Supercomputing dynamiske jordskælvsbrudmodeller

Nogle af verdens kraftigste jordskælv involverer flere fejl, og videnskabsmænd bruger supercomputere til bedre at forudsige deres adfærd. Jordskælv med flere fejl kan spænde over fejlsystemer på ti til hundrede af kilometer, med brud, der forplanter sig fra det ene segment til det andet. I løbet af det sidste årti, videnskabsmænd har observeret flere tilfælde af denne komplicerede type jordskælv. Større eksempler omfatter størrelsesordenen (forkortet M) 7.2 2010 Darfield jordskælvet i New Zealand; M7.2 El Mayor—Cucapah jordskælvet i Mexico umiddelbart syd for grænsen mellem USA og Mexico; jordskælvet i Det Indiske Ocean i 2012 med en styrke på 8,6; og måske den mest komplekse af alle, M7.8 2015 Kaikoura jordskælvet i New Zealand.

"De vigtigste resultater af vores arbejde vedrører de dynamiske vekselvirkninger af et postuleret netværk af fejl i den seismiske zone Brawley i det sydlige Californien, " sagde Christodoulos Kyriakopoulos, en forskningsgeofysiker ved University of California, Riverside. Han er hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort i april 2019 i Journal of Geophysical Research, Fast jord , udgivet af American Geophysical Union. "Vi brugte fysikbaserede dynamiske brudmodeller, der giver os mulighed for at simulere komplekse jordskælvsbrud ved hjælp af supercomputere. Vi var i stand til at køre snesevis af numeriske simuleringer, og dokumenterede et stort antal interaktioner, som vi analyserede ved hjælp af avanceret visualiseringssoftware, " sagde Kyriakopoulos.

En dynamisk brudmodel er en model, der gør det muligt for forskere at studere de grundlæggende fysiske processer, der finder sted under et jordskælv. Med denne type model, supercomputere kan simulere vekselvirkningerne mellem forskellige jordskælvsfejl. For eksempel, modellerne tillader undersøgelse af, hvordan seismiske bølger bevæger sig fra en forkastning til og påvirker stabiliteten af ​​en anden forkastning. Generelt, Kyriakopoulos sagde, at disse typer modeller er meget nyttige til at undersøge fortidens store jordskælv, og måske endnu vigtigere, fremtidige jordskælvsscenarier.

Den numeriske model Kyriakopoulos udviklede består af to hovedkomponenter. Først er et endeligt element-net, der implementerer det komplekse netværk af fejl i den seismiske Brawley-zone. "Vi kan tænke på det som et diskretiseret domæne, eller en diskretiseret numerisk verden, der bliver grundlaget for vores simuleringer. Den anden komponent er en endelig element dynamisk brudkode, kendt som FaultMod (Barall et. al. 2009), der giver os mulighed for at simulere udviklingen af ​​jordskælvsbrud, seismiske bølger, og jordens bevægelse med tiden, " sagde Kyriakopoulos. "Det, vi gør, er at skabe jordskælv i computeren. Vi kan studere deres egenskaber ved at variere parametrene for de simulerede jordskælv. I bund og grund, vi genererer en virtuel verden, hvor vi skaber forskellige typer jordskælv. Det hjælper os med at forstå, hvordan jordskælv i den virkelige verden sker."

"Modellen hjælper os med at forstå, hvordan fejl interagerer under jordskælvsbrud, " fortsatte han. "Antag, at et jordskælv starter ved punkt A og bevæger sig mod punkt B. Ved punkt B, jordskælvsforkastningen deler sig, eller opdeles i to dele. Hvor let ville det være for brud, for eksempel, at rejse på begge dele af bifurkationen, versus at tage bare den ene eller den anden gren? Dynamiske brudmodeller hjælper os med at besvare sådanne spørgsmål ved hjælp af grundlæggende fysiske love og realistiske antagelser."

Det er ikke nemt at modellere realistiske jordskælv på en computer. Kyriakopoulos og hans samarbejdspartnere stod over for tre hovedudfordringer. "Den første udfordring var implementeringen af ​​disse fejl i det endelige element-domæne, i den numeriske model. I særdeleshed, dette system af fejl består af et sammenkoblet netværk af større og mindre segmenter, der skærer hinanden i forskellige vinkler. Det er et meget kompliceret problem, " sagde Kyriakopoulos.

Den anden udfordring var at køre snesevis af store beregningssimuleringer. "Vi var nødt til at undersøge så meget som muligt en meget stor del af parameterrummet. Simuleringerne omfattede prototyping og de foreløbige kørsler til modellerne. Stampede-supercomputeren hos TACC var vores stærke partner i denne første og grundlæggende fase i vores arbejde. fordi det gav mig muligheden for at køre alle disse indledende modeller, som hjalp mig med at sætte min vej til de næste simuleringer." Den tredje udfordring var at bruge optimale værktøjer til korrekt at visualisere 3D-simuleringsresultaterne, som i deres rå form blot består af enorme rækker af tal. Kyriakopoulos gjorde det ved at generere fotorealistiske brudsimuleringer ved hjælp af den frit tilgængelige software ParaView (paraview.org).

For at overkomme disse udfordringer, Kyriakopoulos og kolleger brugte XSEDEs ressourcer, det NSF-finansierede Extreme Science and Engineering Environment. De brugte computerne Stampede på Texas Advanced Computing Center; og Comet ved San Diego Supercomputer Center (SDSC). Kyriakopoulos' relaterede forskning omfatter XSEDE-tildelinger TACCs Stampede2-system.

"Omtrent en tredjedel af simuleringerne til dette arbejde blev udført på Stampede, specifikt, de tidlige stadier af arbejdet, " sagde Kyriakopoulos. Jeg er nødt til at påpege, at dette arbejde blev udviklet i løbet af de sidste tre år, så det er et langt projekt. Jeg vil gerne understrege, også, hvordan de første simuleringer, igen, prototyping af modellerne, er meget vigtige for en gruppe videnskabsmænd, der metodisk skal planlægge deres tid og kræfter. At have ledig tid på Stampede var en game-changer for mig og mine kolleger, fordi det gav mig mulighed for at sætte de rigtige betingelser for hele sættet af simuleringer. Til den, Jeg vil gerne tilføje, at Stampede og generelt XSEDE er et meget venligt miljø og den rette partner at have til storskalaberegninger og avancerede videnskabelige eksperimenter."

Deres team brugte også kort computeren Comet of SDSC i denne forskning, mest til testkørsler og prototyping. "Min overordnede oplevelse, og mest baseret på andre projekter, med SDSC er meget positiv. Jeg er meget tilfreds med interaktionen med supportteamet, der altid var meget hurtig til at besvare mine e-mails og anmodninger om hjælp. Dette er meget vigtigt for en igangværende undersøgelse, især i de første faser, hvor du sørger for, at dine modeller fungerer korrekt. Effektiviteten af ​​SDSC-supportteamet holdt min optimisme meget høj og hjalp mig med at tænke positivt for fremtiden for mit projekt."

XSEDE havde en stor indflydelse på denne jordskælvsforskning. "XSEDE-supporten hjalp mig med at optimere mit beregningsarbejde og bedre organisere planlægningen af ​​mine computerkørsler. Et andet vigtigt aspekt er løsningen af ​​problemer relateret til jobscripting og valg af passende ressourcer (f.eks. mængden af ​​RAM, og antallet af noder). Baseret på min overordnede erfaring med XSEDE vil jeg sige, at jeg sparede 10-20% af personlig tid på grund af den måde, XSEDE er organiseret på, " sagde Kyriakopoulos.

"Min deltagelse i XSEDE gav et markant løft i mine modelleringsaktiviteter og gav mig mulighed for bedre at udforske parameterrummet for mit problem. Jeg føler mig bestemt en del af et stort fællesskab, der bruger supercomputere og har et fælles mål, at skubbe videnskaben fremad og skabe innovation, " sagde Kyriakopoulos.

Ser man på den større videnskabelige kontekst, Kyriakopoulos sagde, at deres forskning har bidraget til en bedre forståelse af multi-fejl brud, hvilket kan føre til bedre vurderinger af jordskælvsfaren. "Med andre ord, hvis vi ved, hvordan fejl interagerer under jordskælvsbrud, vi kan være bedre forberedt på fremtidige store jordskælv – især hvordan flere fejlsegmenter kunne interagere under et jordskælv for at forstærke eller afbryde større brud, " sagde Kyriakopoulos.

Nogle af resultaterne fra denne forskning peger på muligheden for et jordskælv med flere fejl i det sydlige Californien, hvilket kan få voldsomme konsekvenser. "Under den nuværende parametrisering og de nuværende modelantagelser, vi fandt ud af, at et brud på den sydlige San Andreas-forkastning kunne forplante sig syd for Bombay Beach, som anses for at være den sydlige ende af den sydlige San Andreas forkastning. I dette tilfælde, hvis et brud rent faktisk forplanter sig syd for Bombay Beach, det kunne tænkes at adskille Interstate 8, som anses for at være en livline mellem det østlige og vestlige Californien i tilfælde af en stor begivenhed, " sagde Kyriakopoulos.

"Sekund, vi fandt ud af, at et mellemstort jordskælv, der kerne på en af ​​disse krydsforkastninger, faktisk kunne udløse en større begivenhed på San Andreas-forkastningen. Men dette er kun en meget lille del af dette papir. Og det er faktisk emnet for vores igangværende og fremtidige arbejde, " han tilføjede.

"Denne forskning har givet os en ny forståelse af et komplekst sæt af fejl i det sydlige Californien, som har potentiale til at påvirke livet for millioner af mennesker i USA og Mexico. Ambitiøse beregningsmetoder, som dem, der er udført af dette forskerhold i samarbejde med XSEDE, gør mere realistiske fysikbaserede jordskælvsmodeller mulige", sagde National Science Foundation Earth Sciences Program Director Eva Zanzerkia.

Kyriakopoulos sagde:"Vores planet er et komplekst fysisk system. Uden støtte fra supercomputerfaciliteter, vi ville ikke være i stand til numerisk at repræsentere denne kompleksitet og specifikt i mit felt analysere i dybden de geofysiske processer bag jordskælv."