Sommige van 's werelds krachtigste aardbevingen hebben meerdere fouten, en wetenschappers gebruiken supercomputers om hun gedrag beter te voorspellen. Multi-fault aardbevingen kunnen breuksystemen overspannen van tientallen tot honderden kilometers, met breuken die zich van het ene segment naar het andere voortplanten. Gedurende het laatste decennium, wetenschappers hebben verschillende gevallen van dit gecompliceerde type aardbeving waargenomen. Belangrijke voorbeelden zijn de magnitude (afgekort M) 7,2 aardbeving in Darfield in 2010 in Nieuw-Zeeland; de aardbeving M7.2 El Mayor-Cucapah in Mexico, direct ten zuiden van de grens tussen de VS en Mexico; de aardbeving in de Indische Oceaan met een kracht van 8,6 op de schaal van Richter in 2012; en misschien wel de meest complexe van allemaal, de M7.8 2015 Kaikoura-aardbeving in Nieuw-Zeeland.

"De belangrijkste bevindingen van ons werk hebben betrekking op de dynamische interacties van een gepostuleerd netwerk van fouten in de seismische zone van Brawley in Zuid-Californië, " zei Christodoulos Kyriakopoulos, een onderzoeksgeofysicus aan de Universiteit van Californië, Rivieroever. Hij is de hoofdauteur van een studie die in april 2019 werd gepubliceerd in de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek, vaste aarde , gepubliceerd door de American Geophysical Union. "We gebruikten op fysica gebaseerde dynamische breukmodellen waarmee we complexe aardbevingsbreuken kunnen simuleren met behulp van supercomputers. We waren in staat om tientallen numerieke simulaties uit te voeren, en documenteerde een groot aantal interacties die we analyseerden met behulp van geavanceerde visualisatiesoftware, ' zei Kyriakopoulos.

Een dynamisch breukmodel is een model waarmee wetenschappers de fundamentele fysieke processen kunnen bestuderen die plaatsvinden tijdens een aardbeving. Met dit type model supercomputers kunnen de interacties tussen verschillende aardbevingsfouten simuleren. Bijvoorbeeld, de modellen maken het mogelijk te bestuderen hoe seismische golven van de ene breuk naar en de stabiliteit van een andere breuk beïnvloeden. In het algemeen, Kyriakopoulos zei dat dit soort modellen erg handig zijn om grote aardbevingen uit het verleden te onderzoeken, en misschien nog belangrijker, mogelijke aardbevingsscenario's van de toekomst.

Het door Kyriakopoulos ontwikkelde numerieke model bestaat uit twee hoofdcomponenten. De eerste is een eindige-elementennet dat het complexe netwerk van fouten in de seismische zone van Brawley implementeert. "We kunnen dat zien als een gediscretiseerd domein, of een gediscretiseerde numerieke wereld die de basis wordt voor onze simulaties. De tweede component is een eindige elementen dynamische breukcode, bekend als FaultMod (Barall et. al. 2009) waarmee we de evolutie van aardbevingsbreuken kunnen simuleren, seismische golven, en grondbeweging met de tijd, " zei Kyriakopoulos. "Wat we doen is aardbevingen in de computer creëren. We kunnen hun eigenschappen bestuderen door de parameters van de gesimuleerde aardbevingen te variëren. In principe, we genereren een virtuele wereld waarin we verschillende soorten aardbevingen creëren. Dat helpt ons te begrijpen hoe aardbevingen in de echte wereld plaatsvinden."

"Het model helpt ons te begrijpen hoe fouten op elkaar inwerken tijdens een aardbeving, "Vervolgde hij. "Veronderstel dat een aardbeving begint bij punt A en naar punt B gaat. Bij punt B, de aardbevingsbreuk splitst zich, of splitst in twee delen. Hoe gemakkelijk zou het zijn voor de breuk, bijvoorbeeld, om op beide segmenten van de splitsing te reizen, versus het nemen van slechts de ene tak of de andere? Dynamische breukmodellen helpen ons om dergelijke vragen te beantwoorden met behulp van fysieke basiswetten en realistische aannames."

Het modelleren van realistische aardbevingen op een computer is niet eenvoudig. Kyriakopoulos en zijn medewerkers stonden voor drie grote uitdagingen. "De eerste uitdaging was de implementatie van deze fouten in het eindige-elementendomein, in het numerieke model. Vooral, dit systeem van breuken bestaat uit een onderling verbonden netwerk van grotere en kleinere segmenten die elkaar onder verschillende hoeken snijden. Het is een heel ingewikkeld probleem, ' zei Kyriakopoulos.

De tweede uitdaging was om tientallen grote computersimulaties uit te voeren. "We moesten een zo groot mogelijk deel van de parameterruimte onderzoeken. De simulaties omvatten de prototyping en de voorbereidende runs voor de modellen. De Stampede-supercomputer bij TACC was onze sterke partner in deze eerste en fundamentele fase van ons werk, omdat het me de mogelijkheid gaf om al deze eerste modellen uit te voeren die me hielpen bij het bepalen van mijn pad voor de volgende simulaties." De derde uitdaging was om optimale tools te gebruiken om de 3D-simulatieresultaten goed te visualiseren, die in hun ruwe vorm eenvoudigweg uit enorme reeksen getallen bestaan. Kyriakopoulos deed dat door fotorealistische breuksimulaties te genereren met behulp van de gratis beschikbare software ParaView (paraview.org).

Om deze uitdagingen te overwinnen, Kyriakopoulos en collega's gebruikten de middelen van XSEDE, de door de NSF gefinancierde Extreme Science and Engineering Environment. Ze gebruikten de computers Stampede in het Texas Advanced Computing Center; en Comet in het San Diego Supercomputer Center (SDSC). Het verwante onderzoek van Kyriakopoulos omvat XSEDE-toewijzingen TACC's Stampede2-systeem.

"Ongeveer een derde van de simulaties voor dit werk werd gedaan op Stampede, specifiek, de beginfase van het werk, " zei Kyriakopoulos. Ik zou erop moeten wijzen dat dit werk de afgelopen drie jaar is ontwikkeld, dus het is een lang project. Ik wil benadrukken, ook, hoe de eerste simulaties, opnieuw, de prototyping van de modellen, zijn erg belangrijk voor een groep wetenschappers die hun tijd en moeite methodisch moeten plannen. Tijd beschikbaar hebben op Stampede was een game-changer voor mij en mijn collega's, omdat het me in staat stelde de juiste voorwaarden te stellen voor de hele set simulaties. Op dat, Ik wil hieraan toevoegen dat Stampede en in het algemeen XSEDE een zeer vriendelijke omgeving is en de juiste partner voor grootschalige berekeningen en geavanceerde wetenschappelijke experimenten."

Hun team gebruikte in dit onderzoek ook kort de computer Comet van SDSC, meestal voor testruns en prototyping. "Mijn algehele ervaring, en meestal gebaseerd op andere projecten, met SDSC is zeer positief. Ik ben zeer tevreden over de interactie met het ondersteuningsteam dat altijd erg snel reageerde op mijn e-mails en verzoeken om hulp. Dit is erg belangrijk voor een lopend onderzoek, vooral in de eerste fasen waarin u ervoor zorgt dat uw modellen goed werken. De efficiëntie van het SDSC-ondersteuningsteam hield mijn optimisme erg hoog en hielp me positief te denken over de toekomst van mijn project."

XSEDE heeft een grote impact gehad op dit aardbevingsonderzoek. "De XSEDE-ondersteuning heeft me geholpen mijn rekenwerk te optimaliseren en de planning van mijn computerruns beter te organiseren. Een ander belangrijk aspect is de oplossing van problemen met betrekking tot de taakscripts en het selecteren van de juiste bronnen (bijv. hoeveelheid RAM, en aantal knooppunten). Op basis van mijn algemene ervaring met XSEDE zou ik zeggen dat ik 10-20% van mijn persoonlijke tijd heb bespaard vanwege de manier waarop XSEDE is georganiseerd, ' zei Kyriakopoulos.

"Mijn deelname aan XSEDE gaf een aanzienlijke boost in mijn modelleringsactiviteiten en stelde me in staat om de parameterruimte van mijn probleem beter te verkennen. Ik voel me zeker onderdeel van een grote gemeenschap die supercomputers gebruikt en een gemeenschappelijk doel heeft, om de wetenschap vooruit te helpen en innovatie te produceren, ' zei Kyriakopoulos.

Kijkend naar de grotere wetenschappelijke context, Kyriakopoulos zei dat hun onderzoek heeft bijgedragen aan een beter begrip van multi-fault breuken, die zouden kunnen leiden tot een betere inschatting van het aardbevingsgevaar. "Met andere woorden, als we weten hoe fouten op elkaar inwerken tijdens aardbevingen, we kunnen beter voorbereid zijn op toekomstige grote aardbevingen, in het bijzonder hoe verschillende breuksegmenten kunnen interageren tijdens een aardbeving om grote breuken te versterken of te onderbreken, ' zei Kyriakopoulos.

Sommige resultaten van dit onderzoek wijzen op de mogelijkheid van een meervoudige aardbeving in Zuid-Californië, die ernstige gevolgen kunnen hebben. "Onder de huidige parametrisering en de huidige modelaannames, we ontdekten dat een breuk in de zuidelijke San Andreas-breuk zich ten zuiden van Bombay Beach zou kunnen voortplanten, die wordt beschouwd als het zuidelijke uiteinde van de zuidelijke San Andreas-breuk. In dit geval, als een breuk zich daadwerkelijk voortplant ten zuiden van Bombay Beach, het zou mogelijk Interstate 8 kunnen verbreken, die wordt beschouwd als een reddingslijn tussen het oosten en het westen van Californië in het geval van een groot evenement, ' zei Kyriakopoulos.

"Tweede, we ontdekten dat een middelgrote aardbeving die op een van deze kruisbreuken kiemt, in feite een grote gebeurtenis op de San Andreas-breuk kan veroorzaken. Maar dit is slechts een heel klein deel van dit artikel. En het is eigenlijk het onderwerp van ons lopende en toekomstige werk, " hij voegde toe.

"Dit onderzoek heeft ons een nieuw begrip gegeven van een complexe reeks fouten in Zuid-Californië die de levens van miljoenen mensen in de Verenigde Staten en Mexico kunnen beïnvloeden. Ambitieuze computationele benaderingen, zoals die uitgevoerd door dit onderzoeksteam in samenwerking met XSEDE, maken meer realistische op fysica gebaseerde aardbevingsmodellen mogelijk", zei Eva Zanzerkia, programmadirecteur van de National Science Foundation Earth Sciences.

Kyriakopoulos zei:"Onze planeet is een complex fysiek systeem. Zonder de steun van supercomputerfaciliteiten, we zouden deze complexiteit niet numeriek kunnen weergeven en specifiek in mijn vakgebied de geofysische processen achter aardbevingen diepgaand analyseren."