Долговременные наблюдения литосферных деформаций в Приэльбрусье: проблемы глобальной и региональной геодинамики Милюков В.К Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ АСТРОМЕТРИИ Звенигород, 26 октября 2007г.

Elbrus Volcano Black sea Caspian sea Arabian plate Eurasian plate

The Elbrus volcano is the highest point of Europe. The altitude of the west top is 5643 m, the altitude of the east top is 5620 m. The saddle between the tops is lower at 270 m and 250 m. Elbrus is classified as an active volcano with clearly dated historical eruptions in the Holocene

Baksan Laser Interferometer Baksan Geodynamical Observatory of Moscow University Location: Baksan canyon, 20 km apart from Elbrus volcano Latutude 43˚12', Longitude – 42˚43',

Baksan Laser Interferometer 1. He-Ne laser. 2. Telescopic system. 3. Beam-splitter. 4,5. Corner reflectors. 1. He-Ne laser. 2. Telescopic system. 3. Beam-splitter. 4,5. Corner reflectors. 6.Optical vedge. 8. Photodiode. 9. Galvanometer. 7,12. Focising lenses. 10. Turn mirror. 11. Raster. 13,14. Vacuum chamber. 15. Vacuum tubes. 16,17. Bellows. 6.Optical vedge. 8. Photodiode. 9. Galvanometer. 7,12. Focising lenses. 10. Turn mirror. 11. Raster. 13,14. Vacuum chamber. 15. Vacuum tubes. 16,17. Bellows. 18,19,20. Concrete foundations. 21,22,23,24. Vacuum pumps. 18,19,20. Concrete foundations. 21,22,23,24. Vacuum pumps. Output Signals low-frequency channel : Hz: ; tremor: Hz: seismic channel : Hz: 30; ΔH=1 Hz high-frequency channel: kHz: 1.62; ΔH=1 Hz noise 118 Hz temperature pressure vacuum Interferometer resolution is (1.6× m)

Baksan Laser Interferometer Baksan Laser Interferometer General view on the telescopic system (left) and vacuum tank (right) Interior of vacuum tank : 1. Corner reflector; 2. Beam-splitter 3. Optical vedge; 4. Vacuum tank (optical box)

Strain variation during 20 months (Nov 2004 – July 2006) Temperature variation of the rock Pressure variation

Основные геодинамические задачи, решаемые на основе данных Баксанского лазерного интерферометра Изучение магматических структур вулкана Эльбрус: Изучение магматических структур вулкана Эльбрус: Резонансные свойства и динамика Резонансные свойства и динамика Приливные деформации и региональные неоднородности Приливные деформации и региональные неоднородности Собственные колебания Земли и параметры расщепления фундаментальных мод Собственные колебания Земли и параметры расщепления фундаментальных мод Деформационные процессы в литосфере и глобальная геодинамика Земли Деформационные процессы в литосфере и глобальная геодинамика Земли

Изучение магматических структур вулкана Эльбрус: Резонансные свойства и динамика

Строение континентальных вулканов

Earthquakes, occurred in 50-km zone around Elbrus during 10 years ( ) The absence of noticeable seismicity near the volcano shows that the volcano seems to be far from the pre-eruptive phase, i. e. Elbrus is a dormant volcano. Seismicity of Elbrus Volcano

Резонансный метод контроля состояния и динамики магматических структур

Peru earthquake , Mw 8.3 First arrival : 20 min Spectra of the eigenfrequencies of the geophysical media including the resonances of the magmatic structures of the Elbrus volcano.

The resonant modes of regional inhomogeneous structures exited by teleseismic earthquakes. The amplitude of a mode is proportional to the maximal spectral amplitude of the earthquake in which it was observed. Dashed lines – theoretical values of FOE modes in a considered range of the periods Q-factors values of the revealed regional modes indicate that these modes relate to the magmatic structures of the Elbrus volcanoQ-factors values of the revealed regional modes indicate that these modes relate to the magmatic structures of the Elbrus volcano

Variation of the Q-factor over time (January – October 2003) A small variation of the Q-factor over time (with the rate dQ/dt=5/per month) can indicate the changing magma state, particularly, changing pressure or gas volume fraction.

Modelling Q –factor values for pressure of kbar versus gas-volume fraction and experimental estimation of regional modes Q-factor. The experimental values of Q-factor satisfy with the pressure values of 0.5 – 2 kbar and to gas-volume fraction of

Acoustic properties of fluids of the Elbrus magmatic chamber Magma density is kg/m3. The sound speed of such magma is km/s. Magma is gas-liquid foam.

For fundamental mode P = 65.9 s., sound speed v ~ 200 m/s and madma density ~ 2000kg/m 3 The model of low frequency modes for Elbrus magmatic chamber and estimation of chamber size The most intensive mode is P 1 =65.9 s; A iR =0.37. The characteristic resonator size L ~ 8.8 км.

Новый метод контроля динамических процессов и состояния вулканических магматических структур, основанный на оценке резонансных параметров собственных колебаний этих структур выявил в структуре вулкана Эльбрус близповерхностную магматическую камеру. Основные параметры камеры: Характерный размер 9 km;Характерный размер 9 km; Глубина залегания 1-7 km;Глубина залегания 1-7 km; Магма – газо-жидкостная пена с плотностью kg/m 3 ;Магма – газо-жидкостная пена с плотностью kg/m 3 ; Выявленная динамика увеличения давления в магматической камере может свидетельствовать о поступлении новых порций горячих лав из глубинного очага.Выявленная динамика увеличения давления в магматической камере может свидетельствовать о поступлении новых порций горячих лав из глубинного очага.

Вертикальный разрез поля тектонической раздробленности коры, проходящий через вулкан Эльбрус 2. Область аномально пониженных значений поля тектонической раздробленности в верхней части коры, отождествляемая с вулканической камерой; 2. Область аномально пониженных значений поля тектонической раздробленности в верхней части коры, отождествляемая с вулканической камерой; 3. Один из потенциально возможных путей перетока первичной магмы; 3. Один из потенциально возможных путей перетока первичной магмы; 1. Область аномально пониженных значений поля тектонической раздробленности в низах базальтовой коры, рассматриваемая в качестве потенциального материнского магматического очага. 1. Область аномально пониженных значений поля тектонической раздробленности в низах базальтовой коры, рассматриваемая в качестве потенциального материнского магматического очага. Volcano edifice

Наблюдения приливных деформаций

Приливные деформации O1: 25h 49m M2: 12h 25m S1: 24h 00m S2: 12h 00m

Параметры основных приливных волн

Tidal Parameters Estimation for Two-Years Uninterrupted Observations (XI / 2003 – XI / 2006) Tidal Parameters Estimation for Two-Years Uninterrupted Observations (XI / 2003 – XI / 2006) Observation Results Wave M2: S/N 285; Rel. Acc. 0.35%; Wave O1: S/N 46; Rel. Acc. 2 %;

5. Влияние резонансных эффектов жидкого ядра Земли на амплитуды суточных гармоник приливных деформаций Результаты наблюдений K1 /O1 = 0.80 ± 0.02

Учет влияния рельефа Для расчета возмущения деформации рельеф Баксанского ущелья был аппроксимирован полиномом Для расчета возмущения деформации рельеф Баксанского ущелья был аппроксимирован полиномом За счет рельефа измеренные значения деформаций увеличиваются на ~ 22% За счет рельефа измеренные значения деформаций увеличиваются на ~ 22%

Результаты наблюдений М2 М2 STD ~ 0.5-1% STD ~ 0.5-1% mean anomaly: mean anomaly: 12% 12% О1 О1 STD ~ 2-5% STD ~ 2-5% mean anomaly: mean anomaly: 20% 20% 1. Вариации амплитудных факторов основных приливных волн

2. Влияние ближайшего тектонического разлома на приливные деформации Результаты наблюдений δε yy 0

3. Влияние магматических структур вулкана Эльбрус на приливные деформации Результаты наблюдений Магматическая камера Магматический очаг δV p / V p -1; δV s 0; λ μ аномалия 12% на расст. 4.3 км δV p / V p -0.25; δV s / V s -0.25; λ μ аномалия 12% на расст. 18 км и 26 км

Собственные колебания Земли и тонкая структура основной сфероидальной моды

Тонкая структура (расщепление) собственных колебаний Земли, обусловленная вращением и несферичностью Земли: n S l n S l m ; n T l n T l m 0 S 2 0 S 2 -2, 0 S 2 -1, 0 S 2 0, 0 S 2 1, 0 S 2 2

Observation of fine resolution of the spheroidal mode 0S2

Balleni, 8.1 Balleni, 8.1 Turkey, 7.6 Sumatra, 7.9 Alaska, 7.8

Values of the frequencies for the components of the multiplet 0 S 2, from observations and calculated for rotating and elliptical model of the Earth Земли Q1 (Dahlen F.A. // Geophys. J.R.Astr. Soc V. 16. P. 979)

Деформационные процессы в литосфере и глобальная геодинамика Земли

A1. Deformation N-S, Baksan observatory; A2. Deformation N-S, Protvino observatory; A3. Deformation W-E, Protvino observatory B.Global seismisity (total magnitude in one-hour window); C. Variations of the Length Of Day No.DateTimeMagnitudeRegion h 59'04" 8.10 (Mw) Australia h 58'53" 9.00 (Mw) Sumatra h 23 18" 7.10 (Mw) Sulawesi h 09'36" 8.60 (Mw) Sumatra (Mw) 7.0 (Mw) h 44'33" 7.80 (Mw) Chili h 26'43" 7.80 (Mw) Papua – New Guinea h 50'40" 7.70 (Ms) Pakistan

BNS strain / PNS strain BNS strain / PNS strain BNS strain / PWE strain BNS strain / PWE strain BNS strain / seismisity BNS strain / seismisity PNS strain / seismisity PNS strain / seismisity PWE strain / seismisity PWE strain / seismisity Total magnitude in one- hour window Total magnitude in one- hour window Absolute values of correlation function

BNS strain / Earth RR BNS strain / Earth RR PNS strain / Earth RR PNS strain / Earth RR PWE strain / Earth RR PWE strain / Earth RR Seismisity / Earth RR Total magnitude in one- Seismisity / Earth RR Total magnitude in one- hour window hour window Absolute values of correlation function

Предварительные результаты На статистически значимом уровне показано существование глобальной компоненты в деформационном поле литосферы с характерными периодами изменения порядка месяца. На статистически значимом уровне показано существование глобальной компоненты в деформационном поле литосферы с характерными периодами изменения порядка месяца. Выявлена высокая корреляционная связь между проявлениями глобального деформационного поля и вариациями скорости вращения Земли, на коротких промежутках времени порядка месяца. Выявлена высокая корреляционная связь между проявлениями глобального деформационного поля и вариациями скорости вращения Земли, на коротких промежутках времени порядка месяца. ______________________________________________________ Для подтверждения объективного характера полученных данных предполагается выполнить анализ материалов еще нескольких станций. Для подтверждения объективного характера полученных данных предполагается выполнить анализ материалов еще нескольких станций.

Создание постоянно действующей региональной (Северный Кавказ) сети станций наблюдения спутников GPS/ГЛОНАСС Ближайшие цели Основная научная задача региональной сети – мониторинг и контроль медленных движений земной коры методами спутниковой навигации. В рамках этой сети будут изучаться механизмы современного движения Северного Кавказа, а также вопросы глобальной геодинамики, в том числе, неравномерности вращения Земли.

PEKA93 – Single Days versus 5-Day Solution for station TERSKOL Std. Dev. in meter Absolute Gravimeter FG-5 #101 result for station BAKSAN The first Absolute Gravity and GPS campaign in the Caucasus region

Региональная (Северный Кавказ) сеть стационарных станций наблюдения спутников GPS/ГЛОНАСС Nalchik Vladikavkaz

Действуюшие стационарные GPS/ГЛОНАСС станции Equipment: combined receiver Legacy-E antenna Choke Ring Действуюшие стационарные GPS/ГЛОНАСС станции Equipment: combined receiver Legacy-E antenna Choke Ring Terskol station: Terskol International observatory, H=3100 m Kislovodsk station: Pulkovo Solar station, H=2100 m Zelenchuk station: Zelenchuk Radioastronomical observatory, H=1175 m

Preliminary results of the movement of the Terskol point for 10 month of observation.

Повторные измерения абсолютного значения силы тяжести, станция «Баксан», июль 2007