Numeriska simuleringar har identifierat källan till akustiska signaler som avges av stressade fel i laboratoriejordbävningsmaskiner. Arbetet packar ytterligare upp de fysik som driver geologiska fel, kunskap som en dag skulle kunna göra det möjligt att exakt förutsäga jordbävningar.

"Tidigare maskininlärningsstudier har visat att de akustiska signalerna som detekteras från ett jordbävningsfel kan användas för att förutsäga när nästa jordbävning kommer att inträffa, sa Ke Gao, en beräkningsgeofysiker i geofysikgruppen vid Los Alamos National Laboratory. "Det här nya modelleringsarbetet visar oss att kollapsen av stresskedjor inuti jordbävningshålan avger den signalen i labbet, pekar på mekanismer som också kan vara viktiga på jorden." Gao är huvudförfattare till artikeln, "Från stresskedjor till akustisk emission, " publiceras idag i Fysiska granskningsbrev och valts som "Redaktörsförslag".

Spänningskedjor är broar som består av korn som överför spänningar från ena sidan av ett förkastningsblock till den andra.

Gao arbetar på ett Los Alamos-team som har identifierat den prediktiva akustiska signalen i data från både laboratoriebävningar och megathrust-regioner i Nordamerika, Sydamerika och Nya Zeeland. Signalen indikerar exakt spänningstillståndet i felet, oavsett när signalen läses.

"Med den numeriska modellen som vi utvecklade på Los Alamos, vi undersöker och kopplar dynamiken i ett granulärt system av felhålning till signaler som detekteras på passiva fjärrmonitorer, " sa Gao. Felhålet är grunden, grusigt stenmaterial skapat av påfrestningar och rörelser från ett förkastning.

För att undersöka orsaken till akustiska signaler, teamet genomförde en serie numeriska simuleringar på superdatorer med den Los Alamos-utvecklade koden HOSS (Hybrid Optimization Software Suite). Detta nya numeriska verktyg är en hybridmetod – den kombinerade finita-diskreta elementmetoden. Den slår samman tekniker utvecklade under diskreta elementmetoder, att beskriva korn-till-korn-interaktioner; och under finita elementmetoder, att beskriva spänningar som en funktion av deformation i kornen och vågutbredning bort från det granulära systemet. Simuleringarna efterliknar exakt dynamiken i jordbävningsförkastningsutvecklingen, till exempel hur materialen inuti skåran mals och kolliderar med varandra, och hur spänningskedjorna bildas och utvecklas över tiden via interaktioner mellan intilliggande hålmaterial.

Los Alamos har finansierat flera miljoner dollar, flerårigt program bestående av experiment, numerisk modellering, och maskininlärningsinsatser för att utveckla och testa en mycket ny metod för att undersöka jordbävningscykeln och, särskilt, att upptäcka och lokalisera stressade fel som närmar sig fel.