Ученые построили модель оползней, вызывающих цунами
В последние десятилетия наблюдались аномально сильные цунами от источников, расположенных на шельфе, и в некоторых случаях они не сопровождались сейсмическими толчками. Причиной этих волн может быть полностью или частично подводный оползень достаточно большой мощности. Задача расчета наката цунами на берег при сходе оползня на подводном склоне — одна из важнейших и сложнейших в этой области. Сложность проблемы связана с необходимостью учитывать нелинейный характер наката, рассеяния и обрушения волн, а также сложную геометрию шельфовой зоны. Кроме того, очень важен способ расчета движения оползневых масс. Для моделирования цунами, вызванных оползнями, существует ряд моделей, наиболее популярными из которых стали модель жесткого блока и вязкой или вязкопластичной жидкости. В моделях первого типа движение оползня описывается в рамках динамики твердого тела, а для генерации поверхностных водных волн используются уравнения мелкой воды. Во втором типе моделей уравнения мелкой воды используются как для движения оползня, так и для описания генерации поверхностных водных волн. Последующие улучшения моделей учитывали некоторые особенности движения оползневых масс, но оставались гидродинамическими в своей основе. Поэтому с их помощью невозможно анализировать детальную структуру тела оползня и механические характеристики составляющих тела во время скольжения. Моделирование движения оползня должно учитывать реальные физические свойства движущейся массы.
Авторы использовали упругопластическую модель, разработанную в 2000 году. Модель учитывает как детальную структуру тела оползня, так и механические характеристики составляющих земляной массы во время процесса скольжения. Берется в расчет также характер процессов, протекающих в теле оползня. Модель была реализована с использованием программного кода FLAC3D, позволяющего проводить вычисления в рамках явной конечно-разностной схемы решения трехмерных задач механики сплошных сред. Область моделирования дискретизирована элементами (многогранниками), образующими трехмерную сетку, которая соответствует форме моделируемого объекта. Каждый элемент ведет себя в соответствии с заданным линейным или нелинейным законом напряжения-деформации в ответ на приложенные силы или граничные условия. Сетка деформируется и перемещается вместе с материалом, который она представляет.
«В отличие от других моделей, где заплеск волны цунами происходит на исходный береговой склон, здесь поверхность склона непрерывно трансформируется при сходе оползня. Другими словами, в каждый момент времени накат цунами происходит на новую поверхность берегового склона, что приводит к сложному смещению линии уреза воды по сравнению с исходным положением оползня. Такой эффект еще не был получен ранее, да его и невозможно получить в рамках движения оползня, как твердого тела или в рамках вязкой модели», — комментирует профессор Раиса Мазова.
Оказалось, что для одного и того же тела оползня с одним и тем же сейсмическим, либо другим динамическим воздействием, величина наката волны на берег существенно зависит от исходного расположения тела оползня на склоне шельфа. Такой эффект не учитывается в наиболее часто используемых моделях, поскольку они рассматривают движение оползня вниз по стационарному склону. Зависимость от свойств имеющихся на склоне осадков также оказалась заметной. Анализ результатов численного моделирования показывает, что максимальное воздействие на склон реализуется при нахождении оползневой массы на сухом берегу.
«Мы не пытались внедрить новую методологию расчета модели оползня, а использовали уже знакомую модель, только внесли в нее дополнительные граничные условия. Наши результаты демонстрируют, что динамика береговой линии существенно зависит от исходного положения тела оползня, который сдвигает прибрежную часть дна. Этот признак может дать некоторую информацию о местоположении подводного оползня с соответствующим решением обратной задачи уже после цунами. Однако хорошо известно, что решение обратной задачи даже при нахождении местоположения сейсмического очага цунами — довольно сложный процесс, который не всегда приводит к адекватным результатам. Мы уже начали исследования в этом направлении и надеемся верно оценить места расположения этих оползней и их характер», — дополняет академик РАН Леопольд Лобковский, заведующий лабораторией геофизических исследований Арктики и континентальных окраин Мирового океана МФТИ.
Материал предоставлен пресс-службой МФТИ