Ryst rangle og kode

Det sydlige Californien definerer cool. San Diegos perfekte himmelstrøg, glitter af Hollywood, Disneylands magi. Geologien er ret spektakulær, såvel.

"Det sydlige Californien er et førsteklasses naturligt laboratorium til at studere aktive jordskælvsprocesser, " sagde Tom Jordan, en professor ved Institut for Jordvidenskab ved University of Southern California (USC). "Ørkenen giver dig mulighed for at observere fejlsystemet meget pænt."

Det fejlsystem, han henviser til, er San Andreas, blandt de mere berømte fejlsystemer i verden. Med rødder dybt i Mexico, det ar Californien fra Saltonhavet i syd til Cape Mendocino i nord, hvor den så tager et vestligt dyk ind i Stillehavet.

Beliggende som det er i hjertet af San Andreas Fault System, Det sydlige Californien er et ideelt sted at studere jordskælv. At det er hjemsted for næsten 24 millioner mennesker, er en mere presserende grund til at studere dem.

Jordan og et team fra Southern California Earthquake Center (SCEC) bruger supercomputing-ressourcerne fra Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, at fremme modellering til undersøgelse af jordskælvsrisiko og hvordan man kan reducere den.

Med hovedkontor i USC, centret er et af de største samarbejder inden for geovidenskab, involverer over 70 forskningsinstitutioner og 1, 000 efterforskere fra hele verden.

Holdet stoler på et århundredes værdi af data fra instrumentelle registreringer samt regionale og seismiske nationale faremodeller for at udvikle nye værktøjer til at forstå jordskælvsfaren. Arbejder med ALCF, den har brugt disse oplysninger til at forbedre sin jordskælvsbrudsimulator, RSQSim.

RSQ er en reference til hastigheds- og tilstandsafhængig friktion i jordskælv - en friktionslov, der kan bruges til at studere kernedannelsen, eller indledning, af jordskælv. RSQSim modellerer både nukleations- og brudprocesser for at forstå, hvordan jordskælv overfører stress til andre fejl.

ALCF-medarbejdere var medvirkende til at tilpasse koden til Mira, ALCF's 10-petaflop supercomputer, som giver mulighed for de større simuleringer, der kræves for at modellere jordskælvsadfærd i meget komplekse forkastningssystemer, ligesom San Andreas, og som førte til holdets største opdagelse.

SCEC, i samarbejde med U.S. Geological Survey, havde allerede udviklet en empirisk baseret model, der integrerer teori, geologisk information og geodætiske data, som GPS-forskydninger, at bestemme rumlige forhold mellem fejl og glidningshastigheder af de tektoniske plader, der skabte disse fejl.

Selvom det er mere traditionelt, en nyere version anses for at være den bedste repræsentation af californiske jordskælvsbrud, men det billede, den skildrer, er stadig ikke så nøjagtigt, som forskerne ville håbe.

"Vi ved meget om, hvor store jordskælv kan være, hvor ofte de forekommer, og hvor de forekommer, men vi kan ikke forudsige dem præcist i tid, " bemærker Jordan.

Holdet henvendte sig til Mira for at køre RSQSim for at afgøre, om det kunne opnå mere nøjagtige resultater hurtigere. En fysik-baseret kode, RSQSim producerer langsigtede syntetiske jordskælvskataloger, der omfatter datoer, gange, placeringer og størrelser for forudsagte begivenheder.

Ved hjælp af simulering, forskere lægger vægt på en eller anden repræsentation af et fejlsystem, ændre spændingen gennem store dele af systemet og dermed ændre den måde, fremtidige jordskælv opstår på. At forsøge at modellere disse kraftfulde stress-medierede interaktioner er særligt vanskeligt med komplekse systemer og fejl som San Andreas.

"Vi lader bare systemet udvikle sig og skaber jordskælvskataloger i hundrede tusinde eller en million år. Det er som at kaste et sandkorn i et sæt tandhjul for at se, hvad der sker, " forklarede Christine Goulet, et teammedlem og executive science director for særlige projekter med SCEC.

Slutresultatet er et mere detaljeret billede af den mulige fare, som forudsiger en sekvens af jordskælv af forskellig størrelse, der forventes at forekomme på San Andreas-forkastningen over et givet tidsinterval.

Gruppen forsøgte at kalibrere RSQSims talrige parametre for at replikere modellen designet af SCEC og U.S. Geological Survey. Men gruppen besluttede til sidst at køre koden med dens standardparametre. Mens den oprindelige hensigt var at evaluere størrelsen af ​​forskellene mellem modellerne, de opdagede, i stedet, at begge modeller var tæt enige om deres prognoser for fremtidig seismologisk aktivitet.

"Så det var et aha-øjeblik. Eureka, " huskede Goulet. "Resultaterne var en overraskelse, fordi gruppen havde tænkt nøje over at optimere parametrene. Beslutningen om ikke at ændre dem fra deres standardværdier er truffet for meget flotte resultater."

Forskerne bemærkede, at den gensidige validering af de to tilgange kunne vise sig at være ekstremt produktiv til yderligere vurdering af seismiske fareestimater og deres usikkerheder.

Information udledt fra simuleringerne vil hjælpe holdet med at beregne de stærke jordbevægelser, der genereres af forkastninger, der opstår ved overfladen - den karakteristiske rystelse, der er synonym med jordskælv. At gøre dette, holdet kobler prognoserne for jordskælvsbrud, SCEC-U.S. Geologisk undersøgelseskode og RSQSim, med forskellige modeller, der repræsenterer den måde, bølger udbreder sig gennem systemet. Disse modeller involverer standardligninger, kaldet jordbevægelsesforudsigelsesligninger, bruges af ingeniører til at beregne rysteniveauerne fra jordskælv af forskellige størrelser og steder.

"Disse eksperimenter viser, at den fysikbaserede model RSQSim kan replikere de seismiske fareestimater udledt af den empiriske model, men med langt færre statistiske antagelser, " bemærkede Jordan. "Aftalen giver os mere tillid til, at de seismiske faremodeller for Californien er i overensstemmelse med, hvad vi ved om jordskælvsfysik. Vi kan nu begynde at bruge denne fysik til at forbedre faremodellerne."