Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Формирование очага цунами на поверхности акватории является сложным нелинейным процессом. Детали этого процесса, вызываемого движениями дна в области очага, определяют характер волнового поля в данный момент времени как в открытой части бассейна, так и вблизи его приграничных областей. При дальнейшем распространении этой длинной волны, как амплитудные характеристики волнового поля, так и распределение энергии по частотам, будут определяться не только батиметрией бассейна, в зависимости от направления распространения, но и формой очага цунами, и его эволюцией в ходе формирования. В частности, форма очага цунами определяет структуру волнового фронта в прибрежной области. Например, если очаг цунами имеет биполярную форму: возвышение-понижение и понижение водной поверхности обращено к берегу, то вслед за волной понижения следует волна повышения, амплитуда которой значительно выше, чем это было бы при генерации волны повышения (Pelinovsky, Mazova, 1992).
При численном моделировании динамика очага цунами обычно не рассматривается, поскольку очаг задается на поверхности воды в виде возмущения, форма которого выбирается, исходя из некоторых физических соображений, основанных, например, на наблюдательных данных или некоторой модели. Такой подход базируется на предположении мгновенности процесса генерации волны подводным источником и гидростатичности давления [1]. Задача в такой постановке сводится к расчету распространения длинной волны по акватории от источника заданной, фиксированной формы, причем волновое поле, формирующееся в этом случае, в том числе его амплитудные характеристики в береговой зоне и распределение энергии по частотам, определяется в первую очередь батиметрией рассматриваемого бассейна. Адекватность таких расчетов оценивается обычно по степени согласования расчетных мареограмм с имеющимися данными мареографов в заданном регионе. Однако, даже при полученном согласии мареограмм не устраняется неоднозначность решения обратной задачи определения характеристик очага цунами (см., напр. [1]) -необходимо привлечение дополнительных данных, например, структуры волнового поля цунами в открытом море (Куликов и др., 2005), подводных датчиков давления (Titov et al., 2005) или распределения максимальных высот заплеска цунами по побережью.
Как показали недавние события сильнейших землетрясений, вызвавших разрушительные цунами (Суматра (Индонезия), 2004 г., Тохоку (Япония), 2011 г.), формирование очага цунами не было мгновенным - длительность подводного землетрясения составила около 1000 с. Эти факты и усиление сейсмической активности в последнее время делает задачу расчета генерации цунами и формирования ее очага актуальной, чтобы предотвратить (или минимизировать) потери в случае возможных сильных (катастрофических) событий в морских акваториях. Такие события особенно вероятны в зонах «сейсмических брешей»,
т.е. разломов подводного рельефа, где давно не было сильных землетрясений. Численное моделирование генерации цунами и т.о. формирования его очага с помощью предлагаемой блочно-клавишной модели подводного сейсмического очага позволяет рассчитать структуру волнового поля в прибрежной зоне более детально, что является важным для практических приложений. В связи со сказанным выше, наиболее адекватным является проведение численного моделирования с максимально возможной для данной зоны магнитудой землетрясений [Okal, 2010].
Другими причинами возникновения цунами, могут быть подводные оползни. Такие события возникают засчет перегрузки подводных склонов вследствие естественных или техногенных причин. Формирование очага цунами при оползании берегового склона тоже является протяженным по времени процессом и его моделирование также требует учета динамики подводного очага.
Цели диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является изучение генерации, распространения и наката длинных нелинейных волн в черноморском бассейне с учетом динамики и кинематики подводного источника. В частности, предполагается:
-
Развить и адаптировать базовую концепцию клавишной модели цунамигенных землетрясений на случай геодинамических структур земной коры в ограниченных морских акваториях, разработать методы моделирования генерации очага цунами кинематическим многоблоковым подводным источником и реализующую их численную схему для таких бассейнов.
-
Разработать вычислительный комплекс для выполнения программной реализации нового подхода к моделированию процесса генерации длинной волны сложным кинематическим и динамическим подводным источником и ее распространения в ограниченных морских акваториях.
-
Исследовать возможные сценарии формирования очага цунами на поверхности моря в зависимости от характера движения блоков в подводном, многоблочном сейсмическом очаге.
-
Проанализировать эволюцию сформированного волнового поля от очага цунами до побережья с целью выявления возможных катастрофических волновых характеристик цунами в береговой зоне для российского побережья, а также побережий Украины, Болгарии и Турции.
-
Исследовать особенности характера формирования очага цунами на поверхности моря при сходе подводного оползня - подводный динамический источник, на базе модели упругопластической жидкости для оползневой массы на подводном склоне.
Научная новизна результатов работы
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами: 1. Установлена нелокальная связь характеристик рассчитанного на базе нелинейных уравнений мелкой воды волнового поля цунами с кинематикой и
динамикой движения блоков в очаге землетрясения в рамках клавишной модели.
-
Показано, что выбор локализации сейсмического очага при учете сейсмоактивных разломов земной коры при численном моделировании генерации волн цунами определяет возможность сильного или катастрофического цунами в этой акватории.
-
Определены характеристики волновых полей в черноморском бассейне, полученных при численном моделировании генерации и распространения длинных волн от источников, расположенных в зонах «сейсмических брешей» в Черном море, где долгое время не происходило землетрясений.
-
Показана возможность оползания на двух участках подводного склона с параметрами района Архипо-Осиповки (черноморский терминал газопровода Россия-Турция). Получено, что оползневый процесс в верхней части подводного склона может генерировать волну цунами, накатывающуюся на формирующийся в процессе оползания склон, с которого сошел оползень.
-
Показана возможность сильных цунами от многоблоковых сейсмических источников в зонах сейсмической бреши в районе российского побережья, турецкого побережья, на побережье Украины и Болгарии. Наиболее детально был исследован район черноморского побережья г.Сочи.
-
Проведен спектральный (wavelet) анализ волновых полей, полученных при численном моделировании генерации волн на поверхности воды подводным источником при гипотетических землетрясениях. Получено, что для большинства возможных черноморских цунами наибольшая волновая энергия в основном сосредоточена в низкочастотной составляющей спектра, что говорит о длинноволновой компоненте, характерной для волн цунами. Отмечено, что наибольшая интенсивность волновой энергии здесь может достигать 50 дБ.
Положения, выносимые на защиту
-
Развитая методика расчета генерации нелинейного волнового поля цунами, базирующаяся на учете геодинамической структуры земной коры и положения сейсмических брешей в ограниченных морских акваториях.
-
Модернизированная численная схема для расчета генерации длинной волны динамическим подводным источником. Расчеты в рамках нелинейных уравнений мелкой воды с учетом диссипативных эффектов для различных сценариев реализации подводного землетрясения, а также подводного оползня.
-
Расчеты генерации и распространения длинных волн на базе многоблоковой модели сейсмического очага, с разновременной реализацией движения блоков. Исследованы детали расчетного нелинейного волнового поля как в открытом море, так и вблизи побережья, в зависимости от кинематики и динамики движения блоков в сеймическом очаге. Полученные результаты использованы при прогнозе параметров возможного сильного или катастрофического цунами в акватории Черного моря, в частности, для побережья г. Сочи.
-
Wavelet-анализ энергетического спектра нелинейного волнового поля, полученного при расчетах генерации и распространения длинных волн в черноморском бассейне. Показано, что в большинстве случаев наибольшая волновая энергия в основном сосредоточена в низкочастотной составляющей спектра, что говорит о длинноволновой компоненте, характерной для волн цунами.
-
Расчеты генерации длинных волн, вызванных оползнями в черноморском бассейне, с использованием модели упругопластической жидкости для подводного оползня. Исследован новый эффект наката волны цунами на формирующуюся в каждый момент времени поверхность склона. Результаты расчетов применены к оползневому склону в районе Архипо -Осиповки (российский терминал газопровода Россия-Турция).
Практическая значимость результатов работы
Развитая методика расчета генерации цунами, базирующаяся на учете геодинамической структуры земной коры и положения сейсмических брешей в ограниченных морских акваториях, и распространения в них этих волн дает возможность определить детали волнового поля цунами в заданной точке и их связь с кинематикой и динамикой движения блоков в подводном очаге. Важный практический результат - это определение опасности возникновения цунами в черноморском бассейне, используя динамическую модель сейсмического очага в зонах сейсмических брешей; получение деталей процесса формирования очага цунами и распространения этих волн в данных акваториях. Научные исследования, проведенные автором, вносят важный вклад в решение проблемы возникновения катастрофических цунами, вызванных умеренными, сильными и сильнейшими землетрясениями в этих акваториях. Они позволяют адекватно определить детали одновременных процессов схода оползня и формирования волны цунами, и ее дальнейшего наката на склон, формирующийся в процессе оползания в этих акваториях при слабых и умеренных землетрясениях в шельфовой зоне и при техногенных событиях. Эти результаты могут найти применение для сейсмостойкого строительства, цунамирайонирования и т.д.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована корректностью постановок задач математической физики, использованием известных подходов к численному моделированию гидродинамических процессов и современных методов спектрального анализа, сравнением результатов численного моделирования и экспериментальных данных.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференциях:
-
Scientific-Educational Meeting COMSHELFRISKS', Nizhny Novgorod State Technical University, 11 June 2006 (Научно-образовательная конференция по программе EU COMSHELFRISKS').
-
10th Plinius Conference on Mediterranean Storms, Nicosia, Cyprus, 22 - 25 September 2008.
-
X Всероссийская конференция «Проблемы мониторинга окружающей среды», Кемерово-Кузбасс, 31 июля 2009 г.
-
EGU General Assembly 2010 of the European Geosciences Union, Vienna, Austria, 02-07 May 2010.
-
International Conference on Applied and Computational Mathematics (1СACM), Ankara-Turkey, October 3-6, 2012.
Личный вклад автора
Всего по теме диссертации автором опубликовано 8 научных работ, из них в соавторстве - 4 статьи в реферируемых журналах и сборниках трудов, и 4 работы в тезисах докладов на международных конференциях. Они отражают основные результаты диссертации. Автором, по материалам доступных источников, модернизирован алгоритм для численной реализации генерации волн цунами в Черном море на базе клавишной (многоблоковой) модели цунамигенных землетрясений. Автор провела численное моделирование генерации и распространения волн цунами и наката их на берег с предварительным тестированием и уточнением модели расчета. Вклад автора состоял также в выполнении анализа результатов расчета и обработке полученных материалов. Автор принимала непосредственное участие в интерпретации полученных результатов. Статистическая обработка большого эмпирического материала, собранного автором, выполнялась ей лично. Численные расчеты динамики оползня в районе п.Архипо-Осиповки, выполненные на базе модели упругопластической жидкости с применением программного кода FLAC, проводились совместно с д.ф.-м.н., проф. И.А.Гарагашем.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 165 страниц, включая 94 рисунка и 8 таблиц.
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ЦУНАМИ В ОГРАНИЧЕННЫХ
АКВАТОРИЯХ
-
Общая математическая постановка задачи
-
Описание численных схем, используемых при моделировании волновых процессов в черноморской акватории
1.3. Тестовые примеры на численное моделирование одномерного наката
длинной волны на наклонный берег в рамках косоугольной и прямоугольной
систем координат
1.4. Анализ влияния формы многоблочного сейсмического очага на характер
наката цунами на берег. Модельные задачи
-
Обзор состояния проблемы
-
Обзор литературы по цунами от сейсмических и оползневых процессов в черноморском бассейне
-
Обоснование выбора модели сейсмического очага
2.4. Обоснование адекватности применимости блочной модели для расчета
генерации волны цунами в черноморской акватории
3.1.Расчет возможных сценариев генерации исторических цунами для
побережий России и Украины
3.2. Численное моделирование генерации возможных катастрофических цунами
для российского побережья
-
Численное моделирование генерации возможных катастрофических цунами для украинского и болгарского побережий
-
Численное моделирование генерации возможных катастрофических цунами для черноморского побережья Турции
-
Спектральный анализ волновых полей исторических и гипотетических сейсмоцунами в акватории Черного моря
-
Источники, причины и особенности цунами, вызванных сходом оползня....
-
Численное моделирование оползневого процесса в районе Джубги
-
Численное моделирование генерации и распространения волн цунами, вызванных сходом подводного оползня, рассчитанным на основе модели упруго-пластической жидкости
Похожие диссертации на Численное моделирование волн цунами с учетом динамики подводного очага : на примере акватории Черного моря
