Диссертация (Динамическая и статическая модели генерации поверхностных гравитационных волн в океане землетрясениями), страница 2

Кроме того, в рамках динамическогоподхода в численную модель необходимо вводить данные о динамике движений дна вовсей расчетной области, что приводит к большому объему вводимых данных, особеннопри расчетах в области океанического масштаба. Однако некоторые эффекты, такие как,например, генерация свободных гравитационных волн в океане пробегающими по днуповерхностными сейсмическими волнами, невозможно объяснить в рамках статическоймодели.В последнее время открылись новые возможности для исследования динамическойгенерации волн в океане сейсмическими движениями дна.

В первую очередь это связано сразвитием систем глубоководных обсерваторий. Так во время катастрофического событияТохоку 2011 на расстоянии 800 км от эпицентра землетрясения функционировала сетьглубоководных станций DONET, развернутая Японским Агентством по Морским иНаземным Исследованиям и Технологиям (JAMSTEC) [Kaneda, 2010].

Уникальность сетиDONET заключается, во-первых, в густоте расположения станций (расстояние междусоседними станциями составляет 15-20 км), а во-вторых, в том, что каждая станцияоснащена трехкомпонентным донным акселерометром и донным датчиком давления,находящимися практически в одной точке. Помимо развития систем глубоководныхобсерваторий наметился существенный прогресс в определении пространственнойструктуры и восстановлении динамики деформации дна в очаге цунами по сейсмическимданным [Ji et al., 2002; Wang et al., 2006; Yagi, Fukahata, 2011].

Научные группы изГеологической службы США (USGS), Калифорнийского технологического университета(Caltech), Университета Санта-Барбара (UCSB) практически на регулярной основе даютинформацию не только о структуре подвижки в очаге землетрясения FFM (Finite FaultModel), но и о развитии подвижки во времени для многих сильных сейсмических событий.Все вышеперечисленные факторы позволяют расширить представления о динамическойгенерации гравитационных волн в океане.5Целью диссертационной работы является совершенствование статическоймодели генерации гравитационных волн в океане на основе точных аналитическихрешений и развитие представлений о динамической генерации гравитационных волн вокеане сейсмическими движениями дна.Задачи диссертации1.Получить аналитическое решение задачи о расчете начального возвышении в очагецунами над плоским наклонным дном в рамках статической модели генерациицунами.2.Провести количественное сравнение (в терминах потенциальной энергии)полученного аналитического решения с решением аналогичной задачи дляплоского горизонтального дна при глубинах и уклонах дна, характерных дляреальных очагов цунами.

Оценить, насколько корректно применять решение наплоском горизонтальном дне в аналитико-численном алгоритме расчета начальноговозвышения в реальных очагах цунами.3.ИспользуязаписиглубоководныхстанцийDART,выяснить,насколькораспространен эффект генерации свободных гравитационных волн в океанепробегающими по дну поверхностными сейсмическими волнами, обнаруженныйдля события Тохоку 11 марта 2011 г.4.Предложить механизмы генерации указанных гравитационных волн и оценитьамплитуду волн, возбуждаемых различными механизмами.5.Разработать методики восстановления динамики движения дна по записям донныхсейсмометров DONET и по записям береговых GPS станций.

Используявосстановленную динамику движений дна, выполнить численное моделированиепроцесса генерации свободных гравитационных волн в океане бегущими по днуповерхностными сейсмическими волнами во время катастрофического событияТохоку 2011. Сопоставить результаты моделирования с данными наблюдений.6.Провестичисленныеэксперименты,направленныенавыявлениероливертикальных и горизонтальных компонент движений дна в генерации свободныхгравитационных волн в океане бегущими по дну поверхностными сейсмическимиволнами. Методом численного моделирования показать, что наблюдаемый эффектимеет динамическую природу.6Научная новизна:1.Получено аналитическое решение задачи о расчетеначального возвышения вочаге цунами над плоским наклонным дном.2.На основе сравнительного анализа записей донных сейсмометров и донныхдатчиков давления DONET впервые обнаружен эффект генерации свободныхгравитационныхволнвокеанепакетомнизкочастотныхповерхностныхсейсмических волн.3.На основе анализа записей глубоководных станций DART для различных событийи различных регионов Мирового океана показано широкое распространениеуказанного эффекта.4.Предложены физические механизмы генерации свободных гравитационных волн вокеане пакетом низкочастотных поверхностных сейсмических волн.

Впервыеполучены формулы, позволяющие выполнить теоретические оценки амплитудсвободных гравитационных волн, возникающих при прохождении поверхностнойсейсмической волной скачка глубин.5.Методами численного моделирования установлено, что механизм генерациинаблюдаемых свободных гравитационных волн имеет динамическую природу. Наоснове численных экспериментов выявлена роль вертикальных и горизонтальныхкомпонент движения дна в генерации наблюдаемых свободных гравитационныхволн.Положения, выносимые на защиту:1.Аналитическое решение задачи о расчете начального возвышения в очаге цунами,вызванного деформацией плоского наклонного дна.2.Обнаружение эффекта генерации свободных гравитационных волн в океанепакетом низкочастотных поверхностных сейсмических волн на основе анализанатурных данных.3.Физические механизмы формирования свободных гравитационных волн в океанепакетом низкочастотных поверхностных сейсмических волн.4.Динамическая природа генерации свободных гравитационных волн в океанепакетом низкочастотных поверхностных сейсмических волн.

Роль вертикальных игоризонтальныхкомпонентдвиженийгравитационных волн.7днавгенерациинаблюдаемыхДостоверность и обоснованность результатов диссертации.Обоснованностьрезультатовдиссертацииопределяетсяопоройнафундаментальные законы физики при постановке задач и численном моделировании,корректным применением методов математической физики при получении аналитическихрешений,использованиемизвестныхисточниковнатурныхданных(GEBCO,NOAA/DART, USGS, JAMSTEC/DONET). Достоверность полученных результатовподтверждается публикациями в ведущих отечественных рецензируемых журналах ипредставлением их на всероссийских и международных конференциях.Научая и практическая значимость.Научнаязначимостьработыопределяетсярасширениемиуточнениемсуществующих представлений о процессе генерации гравитационных волн в океанесейсмическими движениями дна.

Аналитическое решение задачи о начальном возвышениив очаге цунами на плоском наклонном дне может быть использовано для тестированиячисленныхмоделейгенерациицунами.Результатыисследованиясвободныхгравитационных волн, возбуждаемых в океане пробегающими по дну поверхностнымисейсмическими волнами, могут найти применение в оперативном прогнозе цунами.Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы были доложены автором лично наследующих всероссийских и международных конференциях: конференция молодыхспециалистов в институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ"ИПГ"), Москва, 2012; Генеральная Ассамблея Европейского Геофизического Союза,Вена, 2013, 2015; Международная научная школа молодых ученых "Физическое иматематическое моделирование процессов в геосредах", Москва, Институт ПроблемМеханики имени А.Ю.

Ишлинского, 2015; XVII научная школа «НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ– 2016», Нижний Новгород, 2016; Осенняя конференция Сейсмологического ОбществаЯпонии, Нагоя, 2016. Также основные результаты диссертации докладывались автором наразличных научных семинарах: на кафедре математики Физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова, в лаборатории цунами ИО РАН имени П.П. Ширшова, влаборатории цунами Института Исследования Землетрясений Токийского Университета, влаборатории сильных сейсмических движений Института Исследования ЗемлетрясенийТокийского Университета.8Результатыисследованияиспользовалисьвследующихнаучно-исследовательских проектах, выполненных при участии автора: «Роль динамикидеформации дна при генерации цунами» (РФФИ, 12-05-31412-мол_а), «Методы раннегообнаружения цунами по данным сети глубоководных станций (РФФИ, 13-05-92100-ЯФ),«Генерация цунами землетрясением: основные и вторичные эффекты» (РФФИ, 13-0500337-А), «Прогноз цунами с использованием густой сети донных станций» (РФФИ, 1655-50018-ЯФ).

Автор является руководителем научно-исследовательского проекта«Генерация свободных гравитационных волн в океане поверхностными сейсмическимиволнами» (РФФИ, 16-35-00232-мол_а).Публикации.Список работ автора по теме диссертации насчитывает 13 работ, в числе которых 3статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК (2 опубликованы, 1 принята к печати), 2статьи в сборниках, 8 тезисов докладов.Личный вклад автора.Все результаты диссертационной работы получены либо лично автором, либо приего непосредственном участии.

В частности, автор принимал участие в получениианалитических решений и их анализе, полностью самостоятельно реализовал методикувосстановления динамики движения дна на основе густой сети глубоководных станций,готовил входные данные для численных экспериментов, обрабатывал, анализировал иинтерпретировал их результаты, а также принимал непосредственное участие в обработкеи анализе натурных данных.Структура и объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, раздела «Основныерезультаты диссертации», списка цитируемой литературы, списка работ автора по темедиссертации и приложения.