Analýza lomových procesů při kolapsech kalder

Abstract

Kaldery jsou sopečné propadliny způsobené poškozením stropu magmatického krbu v důsledku změn tlaku uvnitř krbu. Vznik kaldery je doprovázen kruhovými zlomy, jejichž vznik se obvykle projevuje erupcemi velkých objemů pyroklastického materiálu do zemské atmosféry a představuje tak vážné nebezpečí pro životní prostředí, klima a lidskou společnost. Hlubší porozumění geologickým podmínkám, za kterých se tyto události mohou vyskytnout, má proto velký význa. Geologický průzkum a terénní studie mohou obvykle studovat pouze povrchové projevy magmatických procesů probíhajících pod zemským povrchem. V tomto ohledu se numerická analýza ukázala jako klíčový nástroj pro pochopení mechanických podmínek kolapsu kaldery. S cílem posunout současný stav vědění a přinést nové pohledy na poškození předcházející vzniku kaldery pomocí matematického modelování, numerických simulací a analýz byla provedena rozsáhlá rešerša. Na základě rešerše byly definovány sporné otázky, které jsou stále předmětem diskuse ve výzkumné komunitě a posloužily tak jako cíle pro tuto práci.K dosažení těchto cílů byla v této práci využita metoda konečných prvků (MKP). Aby byly simulace realistické a zároveň proveditelné, byla vybrána vhodná strategie modelování, materiálové modely a parametry a zjednodušující předpoklady. Následně bylo vyhodnoceno mnoho případů magmatických krbů. Zvolená strategie modelování použitá v této práci ukazuje, že vývoj tlaku v magmatické komoře se projevuje řadou různých porušení okolní horniny. Tato poškození nejsou omezena pouze na tvorbu různých kruhových zlomů, ale mohou také zahrnovat další typy poškození. Tato strategie modelování také umožňuje zachytit mnoho vlastností kruhových zlomů, které se projevují při jejich šíření.

Calderas are volcanic depressions caused by rupturing of a magma chamber roof as a consequence of pressure evolution inside the chamber. The collapse of a caldera is accommodated by ring faults, whose formation is commonly accompanied by ejection of large volumes of pyroclastic material to the Earth's atmosphere and thus represents severe volcanic hazards for the environment, climate, and human society. A deeper understanding of geological conditions under which these events can occur is thus of great importance and interest. Geological survey and field studies can usually access just surface manifestation of immense magmatic processes taking place under the Earth's surface. In this respect, numerical analysis has proven as a key tool in understanding the mechanical conditions of caldera collapse.In order to advance the knowledge and bring new views on fracturing processes preceding caldera collapse through mathematical modeling, numerical simulations, and analysis, extensive research was carried out. Based on a state-of-the-art review, outstanding issues, which are still a subject of debate in the research community, were identified and provided the objectives for the thesis.To achieve the goals, the finite element method (FEM) was employed in this work due to its capabilities and universality. To make the FE simulations realistic, yet feasible, appropriate modeling strategy, material models and parameters, and simplifying assumptions were selected. Subsequently, many cases covering a wide range of possible magma chamber geometries were calculated. The modeling strategy employed in this work demonstrates that pressure evolution inside a magma chamber is manifested by a range of fracturing processes in the host rock. These processes are not restricted to the formation of various ring faults alone but may also include radial and circumferential fracturing, surface tearing, magmatic stoping, and cauldron subsidence. The modeling strategy also enables capturing, orientation (inward-dipping, vertical, outward-dipping), mode (shear or extension), and direction (upwards, downwards) of a ring fault initiation and growth.