По данным Геологической службы США (USGS), в следующие 30 лет существует один шанс из трех, что разлом Хейворд в Калифорнии разорвется землетрясением магнитудой 6,7 или выше. Такое землетрясение нанесет значительный ущерб строениям, транспорту и инженерным сетям, а также приведет к экономическим и социальным потрясениям в восточной части района залива Сан-Франциско (Восточный залив).
Лоуренс Ливермор и ученые из национальной лаборатории Лоуренса Беркли использовали одни из самых мощных в мире суперкомпьютеров для моделирования сотрясения земли магнитудой (M) 7.0 на разломе Хейворд и показывают более реалистичные движения, чем когда-либо прежде. Исследование опубликовано в Geophysical Research Letters.
Прошлые симуляции разрешили колебания грунта от низких частот до 0,5-1 Гц (колебаний в секунду). Новые симуляции разрешаются до 4-5 герц (Гц), что представляет собой увеличение разрешенных частот в четыре-восемь раз. Движения с этими частотами можно использовать для оценки того, как здания реагируют на тряску
Моделирование основано на программе сейсмического моделирования SW4, разработанной LLNL, и наилучшем на данный момент представлении трехмерной (3D) земли (геология и топография поверхности от Геологической службы США) для расчета сотрясений грунта сейсмическими волнами в Сан-Франциско. Район залива. Важно отметить, что результаты в среднем согласуются с моделями, основанными на реальных зарегистрированных землетрясениях по всему миру.
«Это исследование показывает, что мощные суперкомпьютеры могут использоваться для расчета землетрясений в крупном региональном масштабе с большей реалистичностью, чем мы когда-либо могли производить раньше», - сказал Арти Роджерс, сейсмолог LLNL и ведущий автор исследования. бумага.
Разлом Хейворд является крупным сдвиговым разломом на восточной стороне района залива. Этот разлом способен вызывать землетрясения силой 7 баллов и представляет значительную опасность движения грунта для густонаселенного Восточного залива, включая города Окленд, Беркли, Хейворд и Фремонт. Последний крупный разрыв произошел в 1868 году с событием М 6,8-7,0. Инструментальные наблюдения за этим землетрясением в то время не проводились, однако исторические отчеты нескольких тысяч человек, живших в то время в Восточном заливе, указывают на серьезные повреждения сооружений.
Недавнее исследование сообщает о движениях грунта, смоделированных для так называемого сценария землетрясения, одного из многих возможных.
Мы не собираемся прогнозировать специфику сотрясений от будущего землетрясения в результате разлома Хейворд силой 7 баллов, но это исследование демонстрирует, что теперь возможно полностью детерминированное трехмерное моделирование с частотами до 4 Гц. Мы получили хорошее согласие с модели движения грунта, полученные на основе реальных записей, и мы можем исследовать влияние источников, путей и мест на колебания грунта», - сказал Роджерс.
По мере того, как эти симуляции становятся проще благодаря улучшениям в SW4 и вычислительной мощности, команда будет пробовать ряд возможных разрывов и исследовать, как меняются движения. Команда также работает над улучшениями SW4, которые позволят моделировать 8-10 Гц для еще более реалистичных движений.
Для жителей Восточного залива моделирование показывает более сильные движения грунта на восточной стороне разлома (Оринда, Морага) по сравнению с западной стороной (Беркли, Окленд). Это происходит из-за различных геологических материалов - глубоких более слабых осадочных пород, которые образуют холмы Ист-Бэй. Оценка и улучшение текущей трехмерной модели Земли является предметом текущих исследований, например, с использованием землетрясения в Беркли магнитудой 4,4 4 января 2018 года, которое широко ощущалось вокруг северного разлома Хейворд.
Моделирование движения грунта при сильных землетрясениях получает признание по мере совершенствования вычислительных методов, увеличения вычислительных ресурсов и более реалистичного представления трехмерной структуры земли и источников землетрясений.
Роджерс добавляет: «Важно продемонстрировать, что моделирование с помощью высокопроизводительных вычислений может давать реалистичные результаты, и наша команда будет работать с инженерами над оценкой рассчитанных движений, чтобы их можно было использовать для понимания результирующего распределения риска для инфраструктуры. и, в конечном счете, для проектирования более безопасных энергетических систем, зданий и другой инфраструктуры».
Другие ливерморские авторы включают сейсмолога Арбена Питарку, математиков Андерса Петерссона и Бьорна Сьогрина, а также руководителя проекта и инженера-строителя Дэвида Маккаллена из Канцелярии президента Калифорнийского университета и LBNL.
Эта работа является частью проекта Exascale Computing Project Министерства энергетики США (ECP). ECP направлен на ускорение создания функциональной экзафлопсной вычислительной экосистемы, которая обеспечивает в 50 раз большую вычислительную мощность и вычислительную мощность приложений для анализа данных, чем это возможно с системами DOE HPC, такими как Titan (ORNL) и Sequoia (LLNL), с целью запуска У. Экосистема S. exascale к 2021 году. ECP является совместным проектом двух организаций Министерства энергетики - Управления науки Министерства энергетики США и Национального управления ядерной безопасности.
Моделирование проводилось с использованием распределения Computing Grand Challenge на суперкомпьютере Quartz в LLNL и с выделением Exascale Computing Project на Cori Phase-2 в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в LBNL.
Видео: