Massiva jordbävningar är, Lyckligtvis, sällsynta händelser. Men den bristen på information förblindar oss på något sätt för deras risker, särskilt när det gäller att bestämma risken för en specifik plats eller struktur.

"Vi har inte observerat de flesta möjliga händelser som kan orsaka stora skador, "förklarade Kevin Milner, datavetare och seismologiforskare vid Southern California Earthquake Center (SCEC) vid University of Southern California. "Med södra Kalifornien som exempel, vi har inte haft en riktigt stor jordbävning sedan 1857 - det var sista gången som södra San Andreas bröt in i en massiv jordbävning på 7,9. En jordbävning i San Andreas kan påverka ett mycket större område än Northridge jordbävningen 1994, och andra stora jordbävningar kan också förekomma. Det är det vi är oroliga för. "

Det traditionella sättet att komma runt denna brist på data innebär att gräva grävningar för att lära sig mer om tidigare bristningar, samla in information från massor av jordbävningar runt om i världen och skapa en statistisk faromodell, eller använda superdatorer för att simulera en specifik jordbävning på en specifik plats med en hög grad av trohet.

Dock, en ny ram för att förutsäga sannolikheten och effekterna av jordbävningar över en hel region, utvecklat av ett team av forskare som är associerade med SCEC under det senaste decenniet, har hittat en medelväg och kanske ett bättre sätt att fastställa risk.

En ny studie ledd av Milner och Bruce Shaw från Columbia University, publicerad i Bulletin från Seismological Society of America i januari 2021, presenterar resultat från en prototyp Rate-State jordbävningssimulator, eller RSQSim, som simulerar hundratusentals år av seismisk historia i Kalifornien. Tillsammans med en annan kod, CyberShake, ramverket kan beräkna mängden skakningar som skulle uppstå för varje skalv. Deras resultat jämförs väl med historiska jordbävningar och resultaten från andra metoder, och visa en realistisk fördelning av jordbävningssannolikheter.

Enligt utvecklarna, det nya tillvägagångssättet förbättrar möjligheten att identifiera hur stor en jordbävning som kan inträffa på en given plats, tillåta utvecklare av byggkoder, arkitekter, och konstruktionsingenjörer för att designa mer motståndskraftiga byggnader som kan överleva jordbävningar på en specifik plats.

"För första gången, vi har en hel pipeline från början till slut där förekomsten av jordbävningar och markrörelsessimulering är fysikbaserade, "Milner sa." Det kan simulera upp till 100, Tusentals år på ett riktigt komplicerat felsystem. "

Tillämpa massiv datorkraft på stora problem

RSQSim omvandlar matematiska framställningar av de geofysiska krafterna som spelar i jordbävningar - standardmodellen för hur sprickor kärn- och förökas - till algoritmer, och löser dem sedan på några av de mest kraftfulla superdatorer på planeten. Den beräkningsintensiva forskningen aktiverades under flera år av statligt sponsrade superdatorer vid Texas Advanced Computing Center, inklusive Frontera - det mest kraftfulla systemet vid något universitet i världen - Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications, och Summit på Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Ett sätt vi kan göra bättre i att förutsäga risker är genom fysikbaserad modellering, genom att utnyttja kraften hos system som Frontera för att köra simuleringar, "sade Milner." I stället för en empirisk statistisk fördelning, vi simulerar förekomsten av jordbävningar och utbredningen av dess vågor. "

"Vi har gjort stora framsteg på Frontera när det gäller att bestämma vilken typ av jordbävningar vi kan förvänta oss, på vilket fel, och hur ofta, "sa Christine Goulet, Executive Director for Applied Science på SCEC, också involverad i arbetet. "Vi föreskriver inte eller berättar koden när jordbävningarna kommer att hända. Vi lanserar en simulering av hundratusentals år, och låt bara koden överföra stressen från ett fel till ett annat. "

Simuleringarna började med Kaliforniens geologiska topografi och simulerade över 800, 000 virtuella år hur spänningar bildas och försvinner när tektoniska krafter verkar på jorden. Från dessa simuleringar, ramverket genererade en katalog - ett register om att en jordbävning inträffade på en viss plats med en viss storlek och attribut vid en given tidpunkt. Katalogen som SCEC -teamet tog fram på Frontera och Blue Waters var bland de största som någonsin gjorts, Sa Goulet. Utmatningarna från RSQSim matades sedan in i CyberShake som återigen använde datormodeller av geofysik för att förutsäga hur mycket skakningar (när det gäller markacceleration, eller hastighet, och varaktighet) skulle inträffa som ett resultat av varje skalv.

"Ramverket ger en fullständig slip-time-historia:var en bristning uppstår och hur den växte, "Milner förklarade." Vi fann att det ger realistiska markrörelser, som berättar att fysiken som implementeras i modellen fungerar som avsett. "De har mer arbete planerat för validering av resultaten, vilket är kritiskt innan acceptans för designapplikationer.

Forskarna fann att RSQSim -ramverket ger rik, variabla jordbävningar totalt sett - ett tecken på att det ger rimliga resultat - samtidigt som det genererar repeterbara käll- och vägeffekter.

"För många webbplatser, skakningsrisken går ner, i förhållande till uppskattningar i praktiken, säger Milner. "Men för ett par platser som har speciella konfigurationer av närliggande fel eller lokala geologiska funktioner, som nära San Bernardino, faran gick upp. Vi arbetar för att bättre förstå dessa resultat och definiera metoder för att verifiera dem. "

Arbetet hjälper till att avgöra sannolikheten för att en jordbävning inträffar längs någon av Kaliforniens hundratals jordbävningsproducerande fel, omfattningen av jordbävningen som kan förväntas, och hur det kan utlösa andra skalv.

Stöd för projektet kommer från U.S.Geological Survey (USGS), National Science Foundation (NSF), och W.M. Keck Foundation. Frontera är NSF:s nationella resurs i ledarklass. Beräknad tid på Frontera gavs genom ett Large Scale Community Partnership (LSCP) -pris till SCEC som ger hundratals amerikanska forskare tillgång till maskinen för att studera många aspekter av jordbävningsvetenskap. LSCP-utmärkelser ger utökade anslag på upp till tre år för att stödja långlivade forskningsinsatser. SCEC - som grundades 1991 och har beräknat på TACC -system i över ett decennium - är ett främsta exempel på en sådan insats.

Skapandet av katalogen krävde åtta dagars kontinuerlig databehandling på Frontera och använde mer än 3, 500 processorer parallellt. Att simulera markskakningar på 10 platser i Kalifornien krävde en jämförbar mängd datorer på Summit, den näst snabbaste superdatorn i världen.

"Antagandet av det bredare samhället kommer att förstås vara långsamt, "sa Milner." Eftersom sådana resultat kommer att påverka säkerheten, det är en del av vår due diligence att se till att dessa resultat är tekniskt försvarbara av det bredare samhället, "tillade Goulet. Men forskningsresultat som dessa är viktiga för att gå bortom generaliserade byggregler som i vissa fall kan vara otillräckligt representerande den risk som en region står inför medan den i andra fall är för konservativ.

"Förhoppningen är att dessa typer av modeller hjälper oss att bättre karakterisera seismisk fara så att vi lägger våra resurser på att bygga starka, säker, motståndskraftiga byggnader där de behövs som mest, Sa Milner.