地热温泉沉淀图案形成的稳态与线性稳定性分析

本文提出了一个地物沉淀图案形成的动力学理论，并将其应用于不可逆的碳酸钙（石灰华）沉积。本文研究的特定系统是在地热温泉（如黄石国家公园的温泉）中观察到的阶地和穹丘，以及洞穴堆积物，特别是钟乳石和石笋。该理论将沉淀前沿动力学与浅水流相耦合，包括对湍流阻力和曲率效应的修正。在无毛细力且具有层流廓线的情况下，该理论预测了描述沉淀前沿的移动边界问题的一族单参数稳态解。这些形状与在观测到的石灰华穹丘顶部排气口附近测量的形状吻合良好。在更靠近穹丘底部的位置，解与观测结果产生偏差，圆形对称性被槽纹图案打破，我们表明这与导致薄膜破裂的毛细力有关。我们将我们的模型与最近提出的钟乳石生长模型联系起来，并计算了石灰华穹丘和钟乳石的线性稳定性谱。最后，我们将该理论应用于沿倾斜平面向下湍流引起的沉淀图案形成问题，并识别出作为地热温泉中尺度不变石灰华阶地形成基础的线性不稳定性。