[論文レビュー] Modeling eruptions of Karymsky volcano

A. Ozerov, Yaroslav Ispolatov+1 more|ArXiv.org|Jun 21, 2001

Climate variability and models参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、カリムスキー火山のストロボリアン噴火における二重周期性（10–30分間隔の爆発的噴出と1秒間隔の「チッティング」微動）を説明するため、粘弾性スティック・スリップモデルを提案する。モデルは、下部コンduitにおけるマグマの体積弾性率に起因する長周期の爆発を説明し、プラグ-壁界面における粘弾性スティック・スリップ遷移に起因する高周波数の微動を説明する。ヒステリシスは、長期間にわたる静止期間を説明する。モデルは観測された地震的・音響的信号を定量的に再現する。

ABSTRACT

A model is proposed to explain temporal patterns of activity in a class of periodically exploding Strombolian-type volcanos. These patterns include major events (explosions) which follow each other every 10-30 minutes and subsequent tremor with a typical period of 1 second. This two-periodic activity is thought to be caused by two distinct mechanisms of accumulation of the elastic energy in the moving magma column: compressibility of the magma in the lower conduit and viscoelastic response of the almost solid magma plug on the top. A release of the elastic energy happens when a stick-slip dynamic phase transition in a boundary layer along the walls of the conduit occurs; this phase transition is driven by the shear stress accumulated in the boundary layer. The first-order character and intrinsic hysteresis of this phase transition explains the long periods of inactivity in the explosion cycle. Temporal characteristics of the model are found to be qualitatively similar to the acoustic and seismic signals recorded at Karymsky volcano in Kamchatka.

研究の動機と目的

• ストロボリアン型噴火に観察される二重時間スケールの周期性（例：カリムスキー火山の10–30分間隔の爆発と1秒間隔のチッティング微動）を説明すること。
• 単純な調和振動では説明できない、噴火間の長期間の静止期間の物理的メカニズムを特定すること。
• 観測可能な噴火パターンとマグマの流れ体力学的性質およびコンduitダイナミクスを結びつける物理的に透明なモデルを構築すること。
• アンドサイトマグマの物性パラメータを用いて、噴火サイクル期間、爆発持続時間、微動周期の解析的推定値を導出すること。

提案手法

• マグマの流れを、せん断応力に依存する境界条件を有する垂直コンduit内を流動する粘弾性・可変圧性媒体としてモデル化する。
• コンduit壁面におけるスティック・スリップ遷移を、臨界せん断応力閾値に従い、非再帰的で長期間の静止期間を説明するためのヒステリシスを含む形で導入する。
• 二層構造を採用：低周波数サイクルに寄与する下部の可変圧性マグマプラグ（LP）と、高周波数振動に寄与する上部の粘弾性プラグ（UP）を別々に定式化する。
• 圧力勾配、速度、スティック・スリップ遷移を結びつける動的方程式系を定式化し、解析的および数値的に解く。
• 変数のスケーリングにより次元なしパラメータを抽出し、モデル出力とカリフォルニア州カリムスキー火山（1996–2000年）の実際の地震的・音響データを比較する。
• UPの速度および圧力勾配のシミュレートされた時間系列が観測信号と一致することを確認し、高応力状態における混沌とした挙動も再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストロボリアン型噴火（例：カリムスキー火山）における10–30分間隔の周期性を生じさせる物理的メカニズムは何か？
• RQ2 同じ噴火系内で1秒間隔の「チッティング」微動はどのように発生するか？
• RQ3 なぜ爆発的噴火には、周期的な調和振動では説明できない長期間の静止期間が含まれるのか？
• RQ4 マグマプラグにおける粘弾性特性およびせん断応力ヒステリシスは、噴火ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 マグマの流れ体力学的パラメータから、噴火サイクル期間および微動周期の解析的式を導出可能か？

主な発見

• モデルは、カリムスキー火山の地震的・音響的データに観察された10–30分間隔の爆発的サイクル期間および1秒間隔の微動周期を再現した。
• 長期間の静止期間は、上部マグマプラグにおける一次的ヒステリシスを伴うスティック・スリップ遷移によって説明され、爆発後に即座に再活性化を防ぐ。
• 静止期間および爆発持続時間の解析的推定値は、シミュレーション結果と良好に一致し、予測された静止期間は約15分、爆発持続時間は約0.13秒であった。
• 滑り抵抗閾値を8.5×10⁴ Paに増加させた場合、UP速度に混沌とした非減衰的振動が発現し、観測された持続的チッティング変調と一致した。
• UP速度および圧力勾配のシミュレートされた時間系列は、観測された地震信号とよく一致しており、高応力条件下では速度ピーク間の時間差が約0.3秒である特徴的時間スケールが再現された。
• モデルの物理的透明性により、観測された時間スケールをマグマの体積弾性率、粘弾性、およびせん断応力閾値の関数として直接表現可能であり、噴火ダイナミクスの定量的解釈が可能となった。