地震P波在含晶体和气泡的岩浆介质中的传播特性受到多尺度物理机制的调控，最新数学模型揭示了以下关键机制：
### 一、晶体与气泡对弹性参数的影响机制
1. **晶体含量与刚度效应**
岩浆中晶体比例增加会显著提升等效剪切模量，导致P波速度升高（晶格结构增强弹性刚度）。实验表明，当晶体体积分数超过40%时，P波速度可增加15%-25%。晶体定向排列还会引发速度各向异性，这与深部岩浆房流动历史相关。
2. **气泡引发的衰减机制**
气泡的存在通过两种途径影响波动：
最近一项研究通过数学方法阐明了岩浆中晶体与气泡的存在如何影响地震纵波(P波)的传播。研究人员推导出描述这些波在岩浆中传播特性的新方程，揭示了晶体与气泡的相对比例如何影响波速和波形特性。
地下岩浆储层中晶体与气泡的比例对火山喷发预测至关重要。由于无法直接观测，科学家通过分析地表记录的地震纵波来推断这些内部特征。先前研究主要集中于气泡的影响，对晶体含量的考量较为有限。此外，传统模型主要关注波速变化和振幅衰减，未能捕捉详细的波形变化。
本研究通过整合两种不同的岩浆流动数学模型，研究人员建立了新方程。结果显示：当气泡比例相对晶体增加时，纵波速度随之降低，且气泡的影响显著大于晶体；而衰减效应则更易受晶体影响。分析进一步表明波形特征与频率和气泡含量相关，两种基础模型间的差异开始显现。
新方程可根据岩浆中的气泡和晶体含量进行时间依赖的纵波波形计算。研究团队计划将该模型与机器学习技术结合，通过观测纵波波形反演岩浆内部组成，以期提高火山喷发预测系统的准确性。
本研究部分获得日本学术振兴会科研费(21J20389・22K03898)、竞轮公益资金及日本涡轮机械学会小宫研究助成金资助。部分成果基于新能源产业技术综合开发机构(NEDO)项目(JPNP20004)资助。研究工作亦得到文部科学省青年研究者战略培养计划支持的跨境先进研究战略领军者(TRiSTAR)计划资助。