Forskare i München har slutfört den första detaljerade simuleringen av jordbävningen på Sumatra som utlöste en förödande tsunami dagen efter jul 2004. Resultaten ger nya insikter om de underliggande geofysiska processerna.

Julen 2004 Sumatra-Andaman jordbävning var en av de mest kraftfulla och destruktiva seismiska händelserna i historien. Det utlöste en serie tsunamier, dödade minst 230, 000 personer. Det exakta händelseförloppet i jordbävningen är fortfarande oklart.

En djupare förståelse av de involverade geofysiska processerna är nu till hands, tack vare en simulering utförd av ett team av geofysiker, datavetare och matematiker från Tekniska universitetet i München (TUM) och LMU München på SuperMUC-superdatorn vid Leibniz Supercomputing Center (LRZ) vid den bayerska vetenskapsakademin. Denna simulering av en jordbävning som någonsin varit den största sprickdynamiken någonsin kan underlätta utvecklingen av mer tillförlitliga system för tidig varning. Resultaten av simuleringen kommer att presenteras vid den internationella konferensen om högpresterande datoranvändning, Nätverk, Lagring och analys (SC 17) i Denver, Colorado, som började den 12 november.

Exakta prognoser är praktiskt taget omöjliga

I subduktionszoner – platser där tektoniska plattor möts i sömmar i jordskorpan, med en platta som rör sig under den andra – jordbävningar inträffar med jämna mellanrum. Dock, det är ännu inte exakt känt under vilka förhållanden sådana "subduktionsjordbävningar" kan orsaka tsunamier eller hur stora sådana tsunamier kommer att bli.

Jordbävningar är mycket komplexa fysiska processer. I motsats till de mekaniska processerna som sker vid brottfronten, som sker på en skala av högst några meter, hela jordens yta stiger och faller över ett område på hundratals kvadratkilometer. Under jordbävningen på Sumatra, rivningen i jordskorpan sträckte sig i mer än 1, 500 km (ungefär motsvarande avståndet från München till Helsingfors eller Los Angeles till Seattle) – det längsta bristande fel som någonsin skådats. Inom 10 minuter, havsbotten förskjutits vertikalt av jordbävningen med så mycket som 10 meter.

Simulering med över 100 miljarder frihetsgrader

För att simulera hela jordbävningen, forskarna täckte området som sträcker sig från Indien till Thailand med ett tredimensionellt nät bestående av över 200 miljoner element och inkorporerat mer än 100 miljarder frihetsgrader.

Storleken på elementen varierade beroende på vilken upplösning som krävs:Ett mycket finare nät användes längs förkastningen för att lösa de komplexa friktionsprocesserna, och på ytan för att ta hänsyn till de topografiska egenskaperna och de seismiska vågorna med relativt låg hastighet som finns där. I områden med liten komplexitet och snabba vågor, ett grövre nät användes.

För att beräkna mönstret för seismisk vågutbredning, mer än tre miljoner tidssteg måste beräknas över de minsta elementen. Som indata, teamet använde all tillgänglig information om subduktionszonens geologiska struktur och de initiala förhållandena på havsbotten, samt laboratorieförsök på bergspräckningsbeteende.

Förutom den stora så kallade megathrust plattgränsen, forskarna övervägde tre mindre splayfel, eller förgreningsfel, misstänkt för att kraftigt ha påverkat den tsunami-utlösande deformationen av havsbotten.

Nästan 50 biljoner operationer

"För att göra det möjligt att avsluta simuleringen på SuperMUC inom rimlig tid, det tog slutligen fem år av förberedelser för att optimera vår SeisSol-programvara för jordbävningssimulering. För bara två år sedan, beräkningstiden för simuleringen skulle ha varit 15 gånger längre, " förklarar Michael Bader, professor i informatik vid TUM.

Alla algoritmiska komponenter, från datainmatning och utmatning och de numeriska algoritmerna som används för att lösa de fysiska ekvationerna till parallellimplementeringen på tusentals flerkärniga processorer, måste optimeras för SuperMUC.

Sumatrasimuleringen tog fortfarande nästan 14 timmars behandlingstid på alla 86, 016 kärnor i SuperMUC, som utförde nästan 50 biljoner operationer (nästan 1015 operationer per sekund, eller cirka 1 petaflop/s – en tredjedel av den teoretiska maximala datorprestanda).

Den största och längsta jordbävningssimulering som någonsin utförts

"Vi genomförde framgångsrikt den största jordbävningssimuleringen av sitt slag som någonsin setts, " säger LMU geofysiker Dr. Alice-Agnes Gabriel. "Med en varaktighet på cirka åtta minuter, det är också det längsta. Dessutom, det var det första fysikbaserade scenariot någonsin för en verklig subduktionsbrottsprocess. Med den samtidiga beräkningen av den komplicerade sprickan av flera förkastningssegment och utbredningen av seismiska vågor under ytan, vi fick spännande insikter i jordbävningens geofysiska processer."

Särskilt, säger Dr Gabriel, "Spelfelen, som kan föreställas som popup-frakturer vid sidan av det kända subduktionsdiket, ledde till abrupt, lång period, vertikala förskjutningar av havsbotten, och därmed till en ökad tsunamirisk. För närvarande, denna förmåga att införliva sådana realistiska geometrier i fysiska jordbävningsmodeller är unik över hela världen."