Første detaljerede simulering af 2004 megathrust jordskælv

Forskere i München har gennemført den første detaljerede simulering af Sumatra-jordskælvet, der udløste en ødelæggende tsunami dagen efter jul i 2004. Resultaterne giver ny indsigt i de underliggende geofysiske processer.

Julen 2004 Sumatra-Andaman jordskælvet var en af ​​de mest kraftfulde og destruktive seismiske begivenheder i historien. Det udløste en række tsunamier, dræbte mindst 230, 000 mennesker. Den nøjagtige rækkefølge af begivenheder involveret i jordskælvet er stadig uklar.

En dybere forståelse af de involverede geofysiske processer er nu ved hånden, takket være en simulering udført af et team af geofysikere, dataloger og matematikere fra det tekniske universitet i München (TUM) og LMU München på SuperMUC-supercomputeren ved Leibniz Supercomputing Center (LRZ) ved det bayerske videnskabsakademi. Denne hidtil største bruddynamiksimulering af et jordskælv kunne lette udviklingen af ​​mere pålidelige tidlige varslingssystemer. Resultaterne af simuleringen vil blive præsenteret på den internationale konference om højtydende computing, Netværk, Opbevaring og analyse (SC 17) i Denver, Colorado, som begyndte den 12. november.

Præcise prognoser er praktisk talt umulige

I subduktionszoner - steder, hvor tektoniske plader mødes i sømmene i jordskorpen, hvor den ene plade bevæger sig under den anden – jordskælv forekommer med jævne mellemrum. Imidlertid, det er endnu ikke præcist kendt under hvilke forhold sådanne "subduktionsjordskælv" kan forårsage tsunamier, eller hvor store sådanne tsunamier vil være.

Jordskælv er meget komplekse fysiske processer. I modsætning til de mekaniske processer, der forekommer ved brudfronten, som finder sted i en skala på højst et par meter, hele Jordens overflade stiger og falder over et område på hundredvis af kvadratkilometer. Under jordskælvet på Sumatra, riven i jordskorpen strakte sig i mere end 1, 500 km (ca. svarende til afstanden fra München til Helsinki eller Los Angeles til Seattle) - den længste brudforkastning, der nogensinde er set. Inden for 10 minutter, havbunden blev lodret forskudt af jordskælvet med så meget som 10 meter.

Simulering med over 100 milliarder frihedsgrader

For at simulere hele jordskælvet, videnskabsmændene dækkede området, der strækker sig fra Indien til Thailand med et tredimensionelt net bestående af over 200 millioner elementer og inkorporerer mere end 100 milliarder frihedsgrader.

Størrelsen af ​​elementerne varierede i henhold til den nødvendige opløsning:Et meget finere mesh blev brugt langs forkastningen for at løse de komplekse friktionsprocesser, og på overfladen for at tage højde for de topografiske træk og de seismiske bølger med relativt lav hastighed, der findes der. I områder med lille kompleksitet og hurtige bølger, der blev anvendt et grovere maske.

For at beregne mønsteret af seismisk bølgeudbredelse, mere end tre millioner tidstrin skulle beregnes over de mindste elementer. Som inputdata, holdet brugte al tilgængelig information om den geologiske struktur af subduktionszonen og de oprindelige forhold på havbunden, samt laboratorieforsøg på klippebrudsadfærd.

Ud over den store såkaldte megathrust pladegrænse, forskerne overvejede tre mindre spredningsfejl, eller forgreningsfejl, mistænkt for at have stærkt påvirket den tsunami-udløsende deformation af havbunden.

Næsten 50 billioner operationer

"For at gøre det muligt at afslutte simuleringen på SuperMUC inden for et rimeligt tidsrum, det tog i sidste ende fem års forberedelser at optimere vores SeisSol jordskælvssimuleringssoftware. For bare to år siden, regnetiden for simuleringen ville have været 15 gange længere, " forklarer Michael Bader, professor i informatik ved TUM.

Alle de algoritmiske komponenter, fra datainput og -output og de numeriske algoritmer, der bruges til at løse de fysiske ligninger, til den parallelle implementering på tusindvis af multicore-processorer, skulle optimeres til SuperMUC.

Sumatra-simuleringen tog stadig næsten 14 timers behandlingstid på alle 86, 016 kerner af SuperMUC, som udførte næsten 50 billioner operationer (næsten 1015 operationer i sekundet, eller omkring 1 petaflop/s – en tredjedel af den teoretiske maksimale computerydelse).

Den største og længste jordskælvssimulering nogensinde udført

"Vi gennemførte med succes den største jordskælvssimulering af sin slags nogensinde set, " siger LMU geofysiker Dr. Alice-Agnes Gabriel. "Med en varighed på omkring otte minutter, den er også den længste. Oven i købet, det var det første fysik-baserede scenarie nogensinde for en ægte subduktionsbrudsproces. Med den samtidige beregning af det komplicerede brud af flere forkastningssegmenter og udbredelsen af ​​seismiske bølger under jorden, vi fik spændende indsigt i jordskælvets geofysiske processer."

I særdeleshed, siger Dr. Gabriel, "Spredningsfejlene, som kan forestilles som pop-up frakturer ved siden af ​​den kendte subduktionsgrav, førte til brat, lang periode, lodrette forskydninger af havbunden, og dermed til en øget tsunamirisiko. På nuværende tidspunkt, denne evne til at inkorporere sådanne realistiske geometrier i fysiske jordskælvsmodeller er unik på verdensplan."