Wetenschappers in München hebben de eerste gedetailleerde simulatie voltooid van de aardbeving in Sumatra die een verwoestende tsunami veroorzaakte op de dag na Kerstmis in 2004. De resultaten bieden nieuwe inzichten in de onderliggende geofysische processen.

De aardbeving in Sumatra-Andaman met Kerstmis 2004 was een van de krachtigste en meest destructieve seismische gebeurtenissen in de geschiedenis. Het veroorzaakte een reeks tsunami's, minstens 230 doden, 000 mensen. De exacte volgorde van gebeurtenissen die betrokken zijn bij de aardbeving blijft onduidelijk.

Een dieper begrip van de betrokken geofysische processen is nu nabij, dankzij een simulatie uitgevoerd door een team van geofysici, computerwetenschappers en wiskundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) en LMU München op de SuperMUC-supercomputer in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ) van de Beierse Academie van Wetenschappen. Deze grootste breukdynamieksimulatie van een aardbeving ooit zou de ontwikkeling van betrouwbaardere systemen voor vroegtijdige waarschuwing kunnen vergemakkelijken. De resultaten van de simulatie zullen worden gepresenteerd op de Internationale Conferentie over High-Performance Computing, Netwerken, Opslag en analyse (SC 17) in Denver, Colorado, die op 12 november begon.

Nauwkeurige voorspelling is praktisch onmogelijk

In subductiezones - locaties waar tektonische platen elkaar ontmoeten bij naden in de aardkorst, waarbij de ene plaat onder de andere beweegt - aardbevingen komen met regelmatige tussenpozen voor. Echter, het is nog niet precies bekend onder welke omstandigheden dergelijke "subductie-aardbevingen" tsunami's kunnen veroorzaken of hoe groot dergelijke tsunami's zullen zijn.

Aardbevingen zijn zeer complexe fysieke processen. In tegenstelling tot de mechanische processen die plaatsvinden aan het breukfront, die plaatsvinden op een schaal van hoogstens enkele meters, het hele aardoppervlak stijgt en daalt over een gebied van honderden vierkante kilometers. Tijdens de aardbeving op Sumatra, de scheur in de aardkorst strekte zich uit over meer dan 1 500 km (ongeveer gelijk aan de afstand van München naar Helsinki of Los Angeles naar Seattle) – de langste breuk ooit gezien. Binnen 10 minuten, de zeebodem werd door de aardbeving maar liefst 10 meter verticaal verplaatst.

Simulatie met meer dan 100 miljard vrijheidsgraden

Om de hele aardbeving te simuleren, de wetenschappers bestreken het gebied dat zich uitstrekte van India tot Thailand met een driedimensionaal netwerk dat uit meer dan 200 miljoen elementen bestaat en meer dan 100 miljard vrijheidsgraden bevat.

De grootte van de elementen varieerde afhankelijk van de vereiste resolutie:langs de breuklijn werd een veel fijner gaas gebruikt om de complexe wrijvingsprocessen op te lossen, en aan de oppervlakte om rekening te houden met de topografische kenmerken en de relatief lage seismische golven die daar worden gevonden. In gebieden met weinig complexiteit en snelle golven, een grovere maaswijdte werd toegepast.

Om het patroon van seismische golfvoortplanting te berekenen, meer dan drie miljoen tijdstappen moesten worden berekend over de kleinste elementen. Als invoergegevens, het team gebruikte alle beschikbare informatie over de geologische structuur van de subductiezone en de initiële omstandigheden op de zeebodem, evenals laboratoriumexperimenten op het breken van gesteentegedrag.

Naast de grote zogenaamde megathrust plaatgrens, de wetenschappers beschouwden drie kleinere spreidingsfouten, of vertakkingsfouten, wordt ervan verdacht de door de tsunami veroorzaakte vervorming van de oceaanbodem sterk te hebben beïnvloed.

Bijna 50 biljoen operaties

"Om het mogelijk te maken om de simulatie op SuperMUC binnen een redelijke termijn af te ronden, het heeft uiteindelijk vijf jaar voorbereiding gekost om onze SeisSol aardbevingssimulatiesoftware te optimaliseren. Nog maar twee jaar geleden, de rekentijd voor de simulatie zou 15 keer langer zijn geweest, " legt Michael Bader uit, hoogleraar informatica aan de TUM.

Alle algoritmische componenten, van gegevensinvoer en -uitvoer en de numerieke algoritmen die worden gebruikt om de fysieke vergelijkingen op te lossen tot de parallelle implementatie op duizenden multicore-processors, moest worden geoptimaliseerd voor de SuperMUC.

De Sumatra-simulatie vergde nog bijna 14 uur verwerkingstijd op alle 86, 016 kernen van de SuperMUC, die bijna 50 biljoen bewerkingen uitvoerde (bijna 1015 bewerkingen per seconde, of ongeveer 1 petaflop/s – een derde van de theoretische maximale computerprestaties).

De grootste en langste aardbevingssimulatie ooit uitgevoerd

"We hebben met succes de grootste aardbevingssimulatie ooit in zijn soort voltooid, " zegt LMU-geofysicus Dr. Alice-Agnes Gabriel. "Met een duur van ongeveer acht minuten, het is ook de langste. Daarbovenop, het was het allereerste op fysica gebaseerde scenario voor een echt subductie-ruptuurproces. Met de gelijktijdige berekening van de gecompliceerde breuk van verschillende breuksegmenten en de ondergrondse voortplanting van seismische golven, we hebben opwindende inzichten gekregen in de geofysische processen van de aardbeving."

Vooral, zegt dr. Gabriel, "De spreidingsfouten, die kunnen worden voorgesteld als pop-up breuken naast de bekende subductiegeul, leidde tot abrupte, lange periode, verticale verplaatsingen van de zeebodem, en dus tot een verhoogd tsunami-risico. Momenteel, dit vermogen om dergelijke realistische geometrieën op te nemen in fysieke aardbevingsmodellen is wereldwijd uniek."