Гидродинамика вулканических извержений сильновязких газонасыщенных магм

• Автор: Мельник, Олег Эдуардович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 192 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МОДЕЛЬ ЭКСПЛОЗИВНОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ СИЛЬНОВЯЗКИХ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ МАГМ
§ 1. Физическая постановка задачи
§ 2. Математическая формулировка модели
§2.1 Гомогенная жидкость
§ 2.2 Пузырьковая жидкость
§2.3 Газовзвесь
£ 2.4 Фрагментация пузырьковой жидкости, волна дробления
§ 2.5. Граничные условия и метод расчета
§ 3; Результаты расчетов
§ 4. Сравнение результатов расчетов с данными наблюдений ' .
Выводы кглаве 1
ГЛАВА 2. ДИНАМИКА ВУЛКАНИЧЕСКОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ С
УЧЕТОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАГМЫ И ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА
ЧЕРЕЗ НЕЕ
§ 1. Экструзивные вулканические извержения
§ 2. Качественный учет кристаллизации магмы
§ 3. Стационарная модель течения магмы с учетом кинетики
кристаллизации магмы и оттока газа через нее
§3.1 Кинетика кристаллизации магмы
§ 3.2. Физические свойства магмы для вулкана Суфриер Хиллз
§ 4. Стационарная модель течения магмы в канале
§ 5 Режимы извержения при росте лавового купола
Выводы к главе
ГЛАВА 3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЗАДАЧИ ПОДЪЕМА МАГМЫ С
УЧЕТОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА ЧЕРЕЗ НЕЕ.

§ 1. Нестационарная модель для кусочно-постоянной зависимости
вязкости ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КРИСТАЛЛОВ
§1.1 Система уравнений и ее преобразование
§1.2 Качественный анализ явлений в рамках простейшей модели
§ 1.3 Результаты расчетов по простейшей модели
§ 1.3.1 Случай канала постоянного сечения
§ 1.3.2 Учет вязко-упругих деформаций стенок канала вулкана.
§ 1.3.3 Реконструкция конкретных извержений

§ 2. Нестационарная модель подъема магмы с учетом кинетики
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА ЧЕРЕЗ МАГМУ И ВЯЗКО-УПРУГИХ
ДЕФОРМАЦИЙ СТЕНОК КАНАЛА ВУЛКАНА
§2.1 Система уравнений
§ 2.2 Граничные условия
§2.3 Метод решения
§ 2.4 Результаты расчетов
§ 2.4.1 Случай недеформируемых стенок канала, постоянной длины
канала и объемной доли кристаллов в очаге
§ 2.4.2 Влияние изменения высоты лавового купола на расход магмы.

§ 2.4.3 Влияние вариации объемной доли кристаллов на расход магмы.

§ 2.4.4 Влияние неньютоновской реологии магмы на динамику
извержения
§ 2.4.5 Влияние скрытой теплоты кристаллизации на динамику
извержения
§ 2.4.6 Моделирование извержения вулкана Сантьягито
Выводы к главе
ГЛАВА 4. ДИНАМИКА ЭКСПЛОЗИВНОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ,
ВЫЗВАННОГО РАЗРУШЕНИЕМ ЛАВОВОГО КУПОЛА
§ 4.1 Физическая модель и система уравнений
§ 4.2 Методрешения
§ 4.3 Результаты расчетов
§ 4.4 Сравнение с данными полевых наблюдений вулкана Суфриер
Хиллз
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Вулканическое извержение - один из наиболее разрушительных типов природных катастроф. Так извержение вулкана Везувий (79 г. нашей эры), разрушило города Помпеи и Геркуланум, Санторина (1650 г. до нашей эры) уничтожило Минойскую культуру, а при извержении Кракатау (1883 г) было выброшено около 50 км3 вещества. Самое крупное известное извержение произошло на вулкане Йелоустон (США) около 2.2 млн. лет назад. Объем извергнутого материала оценивается в 2500 км3, а его последствия сравнимы с последствиями столкновения Земли с крупным небесным телом. Современные оценки показывают, что вероятность подобного извержения в будущем на порядок больше вероятности столкновения земли с метеоритом.
Влияние вулканических извержений на окружающую среду многообразно. Это и непосредственное разрушение прилегающих областей (до 100 - 1000 км2 для крупных извержений), и образование газо-пепловых туч, огибающих земной шар и создающих серьезную опасность для авиации, и изменение газового состава атмосферы, приводящее к локальным или глобальным (в доисторическое время) изменениям климата (Фиг. 1).
Наибольшую опасность для населения представляют извержения газонасыщенных магм, при которых происходит взрывоподобное или непрерывное истечении газо-пепловых струй из жерла вулкана. В отличие от чисто лавовых извержений, скорость распространения их продуктов очень высока, а расход может в течение короткого времени изменяться на порядки величины.
стремится к бесконечности, поэтому реальные вычисления прерываются, когда Кг=0.99 Д,. Данное предположение не сказывается на точности вычисления длины канала, а следовательно определения расхода из решения краевой задачи.
Определение расхода ведется методом пристрелки. При заданных параметрах- в очаге и расходе магмы производится расчет течения до выполнения верхнего граничного условия. При этом вычисленная длина канала сравнивается с заданной и происходит выбор нового значения расхода для удовлетворения верхнего граничного условия на заданной длине канала.
§ 3. Результаты расчетов.
Рассмотрим задачу истечения магмы из очага, расположенного на заданной глубине I, на поверхность. В качестве типичных параметров зададим параметры эксплозивного извержения вулкана Маунт Сент. Хелене (1В мая 1980 г.) основываясь на работах [6, 16, 55] (Таблица 1.2).
Параметр Обозначение Значение
Г лубина очага 1 7.2 км
Диаметр канала О 50 м
Массовая доля растворенного газа Со 0.05-0.
Объемная доля кристаллов р 0.
Плотность расплава Р°ш 2300 кг/м