基准测试与验证多孔弹性动态岩浆泥浆火山变形模型

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Benchmarking and testing poroelastic dynamic magma mush volcano deformation models

熔岩储层流变弹性模型验证及地表变形影响机制研究。通过有限元方法对比分析核心-壳层模型与均匀多孔弹性模型，发现模型几何（球体半径比、纵横比）与熔体压缩性显著影响地表变形模式。核心壳层模型在薄壳（R/r?=1.5）时地表变形更集中，而均匀模型因熔体体积较小导致更大变形。自由表面存在时变形幅度增加约30%-40%。熔体压缩性Xf=1e-9 Pa?1时，核心-壳层模型停注后仍存在持续变形，而高压缩性熔体（Xf=1e-12 Pa?1）变形更显著。研究证实薄壳结构在低纵横比（AR=0.1）时地表变形最明显，且存在压力释放后的变形反转现象。

　　在火山学研究中，火山变形分析是理解岩浆过程和预测喷发潜力的重要工具。通过研究火山体的形变，科学家可以洞察岩浆在地壳中的运动方式，以及这些运动如何影响地表的隆起或沉降。本研究通过将有限元（FE）模型与球形熔融核心和熔融壳体的解析模型进行基准测试，探索了岩浆库的关键参数，如熔融核心压力、核心-壳体和壳体-岩石边界处的形变，以及张应力的变化。基准测试的结果显示，FE模拟与解析解之间存在高度一致，验证了FE方法在模拟岩浆多孔弹性结构方面的可靠性。此外，研究还扩展了模型，考虑了此前被忽视的自由表面效应，从而能够分析自由表面以外的形变情况。

在基准测试中，研究还比较了具有自由表面的球形熔融核心与多孔弹性壳体模型与均匀多孔弹性岩浆库模型之间的表面形变差异。这表明，熔融在地壳中储存的方式对预测表面形变模式具有重要影响，强调了理解熔融储存机制的重要性。同时，研究发现，熔融的可压缩性在核心-壳体模型中比在均匀多孔弹性模型中表现出更为复杂的行为。在核心中具有可压缩性的熔融会在熔融补充期间储存更多的压力，而当熔融补充停止后，这些压力的释放会驱动火山体的膨胀。相反，如果核心中的熔融是不可压缩的，而壳体中的间质熔融是可压缩的，那么在熔融补充结束后，壳体会吸收剩余压力，导致火山体的沉降。

这些发现揭示了不同的岩浆库配置和熔融分布如何影响地壳对熔融补充的响应。研究结果表明，核心和壳体之间的相互作用在控制岩浆库的机械行为方面至关重要。通过将解析解与FE模拟进行比较，研究验证了FE模型在模拟简单的球形源几何结构时的准确性，并为研究更复杂的几何结构和材料特性提供了基础。

为了进一步理解岩浆库的动态，研究还探讨了自由表面效应的影响。解析模型未考虑自由表面，因此在FE模拟中引入自由表面，使研究能够分析其对形变和张应力的放大效应。结果表明，自由表面的存在会导致更大的形变和张应力，这可能影响岩浆库的机械稳定性。自由表面效应在模拟靠近地表的岩浆库时尤为重要，因为这些岩浆库可能经历更大的形变和压力变化。

此外，研究还比较了不同岩浆库几何形状对表面形变的影响。岩浆库的纵横比（AR）决定了其压力传递效率和形变幅度。例如，具有低纵横比的扁平岩浆库（如椭球形）在熔融补充期间会产生更大的垂直形变，而高纵横比的柱状岩浆库则通过内部压强和垂直扩散来容纳熔融，导致较小的表面形变。这些发现有助于理解不同岩浆库形状对地表形变模式的影响，以及这些模式如何与岩浆的可压缩性相互作用。

研究还强调了岩浆库的可压缩性在预测表面形变中的作用。当熔融在核心中具有较高的可压缩性时，其在熔融补充期间会储存更多的压力，而在补充结束后释放这些压力会导致进一步的形变。相反，如果核心中的熔融不可压缩，而壳体中的间质熔融可压缩，那么在补充结束后，壳体会吸收剩余压力，导致形变的减少。这些差异表明，岩浆的可压缩性不仅影响岩浆库的动态行为，还对地表形变模式有重要影响。

研究中还提到了未来工作的方向，包括对自然岩浆库中多孔弹性参数异质性的研究，以及对温度依赖的孔隙度、挥发物析出和渗透率变化的建模。此外，研究建议将热力学模型与变形模型相结合，以更准确地模拟地壳中孔隙度和熔融含量的空间和时间变化。最后，研究指出，将自由表面效应和热力学过程纳入模型，有助于更全面地理解岩浆库的机械行为及其对地表形变的影响。

总体而言，本研究为火山变形的模拟提供了重要的理论和实践基础，揭示了岩浆库的几何结构和熔融分布如何影响地表形变模式，并强调了自由表面效应和熔融可压缩性在岩浆系统动态中的重要性。这些发现不仅有助于改进现有的岩浆库模型，还为火山喷发的预测和火山灾害评估提供了新的视角。