Автор: Мельник Олег Эдуардович
Название работы: Гидродинамика вулканических извержений сильновязких газонасыщенных магм
|
Присвоенная ученая степень: доктор физико-математических наук
Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Лабораториия общей гидродинамики НИИ Механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Руководитель:
Оппонент:
доктор физико-математических наук А. Б. Ватажин;
доктор физико-математических наук Ю.П. Гупало;
доктор физико-математических наук С.И. Лежнин;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 29 ноября 2002 г.
Издательство: Москва
Количество страниц:
Язык: русский
Содержание работы:
В диссертации рассматриваются модели течения сильновязких, газонасыщенных магм, для которых характерны два режима извержения: эксплозивный, когда на поверхность выходит струя
газовзвеси, и экструзивный - выдавливание высоковязких лавовых куполов.
В представленном исследовании проведено последовательное применении методов механики сплошных сред к моделированию различных типов вулканических извержений, дано объяснение
многим наблюдаемым явлением и заложена основа для развития методов прогнозирования вулканической опасности
|
Реферат:
Актуальность темы: Работа посвящена построению методами механики многофазных сред моделей течения магмы в канале вулкана и исследованию динамики различных режимов вулканического
извержения. Сильновязким газонасыщенным магмам соответствуют два типа извержения: эксплозивный (истечение газо-пепловых струй из жерла вулкана) и экструзивный (медленное выдавливание
лавовых куполов). Переход между этими режимами может происходить скачкообразно с изменением расхода на порядки величины в течение короткого времени, поэтому такие извержения
представляют опасность для населения.
Важность изучения вулканических извержений методами механики сплошных сред обусловлена отсутствием прямых методов наблюдения процессов, происходящих в земной коре, редкостью
крупных вулканических извержений, необходимостью прогноза и определения степени опасности конкретных вулканов. Магма представляет собой объект, обладающий уникальными физическими
свойствами: аномально большой, переменной вязкостью, наличием растворенного в ней газа, выделяющимся при подъеме, сложными физико-химическими превращениями. При подъеме магмы
по каналу в результате падения давления происходит изменение структуры потока от гомогенной жидкости до газовзвеси, сопровождающееся нуклеацией, ростом пузырьков, их частичным
слиянием и разрушением образовавшейся пены.
Работы по моделированию течения магмы в канале вулкана для случая эксплозивного извержения начались около 20-ти лет назад, экструзивного - в последние 10 лет, однако, последовательного
и строгого изучения этого процесса с точки зрения механики многофазных сред не производилось. Построенные модели рассматривали извержение в сильно упрощенной постановке, не
учитывая важных физических процессов. Результаты исследований не позволили объяснить широкий спектр наблюдаемых явлений.
Таким образом, актуальность работы связана с необходимостью понимания механизмов вулканических извержений, интерпретации данных полевых наблюдений и оценки потенциальной опасности
различных вулканов. К числу нерешенных проблем, в частности, относятся выявление механизмов перехода между экструзивными и эксплозивными извержениями, циклической активности
вулканов, вулканических взрывов при экструзивных извержениях и другие.
Целью работы является:
Построение последовательных, замкнутых гидродинамических моделей течения магмы в канале вулкана с учетом современных данных о свойствах магмы, механизмах фазовых переходов
и геометрии вулканических систем.
Численное и аналитическое исследование динамики процесса с выявлением роли определяющих параметров.
Выявление механизмов неустойчивости течений магмы для различных режимов извержений.
Интерпретация данных полевых наблюдений на активных вулканах. Оценка параметров вулканических систем, не поддающихся непосредственному измерению.
Научная новизна работы:
Построены замкнутые гидродинамические модели течения магмы в канале вулкана для различных режимов извержения.
Развита теория течений многофазных сред для описания нового класса течений среды с аномальными свойствами: аномальной большой вязкостью, сильно зависящей от состава магмы,
сложными физико-химическими превращениями, большими перепадами давлений.
Предложен механизм фрагментации сильновязких пузырьковых жидкостей за счет набора избыточного давления в растущих пузырьках. Для описания этого процесса введен новый тип разрыва
- волна дробления.
Показано, что при определенных условиях решения стационарных краевых задач по определению расхода магмы могут быть неединственными, что может приводить к скачкообразному изменению
расхода магмы при плавном изменении параметров системы. Вскрыты механизмы, отвечающие за подобную неединственность решения.
Исследованы переходные процессы между стационарными режимами, показана возможность циклических колебаний расхода магмы во времени, наблюдаемая на многих извержениях.
В результате параметрического исследования впервые даны объяснения ряду наблюдаемых явлений, включая: механизм переходов между эксплозивными и экструзивными режимами извержения,
причину приповерхностных землетрясений и деформаций земной поверхности при экструзивных извержениях, циклический характер извержений.
Оценены параметры вулканических взрывов, возникающих за счет обрушения лавового купола. Показано сильное влияние интенсивности массообмена и механизма фрагментации на динамику
потока на выходе из канала.
Научная и практическая ценность работы состоит в построении методами механики сплошных сред последовательной теории эксплозивных и экструзивных извержений и разработке численных
и аналитических методов из исследования. На основе результатов расчетов получены оценки для параметров вулканических систем для конкретных вулканов. Созданы программные продукты,
которые в настоящее время используются для анализа динамики конкретных вулканических извержений.
Защищаемые положения.
Модели течения газонасыщенных магм в канале вулкана для случая эксплозивного и экструзивного извержения.
Критерий фрагментации сильновязких пузырьковых жидкостей в волне дробления.
Механизм перехода от экструзивных извержений к эксплозивным и обратно.
Механизм циклического изменения расхода в процессе экструзивного извержения, связанный с кристаллизацией магмы при подъеме.
Методика оценки параметров конкретных вулканических систем на основе их моделирования.
Перечисленные положения позволяют сформулировать основной результат работы как создание новой гидромеханической теории динамики вулканических извержений.
|
Библиография:
Бармин А.А., Мельник О.Э. Течение загазованной магмы в канале вулкана// Известия РАН, сер. МЖГ. 1990. N 5. C. 35-43. Бармин А.А., Мельник О.Э. Об особенностях динамики извержения сильновязких газонасыщенных магм// Известия РАН, серия МЖГ. 1993. N 2. C. 49-60. Слезин Ю.Б., Мельник О.Э. Динамика газопирокластического извержения с высоковязкой магмой// Вулканология и сейсмология. 1994. N 1. С. 3-12. Бармин А.А., Мельник О.Э. Моделирование нестационарных процессов при вулканическом извержениях сильновязких газонасыщенных магм// Вестник Московского Университета, Сер. 1 Математика и Механика. 1996. N 4. C. 91-98. Мельник О.Э. Моделирование переходных процессов при вулканических извержениях сильновязких газонасыщенных магм// Известия. РАН, сер. МЖГ. 1996. N 4. C. 78-85 Бармин А.А., Мельник О.Э. Математическое динамики вулканического извержения газонасыщенных магм// Проблемы современной механики. К 60-летию акад. В.П. Мясникова. 1996. C. 96-111. Марков В.В., Мельник О.Э. Моделирование динамики распространения продуктов вулканических извержений в атмосфере// Труды МИАН, К 90-летию акад. Л.И. Седова. 1998, 223, С. 207-212. Бармин А.А., Мельник О.Э. Математическое моделирование процесса извержения вулкана в случае загазованных магм// Вестник РАЕН, Секция Физика. 1999. N 5. C. 78-90. Melnik O.E. Volcanology: Fragmenting magma// Nature. 1999. 397. P. 394-395. Melnik O.E., Sparks R.S.J. Non-linear dynamics of lava dome extrusion// Nature. 1999. 402. P. 37-41. Melnik O.E. Dynamics of two-phase conduit flow of high-viscosity gas-saturated magma: Large variations of sustained explosive eruption intensity.// Bulletin of Volcanology. 2000. 62. P. 153-170. Мельник О.Э. Нестационарная модель динамики вулканического извержения с учетом кристаллизации и фильтрации газа через магму.// Доклады Академии Наук. 2001. 377. N 5, с 629-633. Бармин А.А., Мельник О.Э. Гидродинамика вулканических извержений//Успехи Механики,2002, N 1. Barmin A., Melnik O., Sparks R.S.J. Periodic behavior in lava dome eruptions. //Earth and Planetary Science Letters, 2002, v.199, P. 173-184 Melnik O.E., Sparks R.S.J. Dynamics of magma ascent and lava extrusion at Soufriere Hills Volcano, Montserrat.// in The eruption of Soufriиre Hills Volcano, Montserrat, from 1995 to 1999. T.H. Druitt and B.P. Kokelaar. 2002. Melnik O.E., Sparks R.S.J. Modeling of conduit flow dynamics during explosive activity at Soufriere Hills Volcano, Montserrat.// in The eruption of Soufriиre Hills Volcano, Montserrat, from 1995 to 1999. T.H. Druitt and B.P. Kokelaar. 2002. Тезисы докладов на Российских и международных конференциях: Мельник О.Э. Математическое моделирование вулканического извержения // Тезисы доклада на конференции "Численные методы и математическое моделирование", Владивосток, 1989. Мельник О.Э. Моделирование вулканического извержения плинианского типа // Сб. трудов V всесоюзной конференции "Актуальные вопросы геофизики", Переславль-Залесский ,1990. Мельник О.Э.,Слезин Ю.Б. Неустойчивость двухфазного потока в канале вулкана как причина катастрофического усиления извержения//Аннотация доклада Vll всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Мельник О.Э. Нестационарные процессы в динамике вулканического извержения(тезисы. Школы-семинара "Современные проблемы аэрогидродинамики", Севастополь, 10-19 сентября 1994г.)// Известия РАН, сер. МЖГ,N 3,1995 O.E. Melnik, R.S.J. Sparks The influence of fragmentation criterion on explosive dynamics in high-viscous gas-saturated magmas// IUGG-1999, Birmingham,26-30 July, 1999 Melnik, O and Sparks , R S J. Nonlinear dynamics of lava dome extrusion (abs)// Proceedings of the Royal Society Discussion Meeting -Causes and consequences of eruptions of Andesite volcanoes, London, UK, October 1999. Бармин А.А., Мельника О.Э. Нелинейные модели роста лавового купола и эксплозивных извержений, вызванных его разрушением// Современные проблемы механики. Тезисы докладов конференции, посвященной 40-летию Института Механики МГУ, 22-25 ноября 1999. Melnik, O and Sparks , R S J. Dynamics of explosive eruptions at the Soufriere Hills volcano, Montserrat(abs)//Proceedings of the Royal Society Discussion Meeting -Causes and consequences of eruptions of Andesite volcanoes, London, UK, October 1999. Бармин А.А., Мельник О.Э. Нелинейные модели роста лавового купола и эксплозивных извержений, вызванных его обрушением//САМГОП, 2000, Пермь,24 июня - 1 июля, 2000 O.E. Melnik, R.S.J. Sparks Unsteady conduit flow model for the case of lava dome extrusive eruption//IAVCEI general assembly, 2000, Bali, Indonesia, 18-22 July 2000 Бармин А.А., Мельника О.Э. О влиянии кристаллизации и фильтрации газа через магму на динамику вулканического извержения//Ломоносовские чтения 2000,СЕКЦИЯ МЕХАНИКИ O.E. Melnik, W.I. Rose, E.A. Fedotova Modeling of Discharge Rate Variations on Santiaguito Volcano, Guatemala//AGU 2001, San Fransisco, 10-14 December 2001 R.S.J. Sparks, A.A. Barmin,O.E. Melnik Periodic behaviour in lava dome eruptions//AGU 2001, San Francisco, 10-14 December 2001 А.А. Бармин, О.Э Мельник Модели течения сильновязких, газонасыщенных магм в канале вулкана.(секционный доклад)//VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Пермь, 23-29 авг. 2001 Melnik, O., Sparks, R.S.J. and Voight Causes of pulsatory andbperiodic behaviours in volcanic eruptions//Proceedings of Cities on Volcanoes 2, Auckland, New Zealand. February 2001. O. Melnik, R.S.J. Sparks, A. Barmin Periodic behaviour in lava dome eruptions// Montagne Pelee 1902-2002, Explosive Volcanism in Subduction Zones, Saint-Pierre, Martinique, May 12-16, 2002 Sparks, R.S.J., Barmin, A., Melnik, O. and Voight, B. Conduit flow and periodic behavior in lava dome eruptions//International Workshop on Unzen Scientific Drilling Project, Sapporo, Japan, 26-29 January,2002. А.А. Бармин, О.Э. Мельник, Е.А. Федотова Гидродинамика вулканических извержений сильновязких газонасыщенных магм// Математика, Механика, Информатика 2002, 10-летие РФФИ, 14 -18 октября 2002
|
|
