Землетрясения представляют серьезную опасность для людей и городов во всем мире, но при надлежащих мерах по снижению опасности, от более строгих требований к строительству до тщательного зонирования, вероятность катастрофических обрушений дорог и зданий и человеческих жизней может быть ограничена..
Все эти меры зависят от науки, создающей высококачественные модели сейсмической опасности. И тем не менее, современные модели зависят от списка неопределенных допущений, предсказания которых трудно проверить в реальном мире из-за больших интервалов между сильными землетрясениями.
Теперь группа исследователей из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета, Университета Южной Калифорнии, Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета США. S. Geological Survey разработала основанную на физике модель, которая знаменует собой поворотный момент в прогнозировании землетрясений. Их результаты опубликованы в новом выпуске журнала Science Advances.
«Независимо от того, произойдет ли сильное землетрясение на следующей неделе или через 10 лет, инженеры должны строить на долгосрочную перспективу», - говорит ведущий автор исследования Брюс Шоу, геофизик из Ламонт-Доэрти. «Теперь у нас есть физическая модель, которая говорит нам, каковы долгосрочные опасности».
Смоделировав на суперкомпьютере почти 500 000-летние землетрясения в Калифорнии, исследователи смогли сопоставить оценки опасности с ведущей статистической моделью штата, основанной на столетних инструментальных данных. Взаимно подтверждающие результаты добавляют поддержку текущим прогнозам опасностей Калифорнии, которые помогают устанавливать страховые ставки и стандарты проектирования зданий по всему штату. Результаты также указывают на растущую роль моделей, основанных на физике, в прогнозировании опасности землетрясений и оценке конкурирующих моделей в Калифорнии и других регионах, подверженных землетрясениям.
Имитатор землетрясений, использованный в исследовании, RSQSim, упрощает статистическую модель Калифорнии, устраняя многие допущения, которые используются при оценке вероятности землетрясения определенной силы в конкретном регионе. На самом деле исследователи были удивлены, когда симулятор, запрограммированный на основе относительно базовой физики, смог воспроизвести оценки из модели, которая неуклонно улучшалась на протяжении десятилетий. «Это показывает, что наш симулятор готов к работе в прайм-тайм», - говорит Шоу.
Сейсмологи теперь могут использовать RSQSim для проверки прогнозов статистической модели для конкретных регионов. Точные оценки опасности особенно важны для государственных регулирующих органов в городах с высоким уровнем риска, таких как Лос-Анджелес и Сан-Франциско, которые пишут и пересматривают строительные нормы и правила на основе последних достижений науки. В штате с острой нехваткой жилья регулирующие органы вынуждены делать здания достаточно прочными, чтобы выдерживать сильное сотрясение и при этом снижать затраты на строительство. Второй инструмент для подтверждения оценок опасности придает цифрам дополнительную достоверность.
«Если вы можете получить одинаковые результаты с помощью разных методов, это вселяет уверенность в то, что вы все делаете правильно», - говорит соавтор исследования Том Джордан, геофизик из Университета Южной Калифорнии.
Отличительной чертой симулятора является использование трения, зависящего от скорости и состояния, для аппроксимации разрушения реальных разломов и передачи напряжения другим разломам, иногда вызывая еще более сильные землетрясения. Разработанная в Калифорнийском университете в Риверсайде более десяти лет назад и доработанная в текущем исследовании, RSQSim является первой моделью, основанной на физике, которая воспроизводит самый последний прогноз разрыва в Калифорнии, UCERF3. Когда результаты обеих моделей были введены в потрясающую статистическую модель Калифорнии, они получили схожие профили опасностей.
Джон Видейл, директор Центра землетрясений в Южной Калифорнии, который помог финансировать исследование, говорит, что новая модель создала реалистичную 500 000-летнюю историю землетрясений вдоль разломов Калифорнии для исследователей. Видейл предсказал, что модель будет улучшаться по мере роста вычислительной мощности и добавления в программное обеспечение большего количества физики. «Такие детали, как землетрясения в неожиданных местах, эволюция сейсмических разломов в течение геологического времени и вязкий поток глубоко под тектоническими плитами, еще не встроены», - сказал он..
Исследователи планируют использовать эту модель, чтобы больше узнать об афтершоках и о том, как они разворачиваются в разломах Калифорнии, а также для изучения других систем разломов во всем мире. Они также работают над включением симулятора в основанную на физике модель движения грунта под названием CyberShake, чтобы посмотреть, сможет ли он воспроизвести оценки сотрясений из текущей статистической модели.
«По мере того, как мы улучшаем физику в наших симуляциях, а компьютеры становятся более мощными, мы будем лучше понимать, где и когда могут произойти действительно разрушительные землетрясения», - говорит соавтор исследования Кевин Милнер, исследователь из Университета Южной Калифорнии.