[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种粘弹性滑移-黏滞模型，用以解释卡里姆斯基火山斯特龙博利式喷发中的双重周期性现象：10–30分钟一次的爆炸周期与1秒钟的‘咕噜’震颤。该模型将长周期爆炸归因于管道下部岩浆的可压缩性，而高频震颤则归因于塞子-管壁界面处的粘弹性滑移-黏滞转变，滞后效应则解释了长时间的休眠阶段。该模型能定量再现观测到的地震与声学信号。

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.

研究动机与目标

• 解释斯特龙博利式喷发中观测到的双重时间尺度周期性，例如卡里姆斯基火山10–30分钟一次的爆炸与1秒钟的‘咕噜’震颤。
• 识别爆炸之间长时间休眠阶段的物理机制，这些现象无法用简单谐波振荡解释。
• 开发一个物理解释清晰的模型，将可观测的喷发模式与岩浆流变性质及管道动力学联系起来。
• 基于安山质岩浆的材料参数，提供喷发周期时长、爆炸持续时间与震颤周期的解析估算。

提出的方法

• 将岩浆柱建模为在垂直管道中流动的粘弹性可压缩介质，边界条件依赖于剪切应力。
• 在管道壁面引入一种受临界剪切应力阈值控制的滑移-黏滞相变，通过滞后效应解释非重复性、长时间的休眠阶段。
• 采用双层结构：下层为可压缩岩浆塞（LP），用于低频周期；上层为粘弹性岩浆塞（UP），用于高频振荡。
• 建立一组耦合压力梯度、速度与滑移-黏滞转变的动力学方程，通过解析与数值方法求解。
• 对变量进行无量纲化处理，提取无量纲参数，并将模型输出与卡里姆斯基火山（1996–2000年）的真实地震与声学数据进行对比。
• 通过将模拟的UP速度与压力梯度时间序列与实测信号匹配，验证模型预测，包括在高黏附应力条件下出现的混沌行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么物理机制导致了卡里姆斯基火山等斯特龙博利式喷发中10–30分钟的周期性？
• RQ2 同一喷发系统中1秒钟的‘咕噜’震颤是如何产生的？
• RQ3 为什么爆炸周期包含长时间的休眠阶段，而非规则的谐波振荡？
• RQ4 岩浆塞的粘弹性特性与剪切应力滞后效应对喷发动力学有何影响？
• RQ5 能否从岩浆流变参数中推导出喷发周期时长与震颤周期的解析表达式？

主要发现

• 该模型成功再现了卡里姆斯基火山地震与声学数据中观测到的10–30分钟爆炸周期与1秒震颤周期。
• 长时间的休眠阶段由上层岩浆塞中的一阶滞后滑移-黏滞转变所解释，该机制可防止爆炸后立即重新激活。
• 对休眠时间与爆炸持续时间的解析估算与模拟结果高度一致，预测的休眠时间约为15分钟，爆炸持续时间约为0.13秒。
• 当黏附应力阈值提高至8.5×10⁴ Pa时，模型在UP速度上表现出混沌且不衰减的振荡，与观测到的持续‘咕噜’调制行为一致。
• UP速度与压力梯度的模拟时间序列与实测地震信号高度吻合，在高黏附应力条件下，速度极大值之间具有约0.3秒的特征时间间隔。
• 该模型具有良好的物理解释透明性，可直接将观测到的时间尺度表达为岩浆可压缩性、粘弹性与剪切应力阈值的函数，从而实现对喷发动力学的定量解释。