3D-Modeling of Seismic Wave Fields in a Medium Specific to Volcanic Structures

The need for prediction of catastrophic events that may be caused by the impending outbreak of volcanic activity, is an actual problem. It is necessary for solve this problem to conduct comprehensive and objective investigation of the processes occurring on the surface and inside the volcanic structure, including mathematical modeling to create a system of vibroseis monitoring. 2D and 3D-algorithms are developed and software for simulation of elastic wave propagation in a complicated medium (2D model is separation of original 3D-model using various angles and planes) is created. Explicit finite-difference schemes for the shifted grids and CFS-PML method of absorbing boundaries are used. Proposed numerical method and its parallel realization efficiently uses architecture of modern supercomputer equipped with graphical accelerator. Serial of 3D-estimation is carried out for the structure researching of wave field due to the geometry of the internal boundaries and refinement of its kinematic and dynamic characteristics in order to create the system of vibroseis monitoring of stratovolcano Elbrus.

1. Bihn M., Weiland T. A. Stable discretization scheme for the simulation of elastic waves // Proc. 15th IMACS World Congress Scientific Computation, Modelling and Applied Mathematics (IMACS 1997). 1997. V. 2. P. 75–80.

2. Глинский Б. М., Караваев Д. А., Ковалевский В. В., Мартынов В. Н. Численное моделирование и экспериментальные исследования грязевого вулкана «Гора Карабетова» вибросейсмическими методами // Вычисл. методы и программирование. 2010. Т. 11. С. 95–104.

3. Караваев Д. А. Параллельная реализация метода численного моделирования волновых полей в трехмерных моделях неоднородных сред // Вестн. Нижегород. ун-та им. Н. И. Лобачевского. 2009. Т. 6, № 1. С. 203–209.

4. Drossaert F., Giannopoulos A. Complex frequency shifted convolution PML for FDTD modeling of elastic waves // Wave Motion. 2007. V. 44. P. 593–604.

5. Komatitsch D., Martin R. An unsplit convolutional perfectly matched layer improved at grazing incidence for the seismic wave equation // Geophysics. 2008. V. 73, N 4. P. T51–T61.

6. Hastings F. D., Schneider J. B., Broschat S. L. Application of the perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition to elastic wave propagation // J. Acoust. Soc. Am 1996. V. 100, N 5. P. 3061–3069.

7. Сапетина А. Ф. Численное моделирование распространения сейсмических волн в сложно построенных средах на гибридном кластере // Пробл. прочности и пластичности. 2014. Т. 76, № 4. С. 288–296.

8. Глинский Б. М., Мартынов В. Н., Сапетина А. Ф. Технология суперкомпьютерного 3D-моделирования сейсмических волновых полей в сложно построенных средах // Вестн. Южно-Урал. гос. ун-та. Сер. Вычисл. математика и информатика. 2015. Т. 4, № 4. С. 101–116.

9. Подкорытов Д. И. Агентно-ориентированная среда моделирования сетевых систем AGNES // Ползунов. вестн 2014. № 2/1. С. 93–106.

10. Глинский Б. М., Куликов И. М., Снытников А. В., Черных И. Г., Винс Д. В. Многоуровневый подход к разработке алгоритмического и программного обеспечения экзафлопсных суперЭВМ // Вычисл. методы и программирование. 2015. Т. 16. С. 543–556.

11. Мясников A. В. Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций баксанским лазерным интерферометром: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2012.

12. Гурбанов А. Г., Газеев В. М., Богатиков О. А. и др. Активный вулкан Эльбрус и этапы его геологической истории // Современные методы геолого-геофизического мониторинга природных процессов на территории Кабардино-Балкарии. 2005. С. 94–119.

13. Авдулов М. В., Короновский Н. В. О геологической природе гравитационной аномалии Эльбруса // Изв. АН СССР. Сер. геол 1962. № 9. С. 67–74.

14. Авдулов М. В. О геологической природе Эльбрусского гравитационного минимума // Вестн. МГУ. Сер. 4. Геология. 1993. № 3. С. 32–39.

15. Собисевич А. Л. Избранные задачи математической геофизики, вулканологии и геоэкологии. T. 1. М.: ИФЗ РАН, 2012.