinear volcanic dynamics”, Nonlin. Processes Geophys., 22 (2015), 197–204 https://doi.org/10.5194/npg-22-197-2015.
  5. Bell A.F., Hernandez S., Gaunt H.E. et al., “The rise and fall of periodic ‘drumbeat’ seismicity at Tungurahua volcano, Ecuador”, Earth and Planetary Science Letters, 475 (2017), 58–70 https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.07.030.
  6. Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Дрознина С.Я. и др., “Развитие системы комплексного инструментального мониторинга вулканов Дальневосточного региона”, Сейсмические приборы, 48:4 (2012), 40-54. [Chebrov V.N., Droznin D.V., Droznina S.YA. i dr., “Razvitiye sistemy kompleksnogo instrumental’nogo monitoringa vulkanov Dal’nevostochnogo regiona”, Seysmicheskiye pribory, 48:4 (2012), 40-54 (in Russian)].
  7. Шакирова А.А., Фирстов П.П., Лемзиков М.В., “Один из возможных механизмов генерации сейсмического режима «drumbeats» при движении по склону вязких лавовых потоков на примере извержения вулкана Кизимен в сентябре 2011 г.”, Российский сейсмологический журнал, 2:3 (2020), 43–56. [Shakirova A.A., Firstov P.P., Lemzikov M.V., “Odin iz vozmozhnykh mekhanizmov generatsii seysmicheskogo rezhima «drumbeats» pri dvizhenii po sklonu vyazkikh lavovykh potokov na primere izverzheniya vulkana Kizimen v sentyabre 2011 g.”, Rossiyskiy seysmologicheskiy zhurnal, 2:3 (2020), 43–56 (in Russian)].
  8. Auer A., Belousov A., Belousova M., “Deposits, petrology and mechanism of the 2010–2013 eruption of Kizimen volcano in Kamchatka, Russia”, Bulletin of volcanology, 80:4 (2018), 33.
  9. Гусев А.А., Мельникова В.Н., “Связи между магнитудами — среднемировые и для Камчатки”, Вулканология и сейсмология, 1990, №6, 55–63. [Gusev A.A., Mel’nikova V.N., “Svyazi mezhdu magnitudami – srednemirovyye i dlya Kamchatki”, Vulkanologiya i seysmologiya, 1990, №6, 55–63 (in Russian)].
  10. Озеров А. Ю., “К вопросу о механизмах базальтового-андезибазальтового и андезитового- дацитового типов извержений”, Вулканизм и связанные с ним процессы, Материалы региональной конференции 30 марта-1 апреля 2017 г., г. Петропавловск-Камчатский, ИВиС ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 2017, 70-73. [Ozerov A. YU., “K voprosu o mekhanizmakh bazal’tovogo-andezibazal’tovogo i andezitovogo- datsitovogo tipov izverzheniy”, Vulkanizm i svyazannyye s nim protsessy, Materialy regional’noy konferentsii 30 marta-1 aprelya 2017 g., g. Petropavlovsk-Kamchatskiy, IViS DVO RAN, Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2017, 70-73 (in Russian)].
  11. Двигало В.Н., Мелекесцев И.В., Шевченко А.В., и др., “Извержение 2010–2012 гг. вулкана Кизимен – самое продуктивное (по данным дистанционных наблюдений) на Камчатке в начале XXI века. Часть I. Этап 11.11.2010-11.12.2011 гг.”, Вулканология и сейсмология, 2013, №6, 3–21. [Dvigalo V.N., Melekestsev I.V., Shevchenko A.V., i dr., “Izverzheniye 2010–2012 gg. vulkana Kizimen – samoye produktivnoye (po dannym distantsionnykh nablyudeniy) na Kamchatke v nachale XXI veka. Chast’ I. Etap 11.11.2010-11.12.2011 gg.”, Vulkanologiya i seysmologiya, 2013, №6, 3–21 (in Russian)].
  12. MacDonald G.A., “P¯ahoehoe, ‘a‘¯a and block lava”, American Journal of Science, 251 (1953), 169-191.
  13. Harris A.J.L., Rowland S.K., Villeneuve N. et al., “P¯ahoehoe, ‘a‘¯a, and block lava: an illustrated history of the nomenclature”, Bull Volcanol, 17 (2017), 2–34 https://doi.org/10.1007/s00445-016-1075-7.
  14. Cordonnier B., Hess K.-U., Lavalle Y. et al., “Rheological properties of lava domes: Case study of Unzen volcano”, Earth and Planetary Science Letters, 279 (2009), 263–272.
  15. Harris A.J.L., Rowland S.K., “Lava Flows and Rheology”, The Encyclopedia of Volcanoes, III:17 (2015), 321-342.
  16. Анищенко В. С., Вадивасова Т. Е., Стрелкова Г. И., “Автоколебания динамических и стохастических систем и их математический образ — аттрактор”, Нелинейная динамика, 6:1 (2010), 107–126. [Anishchenko V. S., Vadivasova T. Ye., Strelkova G. I., “Avtokolebaniya dinamicheskikh i stokhasticheskikh sistem i ikh matematicheskiy obraz — attraktor”, Nelineynaya dinamika, 6:1 (2010), 107–126 (in Russian)].
  17. Бекман И. Н., Синергетика. Курс лекций, МГУ им. М.В. Ломоносова, М., 2010. [Bekman I. N., Sinergetika. Kurs lektsiy, MGU im. M.V. Lomonosova, M., 2010 (in Russian)].
  18. Лушников Б.В., “Компьютерное моделирование динамики элемента сухого некулонова трения”, Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, 12:1(2) (2010), 439-444. [Lushnikov B.V., “Komp’yuternoye modelirovaniye dinamiki elementa sukhogo nekulonova treniya”, Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy Akademii Nauk, 12:1(2) (2010), 439-444 (in Russian)].
  19. Parovik R. I., “On a credit oscillatory system with the inclusion of stick-slip”, E3S Web of Conferences, 7 (2016), 1-5.
  20. Паровик Р.И. Анализ добротности вынужденных колебаний дробного линейного осциллятора, Журнал технической физики, 90:7 (2020), 1059-1063. [Parovik R.I. Analiz dobrotnosti vynuzhdennykh kolebaniy drobnogo lineynogo ostsillyatora, Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 90:7 (2020), 1059-1063 (in Russian)].
  21. Parovik R. I., “Amplitude-Frequency and Phase-Frequency Performances of Forced Oscillations of a Nonlinear Fractional Oscillator”, Technical Physics Letters, 45:7 (2019), 660-663] https://doi.org/10.1134/S1063785019070095.
  22. Рехвиашвили С. Ш., Размерные явления в физике конденсированного состояния и нанотехнологиях, КБНЦ РАН, Нальчик, 2014, 250 с. [Rekhviashvili S. SH., Razmernyye yavleniya v fizike kondensirovannogo sostoyaniya i nanotekhnologiyakh, KBNTS RAN, Nal’chik, 2014 (in Russian), 250 pp.]
  23. Parovik R. I., “Mathematical Models of Oscillators with Memory”, Oscillators – Recent Developments, Intech, London, 2018., 3-21 https://www.intechopen.com/onlinefirst/mathematicalmodels-of-oscillators-with-memory.
  24. Cioni R., Funedda A., “Structural geology of crystal-rich, silicic lava flows: a case study from San Pietro Island (Sardinia, Italy). Kinematics and Dynamics of Lava Flows”, The geological society of America, 2005, 1-14.

Шакирова Александра Альбертовна – младший научный сотрудник, лабораторией акустического и радонового мониторинга, КФ ФИЦ «Единая геофизическая служба» РАН, Камчатский край, г. Петропавловск-Камчатский, Россия, ORCID 0000-0003-0911-4226.

Shakirova Alexandra Albertovna – Junior Researcher, Laboratory of Acoustic and Radon Monitoring, KF Federal Research
Center «United Geophysical Service» RAS, Kamchatka Territory, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, ORCID 0000-0003-0911-4226.

Фирстов Павел Павлович – доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией акустического и радонового мониторинга, КФ ФИЦ «Единая геофизическая служба» РАН, Камчатский край, г. Петропавловск-Камчатский, Россия.

Firstov Pavel Pavlovich – Dr. Sci. (Phys. & Math.), Head of laboratory of acoustic and radon monitoring, Kamchatka Branch, Geophysical Survey, Russian Academy of Sciences, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia.

Паровик Роман Иванович – доктор физико-математических наук, доцент, декан физико-математического факультета Камчатского государственного университета имени Витуса Беринга, Петропавловск-Камчатский, Россия, ORCID 0000-0002-1576-1860.

Parovik Roman Ivanovich – D. Sci. (Phys. & Math.), Associate Professor, Dean of the Fac. of Phys. & Math., Vitus Bering Kamchatka State University, Petropavlovsk-Kamchatskiy, Russia, ORCID 0000-0002-1576-1860.

Читать статью/Read articleСкачать/Download