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长白山天池火山千年大喷发空降碎屑物的数值模拟

于红梅  
【摘要】: 火山喷发尤其是爆炸性火山喷发对人类造成的灾害巨大,在火山灾害的类型中,火山空降碎屑物无论是从强度还是从波及范围来说都是这些火山灾害中占主导地位的灾害类型,因此对火山碎屑空降物的定量模拟具有重大的意义。 本文从喷发柱的结构出发,把空降碎屑物沉积方式分为了三种:扩散、抛射和坍塌。本论文主要对扩散模型和抛射模型进行了模拟研究。 一、扩散模型 本次研究在前人对火山空降碎屑物模拟的基础上,选用Suzuki火山灰扩散模型模拟火山喷发时火山灰的沉积分布。由于不同的高度上空气的密度、温度和粘度,风速和风向不同,所以对不同的高度进行了分层,最后计算各层沉积质量再求和;考虑了由于颗粒内气体的逃逸使得不同大小的颗粒的密度不同的因素;对表示喷发柱扩散能力的参数概率扩散浓度P(z)的计算做了简单的修改。 以长白山天池火山1199年大喷发为例模拟了该次火山喷发空降碎屑物的分布,在模拟时根据风速随高度的变化应用三个模型:模型1,固定风速30m/s;模型2,风速从地球表面成线性增加到对流层顶层,在平流层的速度为对流层顶层风速的0.75倍(又称MW1模型);模型3,对流层与MW1风速相同,但是风速从对流层顶层的风速线性减小到20km高处,在此之上为对流层顶部风速的10%(又称MW2模型)。 1.1通过对长白山天池火山1199年大喷发空降碎屑物扩散模拟得到以下结论: (1)不同直径的颗粒沉降速度相差很大,直径在2~1cm之间的颗粒,沉降速度达到了8.95m/s,而直径在0.005~0.001cm之间的颗粒,沉降速度仅0.03m/s; (2)颗粒直径与沉降速度关系图中存在有转折点,这个转折点可能与喷发柱从对流区向扩散区的转变有关; (3)长白山天池火山千年大喷发的扩散参数β的值为0.45,代表喷发柱内的颗粒大部分聚集在喷发柱的顶部; (4)不同颗粒直径的概率扩散浓度不同,大的颗粒在喷发柱很低时就开始扩散,而小的颗粒在近喷发柱顶端时才开始扩散,但扩散概率比大颗粒的扩散概率大的多; (5) 30m/s恒定风速、MW1和MW2三个模型相比较,风速为30m/s时,火山灰扩散的距离更远,但是宽度小,而MW1模型模拟的火山灰扩散的距离相对小些,但宽度大些,MW2模型不合适本地区; (6)在顺风方向离火山口20km以外的火山灰沉积厚度与距火山口的距离成指数关系。 由于长白山天池火山1199年大喷发距今将近800年,我们只能估计当时的主要风向可能为SE120°,本模型中没有考虑风向的变化。此外,对于空降物数值模拟还存在一些未能解决的问题,例如没有考虑地形的影响,火山灰颗粒的形状,火山灰颗粒在沉降到地面后会压实等。扩散模型虽然对基本过程提供了无价的认识,但是没有明确地预测动力学过程,并且微观物理学过程也没有考虑。 1.2改变模型的输入参数,讨论各个参数对模拟结果的影响。通过对不同的风速、中间粒径、扩散参数、粒径方差、喷发柱高度和喷发速率分别进行模拟结果的对比和分析,得出以下结论: (1)对火山灰的扩散影响最大的参数为风速,风速越大,扩散范围越大,火山灰沉积的最大厚度越小,最大厚度的位置远离火山口; (2)对火山灰的扩散影响较大的参数有中间粒径、喷发柱高度、粒径方差和扩散系数,这几个参数对扩散范围影响不明显,而是影响最大沉积厚度或最大沉积厚度的位置。随着中间粒径的变大,最大沉积变厚,位置基本不变。喷发柱越低最大厚度值越大,但是最大厚度位置无明显变化。粒径方差减小对最大沉积厚度值影响不明显,但是会使其位置远离火山口。扩散系数变小会使最大厚度值变大,但位置不变; (3)在风力场变化不明显的情况下,火山喷发速率对最终的沉积厚度影响不大; (4)在顺风向火山灰沉积厚度图上都存在第二大沉积厚度,并且位置都是在距离火山口50km左右,这是由细小火山灰颗粒的聚合效应造成的。 1.3空降碎屑物第二大沉积厚度在许多火山喷发沉积中发现,本文对此进行了分析讨论: 这种第二大沉积厚度目前学者认为是颗粒的聚合作用产生的,是由许多细小颗粒集合而成。在潮湿的环境下,聚合效应的产生是由于颗粒表面伴随的流体产生表面张力;在干的环境下,不规则颗粒的机械联锁和静电力绑定了易碎的干聚合体。但是由于聚合效应发生在喷发柱的内部,对喷发柱内部的观测和研究很困难,还没有较完美的方法,所以对这方面还需要更深一步的研究。 二、抛射模型 抛射过程是空降碎屑物沉积中重要的一种方式,主要为大颗粒在喷发柱的气冲区向外抛射形成,抛射对火山口附近地区造成的危害严重。本文介绍了火山颗粒抛射的原理,并编辑程序,对抛射的距离进行了计算,最后讨论了各个参数对抛射距离的影响。通过对长白山天池火山千年大喷发抛射模型的模拟,得到以下结论: (1)对于球形颗粒,颗粒直径越大抛射的距离越大,颗粒直径为0.1m时抛射距离为2470m,而颗粒直径为1.6m时,抛射距离达到的4566m; (2)颗粒的形状对抛射距离影响很大,其他条件相同时立方形颗粒比球形颗粒抛射距离远,立方形的颗粒抛射距离比球形的颗粒的抛射距离受颗粒直径影响小; (3)其他参数相同时,拖曳系数越小,抛射的距离越大; (4)其他参数相同时,颗粒的密度越大,抛射的距离越大。 对于火山颗粒抛射过程,经过简化,可以通过模型计算得出不同颗粒的抛射距离和高度,但是要得到火山喷发整个过程中最终抛射产生的沉积厚度确存在几个难点:(1)某个抛射距离下的颗粒尺寸和形状是不同。(2)抛射模拟需要确定火山口的宽度、可以抛出火山口的颗粒范围;(3)火山颗粒在抛射中会产生落地变形、弹内气体膨胀和由表及里的冷却固结等作用,使得最终沉积厚度难以确定。


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