Karta (vänster paneler) och 3D (höger paneler) vy av superdator jordbävningssimuleringar i Brawley Seismic Zone, CA. Figuren visar hur olika spänningsförhållanden påverkar brottspridningen över det komplexa nätverket av förkastningar. De övre panelerna visar ett scenarie med hög stress (som leder till mycket snabb brottspridning, högre än S-vågshastigheten) medan bottenpanelerna visar en simulering av medelspänningsfall. Kredit:Christodoulos Kyriakopoulos.
Några av världens kraftigaste jordbävningar involverar flera fel, och forskare använder superdatorer för att bättre förutsäga deras beteende. Jordbävningar med flera fel kan sträcka sig över förkastningssystem på tiotals till hundratals kilometer, med bristningar som fortplantar sig från ett segment till det andra. Under det senaste decenniet, forskare har observerat flera fall av denna komplicerade typ av jordbävning. Viktiga exempel inkluderar magnituden (förkortad M) 7.2 2010 Darfield jordbävning i Nya Zeeland; jordbävningen M7.2 El Mayor—Cucapah i Mexiko omedelbart söder om gränsen mellan USA och Mexiko; jordbävningen i Indiska oceanen 2012 med magnituden 8,6; och kanske det mest komplexa av allt, jordbävningen M7.8 2015 i Kaikoura i Nya Zeeland.
"De huvudsakliga resultaten av vårt arbete rör de dynamiska interaktionerna mellan ett postulerat nätverk av fel i den seismiska zonen Brawley i södra Kalifornien, sa Christodoulos Kyriakopoulos, en forskningsgeofysiker vid University of California, Riverside. Han är huvudförfattare till en studie som publicerades i april 2019 i Journal of Geophysical Research, Fast jord , publicerad av American Geophysical Union. "Vi använde fysikbaserade dynamiska brottmodeller som tillåter oss att simulera komplexa jordbävningsbrott med hjälp av superdatorer. Vi kunde köra dussintals numeriska simuleringar, och dokumenterade ett stort antal interaktioner som vi analyserade med hjälp av avancerad visualiseringsprogramvara, " sa Kyriakopoulos.
En dynamisk brottmodell är en modell som gör det möjligt för forskare att studera de grundläggande fysiska processer som äger rum under en jordbävning. Med denna typ av modell, superdatorer kan simulera växelverkan mellan olika jordbävningsfel. Till exempel, modellerna möjliggör studier av hur seismiska vågor färdas från ett förkastning till och påverkar stabiliteten hos ett annat förkastning. I allmänhet, Kyriakopoulos sa att dessa typer av modeller är mycket användbara för att undersöka stora jordbävningar från det förflutna, och kanske ännu viktigare, framtida jordbävningsscenarier.
Den numeriska modellen Kyriakopoulos utvecklade består av två huvudkomponenter. Först är ett ändligt elementnät som implementerar det komplexa nätverket av fel i Brawleys seismiska zon. "Vi kan se det som en diskretiserad domän, eller en diskretiserad numerisk värld som blir basen för våra simuleringar. Den andra komponenten är en dynamisk brottkod med finita element, känd som FaultMod (Barall et. al. 2009) som tillåter oss att simulera utvecklingen av jordbävningsbrott, seismiska vågor, och markrörelse med tiden, " sa Kyriakopoulos. "Vad vi gör är att skapa jordbävningar i datorn. Vi kan studera deras egenskaper genom att variera parametrarna för de simulerade jordbävningarna. I grund och botten, vi genererar en virtuell värld där vi skapar olika typer av jordbävningar. Det hjälper oss att förstå hur jordbävningar i den verkliga världen händer."
"Modellen hjälper oss att förstå hur fel interagerar under jordbävningsbrott, " fortsatte han. "Antag att en jordbävning börjar vid punkt A och går mot punkt B. Vid punkt B, jordbävningsförkastningen delar sig, eller delas i två delar. Hur lätt skulle det vara för bristningen, till exempel, att resa på båda segmenten av bifurkationen, kontra att bara ta den ena eller den andra grenen? Dynamiska brottmodeller hjälper oss att svara på sådana frågor med hjälp av grundläggande fysiska lagar och realistiska antaganden."
Att modellera realistiska jordbävningar på en dator är inte lätt. Kyriakopoulos och hans medarbetare stod inför tre huvudutmaningar. "Den första utmaningen var implementeringen av dessa fel i den finita elementdomänen, i den numeriska modellen. Särskilt, detta system av fel består av ett sammankopplat nätverk av större och mindre segment som skär varandra i olika vinklar. Det är ett mycket komplicerat problem, " sa Kyriakopoulos.
Den andra utmaningen var att köra dussintals stora beräkningssimuleringar. "Vi var tvungna att undersöka så mycket som möjligt en mycket stor del av parameterutrymmet. Simuleringarna inkluderade prototyperna och de preliminära körningarna för modellerna. Superdatorn Stampede på TACC var vår starka partner i detta första och grundläggande steg i vårt arbete, eftersom det gav mig möjligheten att köra alla dessa initiala modeller som hjälpte mig att sätta min väg för nästa simulering." Den tredje utmaningen var att använda optimala verktyg för att korrekt visualisera 3D-simuleringsresultaten, som i sin råa form helt enkelt består av enorma uppsättningar av siffror. Kyriakopoulos gjorde det genom att generera fotorealistiska brottsimuleringar med den fritt tillgängliga programvaran ParaView (paraview.org).
För att övervinna dessa utmaningar, Kyriakopoulos och kollegor använde XSEDEs resurser, den NSF-finansierade Extreme Science and Engineering Environment. De använde datorerna Stampede vid Texas Advanced Computing Center; och Comet vid San Diego Supercomputer Center (SDSC). Kyriakopoulos relaterade forskning inkluderar XSEDE-tilldelningar TACCs Stampede2-system.
Den här videon visar en simulering av en dynamisk brottmodell. Modellen är baserad på ett postulerat nätverk av fel i Salton Sea-området, södra Kalifornien. Hypocentret för denna syntetiska händelse är placerad cirka 30 km norr om Bombay Beach.
De första sekunderna av denna simulering visar initieringsfasen av jordbävningen, även känd som "kärnbildningsfasen".
Efter denna inledande fas, jordbävningsbrottet fortplantar sig spontant mot skärmens högra sida (sydöst på kartan). Från den punkten ser vi samspelet mellan olika fel i detta system. Mer specifikt, den här animationen belyser hur nätverket av vinkelräta förkastningar (så kallade korsförkastningar) implementerade i mitten av domänen påverkar utvecklingen av denna syntetiska jordbävning.
De två översta panelerna representerar ett annat scenario än de två nedre panelerna. Skillnaden mellan topp- och bottenpanelerna ligger i korsfelens tendens att delta i brottprocessen, vilket är betydligt högre i det andra fallet. Av den anledningen, i de nedre panelerna, vi observerar en kaskad av korsfelshändelser som i slutändan kommer att modulera den slutliga storleken på denna specifika modell. Kredit:Christodoulos Kyriakopoulos, UC Riverside.
"Ungefär en tredjedel av simuleringarna för detta arbete gjordes på Stampede, specifikt, de tidiga stadierna av arbetet, " sa Kyriakopoulos. Jag måste påpeka att detta arbete har utvecklats under de senaste tre åren, så det är ett långt projekt. Jag skulle vilja betona, också, hur de första simuleringarna, på nytt, prototyperna av modellerna, är mycket viktiga för en grupp forskare som metodiskt måste planera sin tid och ansträngning. Att ha ledig tid på Stampede var en spelomvandlare för mig och mina kollegor, eftersom det gjorde det möjligt för mig att ställa in de rätta förutsättningarna för hela uppsättningen av simuleringar. Till det, Jag skulle vilja tillägga att Stampede och i allmänhet XSEDE är en mycket vänlig miljö och rätt partner att ha för storskaliga beräkningar och avancerade vetenskapliga experiment."
Deras team använde också kortfattat datorn Comet of SDSC i denna forskning, mestadels för testkörningar och prototyper. "Min övergripande erfarenhet, och mestadels baserat på andra projekt, med SDSC är mycket positivt. Jag är mycket nöjd med interaktionen med supportteamet som alltid var väldigt snabb med att svara på mina e-postmeddelanden och förfrågningar om hjälp. Detta är mycket viktigt för en pågående utredning, speciellt i de första stadierna där du ser till att dina modeller fungerar korrekt. Effektiviteten hos SDSC supportteam höll min optimism mycket hög och hjälpte mig att tänka positivt för framtiden för mitt projekt."
XSEDE hade en stor inverkan på denna jordbävningsforskning. "XSEDE-stödet hjälpte mig att optimera mitt beräkningsarbete och bättre organisera schemaläggningen av mina datorkörningar. En annan viktig aspekt är lösningen av problem relaterade till jobbskriptet och val av lämpliga resurser (t.ex. mängd RAM, och antal noder). Baserat på min övergripande erfarenhet av XSEDE skulle jag säga att jag sparade 10-20% av personlig tid på grund av hur XSEDE är organiserad, " sa Kyriakopoulos.
"Mitt deltagande i XSEDE gav ett betydande uppsving i mina modelleringsaktiviteter och tillät mig att bättre utforska parameterutrymmet för mitt problem. Jag känner mig definitivt en del av ett stort samhälle som använder superdatorer och har ett gemensamt mål, att driva fram vetenskap och producera innovation, " sa Kyriakopoulos.
Om man tittar på det större vetenskapliga sammanhanget, Kyriakopoulos sa att deras forskning har bidragit till en bättre förståelse av multi-fel rupturer, vilket skulle kunna leda till bättre bedömningar av jordbävningsrisken. "Med andra ord, om vi vet hur förkastningar samverkar under jordbävningsbrott, vi kan vara bättre förberedda på framtida stora jordbävningar – i synnerhet, hur flera förkastningssegment kan interagera under en jordbävning för att förstärka eller avbryta större brott, " sa Kyriakopoulos.
Några av resultaten från denna forskning pekar på möjligheten av en jordbävning med flera fel i södra Kalifornien, vilket kan få svåra konsekvenser. "Under den nuvarande parametriseringen och de nuvarande modellens antaganden, vi fann att ett brott på södra San Andreas-förkastningen kunde fortplanta sig söder om Bombay Beach, som anses vara den södra änden av södra San Andreas-förkastningen. I detta fall, om ett brott faktiskt fortplantar sig söder om Bombay Beach, det kan tänkas avbryta Interstate 8, som anses vara en livlina mellan östra och västra Kalifornien vid ett stort evenemang, " sa Kyriakopoulos.
"Andra, fann vi att en medelstor jordbävning som kärnor i ett av dessa korsförkastningar faktiskt kunde utlösa en stor händelse på San Andreas-förkastningen. Men detta är bara en mycket liten del i denna tidning. Och det är faktiskt ämnet för vårt pågående och framtida arbete, " han lade till.
"Denna forskning har gett oss en ny förståelse för en komplex uppsättning fel i södra Kalifornien som har potential att påverka livet för miljontals människor i USA och Mexiko. Ambitiösa beräkningsmetoder, sådana som genomförs av detta forskarteam i samarbete med XSEDE, göra mer realistiska fysikbaserade jordbävningsmodeller möjliga", sa National Science Foundation Earth Sciences Program Director Eva Zanzerkia.
Kyriakopoulos sa:"Vår planet är ett komplext fysiskt system. Utan stöd från superdatoranläggningar, vi skulle inte kunna numeriskt representera denna komplexitet och specifikt inom mitt område analysera på djupet de geofysiska processerna bakom jordbävningar."
