Численное моделирование точно определило источник акустических сигналов, излучаемых напряженными разломами в лабораторных машинах для землетрясений. В работе далее раскрывается физика, вызывающая геологические разломы, знания, которые однажды могут позволить точно предсказывать землетрясения.
«Предыдущие исследования машинного обучения показали, что акустические сигналы, обнаруженные при землетрясении, можно использовать для прогнозирования следующего землетрясения», - сказал Ке Гао, геофизик-вычислитель из группы геофизики в Лос-Аламосской национальной лаборатории..«Эта новая работа по моделированию показывает нам, что обрушение цепочек напряжений внутри выемки землетрясения излучает этот сигнал в лаборатории, указывая на механизмы, которые также могут быть важны на Земле». Гао является ведущим автором статьи «От цепей напряжения к акустической эмиссии», опубликованной сегодня в журнале Physical Review Letters.
Цепочки напряжений представляют собой мосты, состоящие из зерен, которые передают напряжения с одной стороны разломного блока на другую.
Гао работает в группе из Лос-Аламоса, которая идентифицировала прогнозируемый акустический сигнал в данных как по лабораторным землетрясениям, так и по регионам мегатолчков в Северной Америке, Южной Америке и Новой Зеландии. Сигнал точно указывает на состояние напряжения в месте повреждения, независимо от того, когда сигнал считывается.
«Используя численную модель, которую мы разработали в Лос-Аламосе, мы изучаем и связываем динамику в гранулированной системе разломов с сигналами, обнаруженными на пассивных удаленных мониторах», - сказал Гао. Выемка разлома представляет собой измельченный гравийный скальный материал, созданный напряжениями и движениями разлома.
Чтобы выяснить причину акустических сигналов, команда провела серию численных симуляций на суперкомпьютерах с использованием разработанного в Лос-Аламосе кода HOSS (Hybrid Optimization Software Suite). Этот новый численный инструмент представляет собой гибридную методологию - комбинированный метод конечных дискретных элементов. Он объединяет методы, разработанные в рамках методов дискретных элементов, для описания взаимодействий между зернами; и в рамках методов конечных элементов для описания напряжений как функции деформации внутри зерен и распространения волн от зернистой системы. Моделирование точно имитирует динамику развития разломов при землетрясении, например, то, как материалы внутри борозды измельчаются и сталкиваются друг с другом, а также то, как формируются и развиваются цепочки напряжений во времени посредством взаимодействия между соседними материалами борозды.
Лос-Аламос профинансировал многомиллионную многолетнюю программу, состоящую из экспериментов, численного моделирования и усилий по машинному обучению для разработки и тестирования совершенно нового подхода к исследованию цикла землетрясений и, в частности, для обнаружения и локализации напряженных ошибок, которые приближаются к отказу.