Ученые построили модель, объясняющую характеристики оползневых цунами

Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Нижнего Новгорода смоделировали оползневые цунами с учетом начального положения оползневой массы. Оказалось, что высота вызываемого цунами существенно зависит от позиции земли перед оползнем и наклона берега. Максимальный набег волны возможен при нахождении оползневой массы на берегу. Это уточнение поможет прогнозировать будущие цунами и лучше понять причины прошедших. Результаты опубликованы в журнале Landslides, кратко о них сообщается в пресс-релизе МФТИ.

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.

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.

«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», — говорит академик РАН Леопольд Лобковский, заведующий лабораторией геофизических исследований Арктики и континентальных окраин Мирового океана МФТИ.