Södra Kalifornien har den högsta jordbävningsrisken i någon region i USA, men exakt hur riskabelt och var de största riskerna ligger är fortfarande en öppen fråga.

Jordbävningar inträffar sällan och beror på komplexa geologiska faktorer djupt under jorden, vilket gör dem svåra att tillförlitligt förutse i förväg. Av den anledningen, att förutse jordbävningar innebär att förlita sig på massiva datormodeller och mångfacetterade simuleringar, som återskapar bergets fysik och regional geologi och kräver stora superdatorer att utföra.

I juni 2017, ett team av forskare från U.S. Geological Survey och Southern California Earthquake Center (SCEC) släppte en stor artikel i Seismologiska forskningsbrev som sammanfattade de vetenskapliga resultaten och riskresultaten från ett av världens största och mest välkända jordbävningssimuleringsprojekt:The Uniform California Earthquake Rupture Forecast (UCERF3).

Resultaten förlitade sig på beräkningar utförda på den ursprungliga Stampede-superdatorn vid Texas Advanced Computing Center, resurser vid University of Southern California Center for High-Performance Computing, såväl som den nyligen utplacerade superdatorn Stampede2, som forskargruppen hade tidig tillgång till. (Stampede 1 och Stampede2 stöds av anslag från National Science Foundation.)

"Högpresterande datoranvändning på TACCs Stampede-system, och under den tidiga användarperioden av Stampede2, tillät oss att skapa det som är, med alla mått, den mest avancerade jordbävningsprognosen i världen, " sa Thomas H. Jordan, chef för Southern California Earthquake Center och en av huvudförfattarna på tidningen.

Den nya prognosen är den första felbaserade modellen som ger självständiga ruptursannolikheter från mycket kort sikt – under en period på mindre än en timme – till mycket lång sikt – upp till mer än ett sekel. Det är också den första modellen som kan utvärdera de kortsiktiga farorna som är ett resultat av sekvenser av komplexa fel med flera händelser.

För att härleda modellen, forskarna körde 250, 000 brottscenarier i delstaten Kalifornien, mycket mer än i den tidigare modellen, som simulerade 8, 000 bristningar.

Bland dess nya fynd, forskarnas simuleringar visade att veckan efter en jordbävning med magnituden 7,0 Sannolikheten för ytterligare ett skalv med magnituden 7,0 skulle vara upp till 300 gånger större än veckan innan. Detta scenario med "kaskadbrott" demonstrerades i 2002 års magnitud 7,9 Denali, Alaska, och 2016 magnitud 7,8 Kaikoura, jordbävningar i Nya Zeeland, enligt David Jacobson och Ross Stein från Temblor.

Den dramatiska ökningen av sannolikheten för kraftiga efterskalv beror på införandet av en ny klass av modeller som bedömer kortsiktiga förändringar i seismisk risk baserat på vad som är känt om jordbävningskluster och efterskalvexcitationer. Dessa faktorer har aldrig använts i en omfattande, statlig modell som denna.

Den nuvarande modellen tar också hänsyn till sannolikheten för bristningar som hoppar från ett fel till ett närliggande, som har observerats i Kaliforniens starkt sammankopplade felsystem.

Baserat på dessa och andra nya faktorer, den nya modellen ökar sannolikheten för kraftiga efterskalv men nedgraderar den förväntade frekvensen av jordbävningar mellan magnituden 6,5 och 7,0, som inte matchade historiska uppgifter.

Viktigt, UCERF3 kan uppdateras med observerad seismicitet - realtidsdata baserad på jordbävningar i aktion - för att fånga de statiska eller dynamiska utlösande effekter som utspelar sig under en viss händelsesekvens. Ramverket är anpassningsbart till många andra kontinentala förkastningssystem, och den kortsiktiga komponenten kan vara tillämplig på prognoser av mindre jordbävningar och skakningar som orsakas av mänsklig aktivitet.

Effekten av en sådan förbättrad modell går utöver den grundläggande vetenskapliga förbättring den representerar. Det har potential att påverka byggnormer, försäkringspriser, och statens svar på en kraftig jordbävning.

sa Jordan, "U.S. Geological Survey har inkluderat UCERF3 som Kalifornien-komponenten i National Seismic Hazard Model, och modellen utvärderas för användning i operativa jordbävningsprognoser på tidsskalor från timmar till decennier."

UPPSKATTNING AV KOSTNADEN FÖR ATT ÅTERBYGGA

Förutom att förutsäga sannolikheten för en jordbävning, modeller som UCERF3 hjälper till att förutsäga de associerade kostnaderna för jordbävningar i regionen. Under de senaste månaderna, forskarna använde UCERF3 och Stampede2 för att skapa en prototyp för operationell förlustmodell, som de beskrev i en tidning som lades ut på nätet till Earthquake Spectra i augusti.

Modellen uppskattar de statliga ekonomiska förlusterna för regionen (kostnaderna för att reparera byggnader och andra skador) orsakade av en jordbävning och dess efterskalv. Riskmåttet baseras på en sårbarhetsfunktion och den totala återanskaffningskostnaden för tillgångstyper i en given folkräkning.

Modellen fann att den förväntade förlusten per år i genomsnitt över många år skulle vara 4,0 miljarder dollar i hela staten. Mer viktigt, modellen kunde kvantifiera hur förväntade förluster förändras med tiden på grund av senaste seismisk aktivitet. Till exempel, de förväntade förlusterna under ett år efter en huvudchocktillväxt i magnituden 7,1 till 24 miljarder dollar på grund av potentiellt skadliga efterskalv, en faktor sex större än under "normala" tider.

Att kunna kvantifiera sådana fluktuationer kommer att göra det möjligt för finansinstitut, såsom jordbävningsförsäkringar, att anpassa sina affärsbeslut därefter.

"Det handlar om att tillhandahålla verktyg som hjälper till att göra samhället mer motståndskraftigt mot skadliga jordbävningssekvenser, " säger Ned Field från USGS, en annan huvudförfattare till de två studierna.

Även om det finns en hel del osäkerhet i både seismiciteten och förlustuppskattningarna, modellen är ett viktigt steg för att kvantifiera jordbävningsrisken och potentiell förödelse i regionen, hjälper därmed beslutsfattare att avgöra om och hur de ska svara.