КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-17-00027

НазваниеЧисленное моделирование динамики и устойчивости лавовых куполов

РуководительИсмаил-Заде Али Тофик оглы, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук (ИТПЗ РАН), г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-410 - Современная геодинамика, моделирование геодинамических процессов

Ключевые словатеоретическая геофизика, вулканология, вычислительная геодинамика, численное моделирование

Код ГРНТИ37.21.77


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на численное моделирование динамики и устойчивости лавовых куполов с целью изучения и понимания связи наблюдаемых величин (высоты, диаметра, морфологии, температуры поверхности и др.) с процессами и изменениями физических параметров внутри лавового купола. Для изучения этой научной проблемы будут использованы современные методы математического и численного анализа динамических задач течения неньютоновских жидкостей. По рассчитанному распределению напряжений внутри купола с использованием аппарата механики разрушения будет оценена возможность гравитационного коллапса лавового купола, приводящего к образованию пирокластических потоков, являющихся основной причиной разрушений и человеческих жертв при экструзивных извержениях. Актуальность и важность этих исследований связана с необходимостью разработки новых методик мониторинга лавовых куполов для предсказания их возможного обрушения и взрывной дезинтеграции. Модели позволят исследовать влияние изменения реологии магмы на ее динамику и механизмы транспорта с учетом ее теплообмена с окружающей средой и солидификации. В настоящее время не существует моделей, которые бы позволили предсказывать динамику лавовых куполов и связи их морфологии с процессами роста. Имеющиеся лабораторные эксперименты не обладают полнотой критериев подобия, а натурные измерения ограничены поверхностным слоем лавовых куполов. В проекте для решения граничных задач для моделирования динамики лавовых куполов в дву- и трехмерном областях будут использоваться численные методы конечных объемов, а также метод гидродинамики сглаженных частиц. Эти методы хорошо зарекомендовали себя в практических приложениях и используются интенсивно при моделировании гeoдинамических процессов и лавовых потоков. Конкретными задачами по проекту будут создание моделей: экструзии магмы, ее течения и формирования лавового купола; образования обелисков, эндогенного роста или выдавливания отдельных порций магмы; для определения физических характеристик магмы по известным физическим параметрам (температуре и тепловому потоку) на поверхности купола; для определения вязкости лавы по известным физическим параметрам (температуре и смещениям) лавы на ее поверхности; течения магмы в канале вулкана с учетом кинетики кристаллизации магмы и ее неньютоновских свойств. Динамика лавовых куполов на вулканах Суфриер Хиллз и Маунт Сент Хеленс, как наиболее изученных экструзивных извержениях, будет исследована с целью разработки методик оценки возможности дезинтеграции купола.

Ожидаемые результаты
Ожидаевые результаты по проекту: 1. Модель экструзии лавы, ее течения и формирования лавового купола. 2. Термические модели формирования лавового купола, течения лавы и ее солидификации. 3. Модели восстановления температурного и динамического режима лавовых куполов по данным наблюдений на поверхности. 4. Модели течения магмы в канале вулкана. 5. Модели восстановления вязкости лавы по измерениям температурного режима и деформациям на дневной поверхности лавы. 6. Модели образования лавовых куполов на вулканах Суфриер Хиллз и Маунт Сент Хеленс. 7. Критерии устойчивости лавовых куполов. Pезультаты по проекту внесут существенный вклад в понимание процессов образования и эволюции лавовых куполов. Они могут помочь в определении условий неустойчивости роста лавовых куполов, которая приводит к образованию пирокластических потоков. Знание развития таких потоков в свою очередь внесет вклад в уменьшение рисков катастрофических последствий экструзивных вулканических извержений.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Построены численные модели формирования лавового купола при экструзивном вулканическом извержении. Математическая модель основана на совместном решении уравнений Навье-Стокса и теплопроводности для вязкой несжимаемой жидкости со степенным реологическим законом, описывающим вязкость лавы. В моделях вязкость зависит от температуры и объемной концентрации кристаллов. Были построены численные алгоритмы и созданы коды для решения поставленных задач. Проведены численные эксперименты для различных моделей вязкости лавы и изучена морфология лавовых куполов. Показано, что морфология купола зависит от характерного времени роста кристаллов в магме. При этом обелиски образуются при малом значении характерного времени роста кристаллов. При больших значениях характерного времени магма растекается по поверхности после извержения, поскольку объемная доля кристаллов не успевает вырасти до больших значений, а вязкость магмы остается относительно небольшой. 2. Распространение лавового потока определяется рельефом склона, реологией магмы, теплообменом с атмосферой и подстилающей местностью, и скоростью извержения. Высоковязкая корка образуется за счет охлаждения и затвердевания самого верхнего слоя потока. Впервые разработаны две модели динамики лавовых потоков, когда (1) температура и тепловой поток на поверхности лавы неизвестны и (2) тепловые условия на поверхности лавы определены из наблюдений. В обеих моделях, вязкость лавы зависит от температуры и объемной доли кристаллов. Проведено параметрическое исследование лавовых потоков с целью изучения влияния теплового потока, вязкости и скорости течения на развитие лавовой корки. Численные эксперименты показывают, что корка лавы становится толще в случае нелинейного теплообмена по сравнению со случаем линейного теплового потока на границе раздела лавы с атмосферой. Кроме того, корка утолщается при более низких скоростях излияния лавы, в то время как более высокие скорости приводят к быстрой адвекции лавы, более медленному охлаждению и развитию более тонкой корки. Результаты ассимиляции тепловых данных показывают, что физические параметры лавовых потоков, включая толщину их корки, могут быть восстановлены из измеренных поверхностных тепловых данных достаточно хорошо, по крайней мере, при медленном течении лавы. 3. Построена математические модель для определения вязкости лавы по известным физическим параметрам (температуре и смещениям) этой лавы на ее поверхности. Задача формализуется как обратная граничная задача для модели динамики вязкой теплопроводной несжимаемой неоднородной жидкости. Разработан численный подход для решения данной задачи в случае зависимости вязкости от пространственных переменных и времени. 4. При экструзивном извержении на поверхности растут лавовые купола, магма поднимается медленно, ее вязкость сильно увеличивается за счет кристаллизации. При больших концентрациях кристаллов магма проявляет неньютоновские свойства, ее вязкость зависит от скорости сдвига, наблюдается проскальзывание магмы по стенкам канала. Построена квазидвумерная модель течения магмы в канале вулкана с учетом зависимости вязкости от скорости сдвига, изменением температуры и возможности проскальзывания магмы по стенкам канала. Проведены численные исследования течения для различных расходов магмы. Показано, что профиль скорости существенно отличается от параболического, используемого в одномерных моделях. За счет вязкой диссипации образуется относительно узкий сдвиговый слой с пониженной вязкостью, отделяющий практически неподвижную магму в пристеночной области канала от выдавливающейся в центре канала лавовой пробки. Подобные режимы извержения наблюдаются на многих вулканах с магмами кислого состава. 5. Создан программный код для численного моделирования неизотермических течений несжимаемой вязкой жидкости бессеточным методом гидродинамики сглаженных частиц. Возможности кода включают моделирование течений со свободной поверхностью и учет нелинейной зависимости вязкости жидкости от температуры. 6. В приближении тонкого слоя решена задача о растекании лавы как неньютоновской жидкости при условии частичного проскальзывания на подстилающей поверхности. Для степенной зависимости расхода лавы от времени найдено автомодельное решение этого уравнения.

 

Публикации

1. Исмаил-Заде А.Т., Цепелев И.А., Стародубцева Ю.В., Короткий А.И., Мельник О.Э. Lava crust development inferred from numerical models and surface thermal measurements Abstract of the Fall Meeting of the American Geophysical Union, San Francisco, California, USA, - (год публикации - 2019).

2. Мельник О.Э., Цветкова Ю.Д. О влиянии неньютоновских свойств магмы на течение в канале вулкана XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Уфа, 19-24 августа 2019 г., стр. 97-99 (год публикации - 2019).

3. Цепелев И.А.,Исмаил-Заде А.Т., Стародубцева Ю., Короткий А.И., Мельник О.Э. Crust development inferred from numerical models of lava flow and its surface thermal measurements Annals of Geophysics, 62, 2, VO26 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Построены модели формирования лавового купола, течения лавы и ее солидификации, зависящие от роста содержания кристаллов в магме/лаве, расхода лавы и температуры. Показано, что на морфологию куполов влияют два параметра: характерное время роста кристаллов и расход лавы. Также показано, что охлаждение не играет существенной роли при развитии лавового купола. Если вязкость лавы зависит от скорости сдвига, то это приводит к незначительным изменениям формы купола. https://www.rscf.ru/news/earth-sciences/obrushenie-vulkanicheskogo-kupola 2. Предложен новый подход к решению обратных задач, связанных с оценкой вязкости магмы. Он основан на сравнении наблюдаемой и смоделированных морфологических форм куполов с помощью методов компьютерного зрения и теории обработки изображений. Функционал на основе измерения индекса структурного сходства оценивает не только количественное отклонение модельных и наблюдаемого куполов, но и их структурные особенности. По найденной смоделированной форме лавового купола можно оценить параметры реологической модели наблюдаемого купола. 3. Построена модель растекания лавы как неньютоновской жидкости при условии частичного проскальзывания на подстилающей поверхности. Установлено, что для характерных для течения лавы значений параметров при учете проскальзывания за счет выбора значений коэффициентов в обобщенном законе Навье скорость распространения лавовых потоков может быть в полтора раза больше, чем при условии прилипания на подстилающей поверхности, как за счет выбора значения коэффициента пропорциональности в законе, так и за счет выбора показателя степени. 4. Проведен обзор большого материала по магматизму и вулканическим проявлениям на Кавказ. Показано, что палеозойско-палеогенная эволюция Кавказского региона была отмечена крупными магматическими событиями. Интенсивный магматизм поздней юры на Малом Кавказе, Локи-Карабахе и Куринской впадине был связан с риолитовыми магматическими извержениями, которые могли приводить к образованию лавовых куполов и потоков. 5. Построены трехмерные численные модели течения лавы в районе Саммит-Лейк Йеллоустона и определено влияние подстилающей поверхности и вязкости лавовых потоков на процесс растекания и продолжительность течения. Показано, что средний угол наклона подстилающей поверхности отличался от современного на незначительную величину, предположительно из-за изменения давления в магматической камере во время извержения. С увеличением вязкости лавы лавовый поток замедляется, а его высота увеличивается, что приводит к изменению морфологии потока.

 

Публикации

1. - Ученые придумали, как спрогнозировать обрушение купола вулкана газета.ru, - (год публикации - ).

2. - Российские ученые предложили новый способ прогнозирования обрушения купола вулкана Будущее России - Национальные Проекты, - (год публикации - ).

3. - Спрогнозировать обрушение купола вулкана поможет установленное влияние на него магмы indicator.ru, - (год публикации - ).

4. Веденеева E.A. Spreading of Lava as a Non-Newtonian Fluid in the Conditions of Partial Slip on the Underlying Surface Fluid Dynamics, 56 (1), 18–30 (год публикации - 2021).

5. Веденеева Е.А. РАСТЕКАНИЕ ЛАВОВЫХ ПОТОКОВ С УЧЕТОМ ИХ ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ ПРИ ИЗВЕРЖЕНИЯХ ТРЕЩИННОГО ТИПА ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ-МЕХАНИКОВ YSM-2020 (3−13 сентября 2020 г., Сочи, «Буревестник» МГУ): Тезисы докладов. – М.: Издательство Московского университета, 2020., с. 44. (год публикации - 2020).

6. Исмаил-Заде А., Стародубцева Ю., Стародубцев И., Цепелев И., Короткий А., Мельник О. Predicting lava dome viscosity by analyzing its observed morphology American Geophysical Union Fall Meeting Abstracts, - (год публикации - 2020).

7. Исмаил-Заде А.Т. Geodynamics, seismicity, and seismic hazards of the Caucasus Earth-Science Reviews, 207, 103222 (год публикации - 2020).

8. Исмаил-Заде А.Т., Мельник О.Э., Цепелев И.А. Morphology of lava domes inferred from numerical modeling EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-1962 (год публикации - 2020).

9. Мельник О.Э Shear localization during magma ascent: results from quasi-2D numerical simulations EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-3284 (год публикации - 2020).

10. Стародубцева Ю.В., Стародубцев И.С., Исмаил-Заде А.T., Цепелев И.А., Мельник О.Э., Короткий А.И. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЯЗКОСТИ МАГМЫ ПО МОРФОЛОГИИ ЛАВОВОГО КУПОЛА Вулканология и сейсмология, - (год публикации - 2021).

11. Цепелев И.А., Исмаил-Заде А.Т. , Мельник О.Э. ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАВОВОГО ПОТОКА 4 САММИТ-ЛЕЙК, ЙЕЛЛОУСТОН, США Физика Земли, - (год публикации - 2021).

12. Цепелев И.А., Исмаил-Заде А.Т., Мельник О.Э. Lava dome morphology inferred from numerical modelling Geophysical Journal International, 223, 1597–1609 (год публикации - 2020).