Некоторые из самых сильных землетрясений в мире связаны с множественными разломами, и ученые используют суперкомпьютеры, чтобы лучше предсказывать их поведение. Многоразломные землетрясения могут охватывать системы разломов протяженностью от десятков до сотен километров, при этом разрывы распространяются от одного сегмента к другому. За последнее десятилетие ученые наблюдали несколько случаев этого сложного типа землетрясений. Основные примеры включают величину (сокращенно М) 7.2 Дарфилдское землетрясение 2010 г. в Новой Зеландии; землетрясение М7.2 Эль-Майор-Кукапа в Мексике непосредственно к югу от американо-мексиканской границы; землетрясение в Индийском океане магнитудой 8,6 в 2012 г.; и, возможно, самое сложное из всех - землетрясение Каикоура магнитудой 7,8 в 2015 году в Новой Зеландии.
«Основные результаты нашей работы касаются динамических взаимодействий предполагаемой сети разломов в сейсмической зоне Броули в Южной Калифорнии», - сказал Христодулос Кириакопулос, геофизик-исследователь из Калифорнийского университета в Риверсайде. Он является ведущим автором исследования, опубликованного в апреле 2019 года в Журнале геофизических исследований Solid Earth, издаваемом Американским геофизическим союзом. «Мы использовали основанные на физике динамические модели разрыва, которые позволяют нам моделировать сложные разрывы при землетрясении с помощью суперкомпьютеров. Мы смогли запустить десятки численных симуляций и задокументировали большое количество взаимодействий, которые мы проанализировали с помощью передового программного обеспечения для визуализации», - сказал Кириакопулос.
Динамическая модель разрыва - это модель, которая позволяет ученым изучать фундаментальные физические процессы, происходящие во время землетрясения. С помощью этого типа модели суперкомпьютеры могут моделировать взаимодействие между различными разломами при землетрясениях. Например, модели позволяют изучать, как сейсмические волны распространяются от одного разлома к другому разлому и влияют на его устойчивость. В целом, Кириакопулос сказал, что эти типы моделей очень полезны для исследования сильных землетрясений в прошлом и, возможно, что более важно, возможных сценариев будущих землетрясений.
Разработанная Кириакопулосом численная модель состоит из двух основных компонентов. Во-первых, это сетка конечных элементов, которая реализует сложную сеть разломов в сейсмической зоне Броули. «Мы можем думать об этом как о дискретизированной области или дискретизированном числовом мире, который становится основой для наших симуляций. Второй компонент - это динамический код разрыва с конечными элементами, известный как FaultMod (Barall et.др. 2009), что позволяет нам моделировать эволюцию землетрясений, сейсмических волн и движения грунта во времени», - сказал Кириакопулос. «Что мы делаем, так это создаем землетрясения на компьютере. Мы можем изучать их свойства, варьируя параметры моделируемых землетрясений. По сути, мы создаем виртуальный мир, в котором мы создаем различные типы землетрясений. Это помогает нам понять, как происходят землетрясения в реальном мире».
"Модель помогает нам понять, как разломы взаимодействуют во время землетрясения", продолжил он. «Предположим, что землетрясение начинается в точке А и движется к точке В. В точке В сейсмический разлом раздваивается или разделяется на две части. Насколько легко разрыву, например, пройти по обоим сегментам разветвления, Динамические модели разрыва помогают нам ответить на такие вопросы, используя основные законы физики и реалистичные предположения».
Моделирование реалистичных землетрясений на компьютере - непростая задача. Кириакопулос и его сотрудники столкнулись с тремя основными проблемами. «Первой задачей была реализация этих разломов в конечно-элементной области, в численной модели. В частности, эта система разломов состоит из взаимосвязанной сети больших и меньших сегментов, которые пересекают друг друга под разными углами. Это очень сложная проблема», - сказал Кириакопулос.
Вторая задача состояла в том, чтобы запустить десятки больших вычислительных симуляций. «Мы должны были исследовать как можно больше очень большой части пространства параметров. Моделирование включало прототипирование и предварительные запуски моделей. Суперкомпьютер Stampede в TACC был нашим сильным партнером на этом первом и фундаментальном этапе нашей работы, потому что это дало мне возможность запустить все эти первоначальные модели, которые помогли мне определить путь для следующих симуляций». Третьей задачей было использование оптимальных инструментов для правильной визуализации результатов трехмерного моделирования, которые в необработанном виде состоят просто из огромных массивов чисел. Кириакопулос сделал это, создав фотореалистичное моделирование разрыва с помощью бесплатного программного обеспечения ParaView.
Чтобы преодолеть эти проблемы, Кириакопулос и его коллеги использовали ресурсы XSEDE, организации Extreme Science and Engineering Environment, финансируемой NSF. Они использовали компьютеры Stampede в Техасском передовом вычислительном центре; и Comet в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего (SDSC). Связанное с Кириакопулосом исследование включает распределение XSEDE по системе Stampede2 TACC.
«Примерно одна треть симуляций для этой работы была сделана на Stampede, в частности, на ранних стадиях работы», - сказал Кириакопулос. Я должен отметить, что эта работа была разработана в течение последних трех лет, так что это длительный проект. Я также хотел бы подчеркнуть, насколько важны первые симуляции, опять же прототипирование моделей, для группы ученых, которые должны методично планировать свое время и усилия. Наличие свободного времени на Stampede изменило правила игры для меня и моих коллег, потому что это позволило мне установить правильные условия для всего набора симуляций. К этому я хотел бы добавить, что Stampede и XSEDE в целом - очень дружелюбная среда и правильный партнер для крупномасштабных вычислений и передовых научных экспериментов».
Их команда также ненадолго использовала компьютер Comet от SDSC в этом исследовании, в основном для тестовых прогонов и прототипирования. «Мой общий опыт работы с SDSC, в основном основанный на других проектах, очень положительный. Я очень доволен взаимодействием со службой поддержки, которая всегда очень быстро отвечала на мои электронные письма и запросы о помощи. Это очень важно для постоянное расследование, особенно на первых этапах, когда вы убедитесь, что ваши модели работают должным образом. Эффективность команды поддержки SDSC поддерживала мой оптимизм и помогала мне позитивно думать о будущем моего проекта."
XSEDE оказал большое влияние на исследование этого землетрясения. «Поддержка XSEDE помогла мне оптимизировать вычислительную работу и лучше организовать планирование работы моего компьютера. Еще одним важным аспектом является решение проблем, связанных со сценарием задания и выбором соответствующих ресурсов (например, объема оперативной памяти и количества узлов). Основываясь на моем общем опыте работы с XSEDE, я бы сказал, что сэкономил 10-20% личного времени благодаря тому, как организован XSEDE», - сказал Кириакопулос.
Мое участие в XSEDE дало значительный импульс моей деятельности по моделированию и позволило мне лучше изучить пространство параметров моей задачи. Я определенно чувствую себя частью большого сообщества, которое использует суперкомпьютеры и имеет общую цель - продвигать продвигать науку и производить инновации», - сказал Кириакопулос.
Глядя на более широкий научный контекст, Кириакопулос сказал, что их исследования способствовали лучшему пониманию множественных разломов, что может привести к более точной оценке опасности землетрясений. «Другими словами, если мы знаем, как разломы взаимодействуют во время разрывов при землетрясении, мы можем быть лучше подготовлены к будущим сильным землетрясениям - в частности, как несколько сегментов разлома могут взаимодействовать во время землетрясения, усиливая или прерывая крупные разрывы», - сказал Кириакопулос.
Некоторые результаты этого исследования указывают на возможность многоразового землетрясения в Южной Калифорнии, которое может иметь ужасные последствия. «При текущей параметризации и текущих предположениях модели мы обнаружили, что разрыв в Южном разломе Сан-Андреас может распространиться к югу от Бомбей-Бич, который считается южным окончанием южного разлома Сан-Андреас. В этом случае, если разрыв на самом деле распространяется к югу от Бомбей-Бич, он предположительно может разрезать межштатную автомагистраль 8, которая считается спасательным кругом между восточной и западной Калифорнией в случае крупного события», - сказал Кириакопулос..
Во-вторых, мы обнаружили, что землетрясение средней силы, зародившееся в одном из этих перекрестных разломов, может на самом деле спровоцировать крупное событие в разломе Сан-Андреас. Но это лишь очень небольшая часть в этой статье. тему нашей текущей и будущей работы», - добавил он.
Это исследование дало нам новое понимание сложного набора разломов в Южной Калифорнии, которые могут повлиять на жизнь миллионов людей в Соединенных Штатах и Мексике. Амбициозные вычислительные подходы, такие как те, которые были предприняты этой исследовательской группой в сотрудничестве с XSEDE, делают возможным создание более реалистичных физических моделей землетрясений», - сказала директор программы наук о Земле Национального научного фонда Ева Занзеркиа.
Сказал Кириакопулос: «Наша планета представляет собой сложную физическую систему. Без поддержки суперкомпьютерных средств мы не смогли бы численно представить эту сложность и, в частности, в моей области подробно проанализировать геофизические процессы, лежащие в основе землетрясений».
Ресурсы Stampede, Stampede2, Comet и расширенной программы совместной поддержки выделены в рамках программы Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), финансируемой Национальным научным фондом (NSF).