Zuid-Californië definieert cool. De perfecte klimaten van San Diego, de glitter van Hollywood, de magie van Disneyland. De geologie is behoorlijk spectaculair, ook.

"Zuid-Californië is een uitstekend natuurlijk laboratorium om actieve aardbevingsprocessen te bestuderen, " zei Tom Jordan, een professor in de afdeling Aardwetenschappen aan de Universiteit van Zuid-Californië (USC). "In de woestijn kun je het breuksysteem heel mooi observeren."

Het breuksysteem waarnaar hij verwijst is de San Andreas, een van de bekendere foutsystemen ter wereld. Met wortels diep in Mexico, het littekens Californië van de Salton Sea in het zuiden tot Cape Mendocino in het noorden, waar het vervolgens een westelijke duik neemt in de Stille Oceaan.

Gelegen in het hart van het San Andreas Fault System, Zuid-Californië is een ideale locatie om aardbevingen te bestuderen. Dat er bijna 24 miljoen mensen wonen, is een dringendere reden om ze te bestuderen.

Jordan en een team van het Southern California Earthquake Center (SCEC) gebruiken de supercomputerbronnen van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, om modellering te bevorderen voor de studie van aardbevingsrisico en hoe dit te verminderen.

Het hoofdkantoor is gevestigd bij USC, het centrum is een van de grootste samenwerkingsverbanden op het gebied van geowetenschappen, met meer dan 70 onderzoeksinstellingen en 1, 000 onderzoekers van over de hele wereld.

Het team vertrouwt op een eeuw aan gegevens uit instrumentele records en regionale en seismische nationale risicomodellen om nieuwe instrumenten te ontwikkelen voor het begrijpen van aardbevingsgevaren. Werken met de ALCF, het heeft deze informatie gebruikt om zijn aardbevingsbreuksimulator te verbeteren, RSQSim.

RSQ is een verwijzing naar snelheids- en toestandsafhankelijke wrijving bij aardbevingen - een wrijvingswet die kan worden gebruikt om de kiemvorming, of initiatie, van aardbevingen. RSQSim modelleert zowel kiemvormings- als breukprocessen om te begrijpen hoe aardbevingen stress overbrengen naar andere fouten.

ALCF-personeel speelde een belangrijke rol bij het aanpassen van de code aan Mira, de 10-petaflop-supercomputer van de ALCF, wat de grotere simulaties mogelijk maakt die nodig zijn om aardbevingsgedrag in zeer complexe breuksystemen te modelleren, zoals San Andreas, en wat leidde tot de grootste ontdekking van het team.

de SCEC, in samenwerking met de U.S. Geological Survey, had al een empirisch gebaseerd model ontwikkeld dat theorie integreert, geologische informatie en geodetische gegevens, zoals GPS-verplaatsingen, om ruimtelijke relaties te bepalen tussen fouten en slipsnelheden van de tektonische platen die deze fouten hebben veroorzaakt.

Hoewel meer traditioneel, een nieuwere versie wordt beschouwd als de beste weergave van aardbevingen in Californië, maar het beeld dat het weergeeft, is nog steeds niet zo nauwkeurig als onderzoekers zouden hopen.

"We weten veel over hoe groot aardbevingen kunnen zijn, hoe vaak ze voorkomen en waar ze voorkomen, maar we kunnen ze niet precies op tijd voorspellen, " merkt Jordan op.

Het team wendde zich tot Mira om RSQSim uit te voeren om te bepalen of het sneller nauwkeurigere resultaten kon behalen. Een op fysica gebaseerde code, RSQSim produceert synthetische aardbevingscatalogi op lange termijn die datums, keer, locaties en grootheden voor voorspelde gebeurtenissen.

Met behulp van simulatie, onderzoekers leggen de nadruk op een representatie van een foutsysteem, het veranderen van de spanning in een groot deel van het systeem en daarmee de manier waarop toekomstige aardbevingen plaatsvinden. Proberen om deze krachtige stress-gemedieerde interacties te modelleren is bijzonder moeilijk met complexe systemen en fouten zoals San Andreas.

"We laten het systeem gewoon evolueren en maken aardbevingscatalogi voor honderdduizend of een miljoen jaar. Het is alsof je een zandkorrel in een stel tandwielen gooit om te zien wat er gebeurt, " legde Christine Goulet uit, een teamlid en uitvoerend wetenschappelijk directeur voor speciale projecten met SCEC.

Het eindresultaat is een gedetailleerder beeld van het mogelijke gevaar, die een reeks aardbevingen van verschillende groottes voorspelt die naar verwachting zullen plaatsvinden op de San Andreas-breuk gedurende een bepaald tijdsbestek.

De groep probeerde de talrijke parameters van RSQSim te kalibreren om het model te repliceren dat is ontworpen door de SCEC en de U.S. Geological Survey. Maar de groep besloot uiteindelijk om de code uit te voeren met de standaardparameters. Hoewel de oorspronkelijke bedoeling was om de omvang van de verschillen tussen de modellen te evalueren, ze kwamen erachter, in plaats daarvan, dat beide modellen nauw overeenkwamen met hun voorspellingen van toekomstige seismologische activiteit.

"Dus het was een aha-moment. Eureka, " herinnert Goulet zich. "De resultaten waren een verrassing omdat de groep goed had nagedacht over het optimaliseren van de parameters. De beslissing om ze niet van hun standaardwaarden te veranderen, zorgde voor zeer mooie resultaten."

De onderzoekers merkten op dat de wederzijdse validatie van de twee benaderingen uiterst productief zou kunnen zijn bij het verder beoordelen van schattingen van seismisch gevaar en hun onzekerheden.

Informatie die is afgeleid van de simulaties zal het team helpen bij het berekenen van de sterke grondbewegingen die worden gegenereerd door breuken die optreden aan de oppervlakte - het karakteristieke schudden dat synoniem is met aardbevingen. Om dit te doen, het team koppelt de voorspellingen van de aardbevingsbreuk, de SCEC-V.S. Geologische Onderzoekscode en RSQSim, met verschillende modellen die de manier weergeven waarop golven zich door het systeem voortplanten. Deze modellen omvatten standaardvergelijkingen, zogenaamde grondbewegingsvoorspellingsvergelijkingen, gebruikt door ingenieurs om de schudniveaus van aardbevingen van verschillende groottes en locaties te berekenen.

"Deze experimenten laten zien dat het op fysica gebaseerde model RSQSim de schattingen van het seismische gevaar kan repliceren die zijn afgeleid van het empirische model, maar met veel minder statistische aannames, " merkte Jordan op. "De overeenkomst geeft ons meer vertrouwen dat de seismische risicomodellen voor Californië consistent zijn met wat we weten over aardbevingsfysica. We kunnen deze fysica nu gaan gebruiken om de gevarenmodellen te verbeteren."