Недавнее исследование математически прояснило, как присутствие кристаллов и пузырьков газа в магме влияет на распространение сейсмических P-волн. Исследователи вывели новое уравнение, которое характеризует распространение этих волн через магму, показывая, как относительные пропорции кристаллов и пузырьков влияют на скорость волны и свойства формы волны.

Соотношение кристаллов и пузырьков в подземных резервуарах магмы имеет решающее значение для прогнозирования извержений вулканов. Из-за недоступности прямых наблюдений ученые анализируют сейсмические P-волны, зарегистрированные на поверхности, чтобы определить эти внутренние характеристики. Предыдущие исследования были в основном сосредоточены на влиянии пузырьков газа, при этом содержимому кристаллов уделялось ограниченное внимание. Более того, традиционные модели в первую очередь учитывали изменения скорости волны и затухание амплитуды, не фиксируя детальных преобразований формы волны.

В этом исследовании исследователи разработали новое уравнение, объединив две различные математические модели потока магмы. Результаты показывают, что скорость P-волны уменьшается по мере увеличения доли пузырьков по отношению к кристаллам, причем пузырьки оказывают более значительное влияние, чем кристаллы. И наоборот, было обнаружено, что кристаллы в большей степени влияют на эффекты затухания. Анализ также показал, что характеристики формы сигнала зависят от частоты и содержания пузырьков, при этом между двумя базовыми моделями возникают заметные различия.

Новое уравнение позволяет вычислять формы P-волн в зависимости от времени на основе содержания пузырьков и кристаллов в магме. Забегая вперед, исследовательская группа намерена интегрировать эту модель с методами машинного обучения для оценки внутреннего состава магмы по наблюдаемым формам P-волн с целью повышения точности систем прогнозирования извержений вулканов.

Это исследование было частично поддержано JSPS KAKENHI (№ 21J20389 и 22K03898), JKA и ее рекламными фондами от KEIRIN RACE, а также исследовательским грантом Komiya от Японского общества турбомашиностроения. Это исследование было частично основано на результатах, полученных в рамках проекта, субсидируемого Организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) (№ JPNP20004). Эта работа также была частично поддержана лучшими участниками программы "Стратегия трансграничных перспективных исследований" (TriStar), проводимой в рамках Стратегической программы профессионального развития молодых исследователей MEXT.