Диссертация (Динамическая и статическая модели генерации поверхностных гравитационных волн в океане землетрясениями)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИМ.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 551.466.62Семенцов Кирилл АлександровичДИНАМИЧЕСКАЯ И СТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ ГЕНЕРАЦИИПОВЕРХНОСТНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН В ОКЕАНЕЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительпрофессор РАН, д.ф.-м.н.

М.А. НосовМосква – 2017ОглавлениеВведение .................................................................................................................................... 4Глава 1. Обзор литературы ..................................................................................................... 111.1. Статическая модель генерации цунами землетрясениями: основные приближения,преимущества и недостатки .......................................................................................... 111.2.Задача о расчете начального возвышения водной поверхности в очаге цунами врамках статической модели .......................................................................................... 181.3.Динамическая модель генерации поверхностных гравитационных волн в океанесейсмическими движениями дна: предпосылки для развития ....................................

231.4.Комбинированная численная модель для описания поверхностных гравитационныхволн, возбуждаемых в океане сейсмическими движениями дна ................................ 261.5.Общие принципы систем предупреждения о цунами ................................................. 30Глава 2. Оценка корректности применения аналитико-численного алгоритма (АЧА) длярасчета начального возвышения водной поверхности в реальных очагах цунами ............. 362.1.Постановка и общее решение задачи о расчете начального возвышения воднойповерхности, вызванного малыми деформациями плоского наклонного дна ........... 362.2.Точное аналитическое решение задачи о расчете начального возвышения воднойповерхности, вызванного малыми прямоугольными деформациями плоскогонаклонного дна .............................................................................................................

402.3.Сопоставление начальных возвышений водной поверхности, вызванныхэквивалентными деформациями плоского наклонного и плоскогогоризонтального дна. ..................................................................................................... 422.4.Учет асимметрии начального возвышения водной поверхности в рамках АЧА ....... 47Основные результаты главы 2 ................................................................................................

50Глава 3. Генерация свободных гравитационных волн в океане поверхностнымисейсмическими волнами ........................................................................................................ 513.1.Обнаружение эффекта генерации свободных гравитационных волн в океанеповерхностными сейсмическими волнами на основе анализа записей донныхстанций DONET ............................................................................................................ 5123.2.Механизмы генерации предшественников цунами. Теоретические оценки ..............

573.2.1. Анализ характерных частотных диапазонов ....................................................... 573.2.2. Восстановление динамики движения дна в области постановки станцийDONET .................................................................................................................. 593.2.3. Теоретические оценки возможных механизмов генерации предшественниковцунами...................................................................................................................

64Основные результаты главы 3 ................................................................................................ 73Глава 4. Численное моделирование поверхностных гравитационных волн, возбуждаемых вокеане волнами Лява и Рэлея, в рамках динамической модели............................................ 744.1. Моделирование предшественников цунами 11 марта 2011 г. вблизи полуостроваКии на основе записей донных станций DONET ........................................................ 744.2.

Моделирование предшественников цунами 11 марта 2011 г. в заливе Сагами наоснове записей наземных GPS-станций ....................................................................... 81Основные результаты главы 4 ................................................................................................ 86Глава 5. Регистрация свободных гравитационных волн, возбуждаемых поверхностнымисейсмическими волнами, при крупных землетрясениях начала XXI века ...........................

87Основные результаты главы 5 .............................................................................................. 107Основные результаты диссертации ...................................................................................... 108Литература ............................................................................................................................ 109Работы автора по теме диссертации..................................................................................... 116Приложение А ....................................................................................................................... 1183ВведениеЕжегодно на нашей планете происходят более сотни крупных ( M w  6 )землетрясений.

Большинство из них являются подводными и, следовательно, могутвызвать волны цунами той или иной разрушительной силы. Катастрофическиепоследствия землетрясения и цунами Тохоку 11 марта 2011 г. (18480 погибших ипропавших без вести, материальный ущерб в размере 220 миллиардов USD (NOAA),авария на АЭС «Фукусима») свидетельствуют о том, что даже Япония, обладающаяновейшими методиками прогноза цунами, остается уязвимой перед лицом стихии.

Дляснижения ущерба, наносимого волнами цунами береговой инфраструктуре, необходимокомплексное изучение этого грозного природного явления: развитие инструментальноизмерительнойбазы,углублениетеоретическихпредставлений,повышениеэффективности методик прогноза и систем предупреждения. В связи с этим изучениеприкладных и фундаментальных задач в рамках проблемы цунами по-прежнему являетсяактуальным и практически значимым.Во время подводных землетрясений остаточные (косейсмические) деформации днавытесняют гигантский объем воды.

Возникновение остаточных деформаций — вообщеговоря, динамический процесс, его продолжительность при крупных землетрясенияхможет достигать 10 мин и более (например, катастрофическое землетрясение у береговострова Суматра 26 декабря 2004 г.). Однако при описании процесса генерации цунамиземлетрясениямивозникновениеостаточныхдеформацийднаможносчитатьмгновенным. Это связано с тем, что приближение мгновенных деформаций дна(статическая модель генерации цунами) позволяет учесть основной фактор, отвечающийза формирование волн, — вытеснение объема воды в области очага. В рамках статическоймодели, как правило, вертикальную компоненту деформации дна переносят наповерхность воды, а начальное поле скоростей в водной толще полагают нулевым.Несмотря на то что статические модели генерации цунами получили наиболее широкоераспространение, они обладают и рядом недостатков [Levin, Nosov, 2016].

В частности,приравнивание начального возвышения поверхности воды к вертикальной компонентеостаточных деформаций дна не позволяет учесть сглаживающий эффект водного слоя ивклад горизонтальных компонент вектора деформаций неровного дна. Пренебрежениеэтими факторами может привести к значительным ошибкам в оценке амплитуды цунами.Например, для Курильского цунами 13 января 2007 г., очаг которого находился в областиузкого и глубокого подводного желоба, такая ошибка составляет около 40% [Файн,4Куликов, 2011; Levin, Nosov, 2016]. Совершенствование существующей статическоймодели генерации цунами является одной из целей настоящей работы.Динамические модели генерации цунами распространены значительно меньше, чемстатические. В первую очередь это связано с тем, что статические модели позволяютучесть основной фактор, формирующий цунами, — вытеснение объема воды остаточнымидеформациями дна, в то время как на долю динамических моделей остаются эффекты,важность которых еще предстоит установить.