تحقیق اندازه گیری خصوصیات جریان گدازه

اندازه گیری های سیستماتیک اندکی از ویژگیهای فیزیکی گدازه روان فعال وجود دارد.چنین اندازه گیریهایی بااهمیت است،زیرا اجازه میدهد که محدودیتهایی برخصوصیات ماگما قبل ازفوران انجام دهیم وبدلیل آنکه مدلهای سه بعدی واقعگرا از جریان گدازه موردنیاز است،اطلاعات ورودی واندازه گیریهای روانه شناسی وخصوصیات فیزیکی و گرمایی مناسب ازمناطق حاشیه وایزوترمال درچندین مرحله از تکامل جریان صورت میگیرد.چنین مدلهایی برای سنجش خطر ومطالعات پیوسته درطی فورانهای آینده آتشفشانهایی که گدازه اش تهدیدی برای مناطق دارای سکنه است،میباشد.محاسبات دمایی،ویژگیهای روانه شناسی،غله ت،ابعاد جریان وسرعت مواردی هستند که روشهای موجود جدید به آنها میپردازد.

مقدمه:

درطی50سال گذشته محاسبات شفافی ازرفتارجریانهای گدازه صورت پذیرفته است.عمده زمین شناسان که از جریانهای فعال بازدید کرده اند،هرچند عده بسیارانگشت شماری اندازه گیریهایی از ویژگیهای درحال فوران به عمل آورده اند.درحالی که دربسیاری ازموارداین مسئله بنابه مشکلات دسترسی یا فقدان زمان وپرسنل بوده است.درعده ای دیگر بعلت فقدان اطلاعات درزمینه محاسباتی است که بایدصورت پذیردودرموردابزاری است که این محاسبات را صورت میدهد.

فوران اخیرکوهPuu Oo و Mauna Loa درهاوایی نقطه عطفی درمشاهدات و محاسبه جریان های گدازه ای بوده است وبنابراین زمان مناسب برای مرور اینگونه روشهای رایج درزمینه جمع آوری اطلاعات ازجریانهای گدازه ای میباشد تا نگاهی به پتانسیل روشهای اضافه صورت پذیرد و مفیدترین محاسباتی که میتواند انجام شود خلاصه گردد.

روشهای اندازه گیری:

درهنگامیکه تعدادی ازویژگیهای جریانهای گدازه قابل اندازه گیری درآزمایشگاه هستند،مانند رسانایی دمایی،ضریب انبساط گرمایی ورسانایی الکتریکی،عده ای دیگر بایددرروی زمین انجام گیرد.بسیاری ازمتصدیان خاطرنشان کرده اند که تفاوتهایی بین،برای مثال،اندازه های مربوط به ویژگیهای روانه شناسی گدازه ها درآزمایشگاه ومحاسباتی مشابه درزمین وجود دارد.این تفاوتها نسبتاً بنابه تفاوتهایی درمیزان تغییر درطی اپیزودهای گرمادهی دوباره میباشند.تنهاراهی که مامیتوانیم تعدادی ازمهمترین محاسبات راصورت دهیم،انجام دادن آنها درزمین میباشد.

ویژگیهایی که بایدمورداندازه گیری قرارگیرد:

درطی چندسال گذشته،پیشرفت فراوانی در تکامل مدلهای نظری جریان گدازه صورت پذیرفته است.هرچند،همانطور که توسط ویلسون و همکاران بحث شده است،مدل جریان گدازه قطعی هنوز ساخته نشده است.مهمترین پیشرفت درمدلسازی جریان گدازه باکمک مدلهای متفاوت محدود مناسبی صورت پذیرفته است.این موارد ودیگر مدلهای ریاضیاتی فرآیندهای آتشفشانی،نیازمند اندازه گیری دقیق نسبتی است که دراین قسمت مدنظر میباشد.

ویژگیهای روانه شناسی:

میزان فرآیندهای آذرین،وابسته به ویژگیهای روانه شناسی ماگما یا گدازه ای است که درآن وجوددارد.اززمانیکه ویسکوزیته آشکارگدازه وماگمابافاکتور106 تغییرمی یابد درتنهادرفواصل دمایی C200 خنک میگردد.میزانی که درآن روندهای ماگمایی ادامه می یابد بیشتر بوسیله این مسئله است نه دیگر ویژگیهای فیزیکی شیمیایی.

چگالی:

چگالی جریان گدازه تابعی از ترکیبات ودما است.هرچند،این عوامل عموماً برای هرجریان گدازه ای کافی نیستند،درزمانیکه مقادیر متفاوتی از متغیرها بصورت گازی باشد.حضور حبابها وگازنامحلول تاثیری برویژگیهای روانه شناختی جریانها بطورموثری دارد.

پراکندگی دمایی جریانهای گدازه:

علاوه برچگالی جریان،دما نیزتغییردهنده ویژگیهای روانه شناسی جریان است که این عمل بوسیله میزان پلیمریزه شدن ماده مذاب وبوسیله تاثیرگذاری بربلورها ومیزان رشد حفره (vesicle) صورت میپذیرد.محاسبات دمایی دقیق که صورت میپذیرد نه تنها کاهش دهنده دما بنا به کاهش دما ازطریق رسانایی و تشعشعی است بلکه افزایشهای ممکنی دردما بنا به گرمادهی ویسکوز(گرانروی)داراست.اثرات ازدست دهی گازی بنابه میزان رشد بلوری است،که نتیجه آن تبلور دمادرجریان است که میتواند تعیین کننده نمونه سازی قرار گیردوبرنامه محاسبه دمایی میباشد.این محاسبات میتواند بطورمفیدی بوسیله محاسبات جریان گرمایی همرفتی گدازه تکمیل گردد.روش مناسب در فصل7شرح داده شده است.

بررسی توپوگرافی توسعه جریان:

درطی بررسی یک جریان ایده آل گدازه ای،محاسبات دقیقی باید درزمینه عمق وپهنه سنجی توسعه جریانها درفاصله های زمانی منظم صورت پذیرد.درهمین زمان میتوان (نسبتاً)به جلوگام برداشت تاموقعیتهای ظاهری جریان ولبه های خارجی دیواره Leeveesرا نقشه سازی کرد.محاسبات عمقی دقیق نیازمندنقشه های وضعیتی تفصیلی است که اززمین قبل وبعدازآنکه توسط گدازه پوشیده شود صورت میپذیرد.این نقشه ها کمک مینمایند تاجریانهای بنیادی برروی زمین وقسمت بالای جریان صورت پذیرد.این محاسبات ضروری اند زیرااهمیت آن برروی میزان پیشروی ودرنتیجه طول جریان است.

تغییر ضخامت جریان گدازه:

ضخامت جریانهای گدازه بوسیله ویژگیهای روانه شناسی گدازه کنترل میشود.چگالی جریان ومیزان ریزش(effusion)،شیب زمین زیرآن بخصوص درمناطق نزدیک،بوسیله فرورفتگی توپوگرافی آغازین ودرجریانهایی باطول عمر طولانی بوسیله فرسایش دمایی صورت میپذیرد.ضخامت جریانهای حاصل پراکندگی استرس برشی ودرنتیجه،سرعت جریان راتعیین میکند(برای مثال:واکنش برگشتی مثبت)وپراکندگی دمایی درست مانند تاثیر پتانسیل همرفت،آشفتگی وفرسایش دمایی.درطی این فوران،ضخامت جریان گدازه میتواند درهر نقطه ای متفاوت باشد،زیراافزایش ناگهانی گرما و سرما باعث فرسایش میشود.محاسبات عمقی دقیق درکانالهای فعال بایددرطی برهه های زمانی منظم صورت پذیرد.

میزان ریزش(effusion):

بدلیل آنکه میزان ریزش برمورفولوژی جریانهای گدازه ای تاثیرمیگذارد،محاسبات دقیق این مسئله درطی مشاهدات گسترش جریانی صورت میپذیرد.بطورایده آل،اینرا میتوان ازشکل کانال فعال تقریبی بدست آورد که همراه با سرعت پروفیل گدازه افقی وعمودی درکانال تطابق دارد.محاسبات منظم این موارد اجازه تغییرات درمیزان ریزش برای ثبت دارد.بعلاوه،بدلیل تفاوت موقتی درمیزان ریزش ممکن است به سمت پایین(down flow)باشند.

الگوی آماده سازی:

بادرنظرگرفتن منابع نا محدود وتمام ویژگیهای فیزیکی نامحدود،گدازه فعال میتواند بادقت محاسبه شود.چنین زمینه ای برای بیشترتحقیقات آتشفشانی دردسترس نیست.طراحی بیشترابزارعلمی شامل پیچیدگیهایی است،ابزاراندازه گیری ویژگیهای گدازه تحت محدودیت وزن است،درحالیکه فوران اندکی درزمانیکه هلیکوپتر دردسترس باشد صورت پذیرفته است.بعلاوه ابزار نیزباید برروی محلی مناسب قرار گیرد تا جریانهای گدازه رامنتقل نماید.بادرنظرگرفتن مشکلات دسترسی به کانالهای گدازه یا دریاچه های آن وعدم توانایی فیزیکی زمین شناسان که برروی ابزاربه کاررسیدگی میکنند،زمان کاربردابزاربایدبصورتی باشدکه درواقعیت کسب میگردد.درنهایت دراشتراک باتمام ابزارتحقیقاتی باید تغییردهنده ویژگیهایی که باحداقل میزان تعیین میگردد باشد.

ابزارآلات اندکی میتواند تمام عرصه های بالا راتامین کند.برای مثال اگرما مشکل محاسبات دمایی بااستفاده از ترموکوبل را درنظر بگیریم،زمان پاسخ ماکزیمم باترموکوپل بدون غلاف بدست می آید،هرچندچنین ترموکوپلی نمیتواند دردرون بسیاری ازجریانهای گدازه قرار گیرد.درنتیجه میتواند تمام سطح یا دمای سطح را اندازه گیری کند.لازم به ذکراست که نباید کاهشی درجریانهای گدازه نیز حاصل گردد.بدلیل آنکه این ابزار برروی آن تراز داده شده است.علاوه برازدست دادن مقادیر بزرگی از گرما بوسیله تابش،بهتراست تادمای بالایی را بوسیله اکسیداسیون دمایی درطی کلاتیزه کردن درقسمت بالای جریان درنظربگیریم.این مسئله افزایش دهنده تمام دماهای اندازه گیری شده بوسیله دماهای چندده تایی است.

ازسوی دیگر ترموکوپلی که دربالای مقطع قرار میگیرد چنددقیقه طول میکشد تا به تعادل برسد که درخلال آن اپراتور بسیار حالت نامطمئنی دارد.این نتایج محاسباتی قبل ازآن است که تعادلهایی صورت پذیرد،حتی زمانیکه این مسئله بدست آید ترموکوپل نمیتواند دمای نهایی درون جریان را تعیین کند زیرا پوسته خارجی به ساقه ترموکوپل می چسبد یااینکه ازدست دادن دمایی درطول استوانه روی خواهد داد.

جنبه اصلی طراحی ابزار شامل تلاش برای کسب رضایت خاطر،راحتی حمل ونقل،دوام زیاد،کیفیت خوب وزمان پاسخ مناسب،دقت فراوان،راحتی بکارگیری ونگهداری تحت شرایط محل کار میباشد،درحالیکه کمترین هزینه نیز وجودداشته باشد.

دمای جریانهای گدازه ای:

روشهای مختلفی وجوددارد که برای سنجش دمای جریانهای گدازه بکارمیرود .عمده این اندازه گیریها بااستفاده از ترموکوپلهای کرومل-آلومل-به عنوان حسگرهای دمایی به همراه مترهای خودتعادلی میباشد.این ابزارارزان بوده کاربردآسانی دارد،قابل حمل است ومیتواند فشاری راکه به آن وارد میشود تحمل نماید.تعدادی ازمشکلات طراحی و کاربرد ترموکوبلها برای اندازه گیریهای دماهای گدازه میباشد که تابحال اشاره شده است،بقیه موارد توسط اولت وهمکاران و...آورده شده است.

همانگونه که قبلاً اشاره شد،مشکل رایج درتکامل پوسته بدنه وراس ترموکوبل است که منجر به ثبت دماهای ثابت میگردد،هرچنداینگونه دماها پایین ترازسطوح درونی گدازه است.این پوسته رامیتوان با صرفنظرنمودن ازعمل جایگذاری تعویض نمود وسریعاً آنرا وارد قسمت دیگری ازجریان کرد.چندین نوع جایگذاری موردنیاز است،قبل ازآنکه دمای ترموکوبل باعث تغییرشکل پوسته گردد.درطی سال1984Mauna Loaفوران نمود وحتی زمانیکه ترموکوپلها درآن قرارداده شد،پوسته ای به دورآن توسط جریان سریع گدازه ایجاد گردید.لیپمان وبنکس این ویژگی رابعلت کشش حفره های کوچک وافزایش ناشی ازآن درمجاورت گرانروی گدازه و درنزدیک راس ترموکوپل میدانند.این مشکل بوسیله کاهش سرعت ترموکوبل وگدازه به زیر نیمه متر برروی گدازه ایجاد میشود،بنا برزمان طولانی که موردنیاز است تااین موضوع کسب گردد(ازسه دقیقه برای ترموکوبلی که به درون یک جریان آرام باقطر1.5 mm تا 30دقیقه میرود و برای ترموکوپلی غلافی به قطر6mm ومدت30 دقیقه متفاوت است.محافظت مناسب از تشعشع ها نیازمند کاربرد حفاظ تابشی یا لباس محافظ مناسب است،درزمانیکه احتیاط مناسب وجودداشته باشد به حتی 1درجه سانتیگراد میرسد.

در1976 ادعا کردند که کاربرد عناصرده تایی رودیوم پلتیوم کاهنده این تساوی بین 20 تا 25 سانتیمتر میباشد،هرچندآنها نمیتوانند برای جریانهای گرانروی استفاده شوند که علت آن شکنندگی میباشد،اما میتوانند درمواردآتشفشانی به طور محدود استفاده شوند.پینکرتون و...در1976بیان داشتند که با کاربرد یک ترموکوپل باقطر20mm وعمق جایگذاری 20cm دمای داخلی مناسبی اندازه گیری میشود.تانگی و...در1976 عمق جایگذاری را برای جریان کوه اتنا 30 تا50 cm دانستند.زمان پاسخ میتواند بوسیله پیش گرمادهی ترموکوپل توسط جریان تعیین گردد.عمقهای جایگذاری کاهنده امکانپذیر است که با کاربرد یک ترموکوپل نازک تردر زمانیکه رسانایی دما درتنه کاهش می یابد یا با اندازه گیری درجایی است که گرمای تشعشعی حاصل ازجریان پایین است یعنی عموماً نزدیک به جریان منبع گدازه،هرچند درمنبع نیز سطح بالاییی جریان درتماس با دیواره های تغذیه ای است و گرمای رسانایی ممکن است درحکم یک روند دمایی مشخص باشد که بدلیل تفاوتها درابعاد رسانایی ونوع ترموکوبلهای بکاررفته درطی فوران میباشد وهمچنین به دلیل تفاوتها درمقاطع دمایی گرانروی و سرعت جریانها مورد محاسبه قرار میگیرد وحداقل عمق جایگذاری وزمان آن متفاوت است وآنها تمایل دارند برای هرقسمت جریانی که بدست می آورند محاسبه کنند.