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研究使用超级计算机来推进动态地震破裂模型

sdsc的'彗星'超级计算机支持uc河畔研究san 和reas断层系统

动态破裂模型的视频动画,是由包括彗星和踩踏的超级计算机模拟创建的,是基于加利福尼亚州南部萨尔顿海域的假设断层网络。这个合成事件的开始位于孟买海滩以北约30公里处。第一秒显示地震的起始阶段称为“成核阶段”。在接下来的几秒钟内,破裂自发地向屏幕的右侧传播。在这里我们观察系统中不同断层之间的相互作用,特别是交叉断层如何影响模拟破裂的演变。顶部的两个面板代表了与底部面板不同的破裂情景。不同之处在于交叉断层参与破裂过程的趋势,在第二种情况下(由于较高的预应力)明显更高。因此,在底部面板中,动画显示了一系列跨故障事件,最终将调整此模型的最终大小。信用:christodoulos kyriakopoulos,uc riverside

多断层地震可以跨越数十至数百公里的断层系统,断裂从一个区段传播到另一个区段。在过去十年中,地震学家已经观察到这种复杂类型的地震破裂的几个案例,现在依靠超级计算机提供详细的模型,以更好地了解在这些事件中发生的基本物理过程,这可能产生深远的影响。

“我们工作的主要发现涉及加利福尼亚南部brawley地震带假定的断层网络的动态相互作用,”加利福尼亚河畔大学研究地球物理学家christodoulos kyriakopoulos说。 一项研究 发表于 地球物理研究杂志:固体地球.

该研究为地震学家和地质学家提供了对该地区一系列复杂断层的新认识,这些断层有可能影响美国数百万人的生活。在墨西哥,一些研究结果表明加利福尼亚州南部可能发生多次断层地震,这可能会产生可怕的后果。

“在目前的参数化和当前的模型假设下,我们发现南部圣安德烈斯断层的破裂可能在孟加拉海滩以南传播,这被认为是南部圣安德烈斯断层的南端,”kyriakopoulos说。 “在这种情况下,如果破裂实际上在孟加拉海滩南部传播,它可能会切断州际8号,这被认为是加利福尼亚州东部和西部之间的生命线,如果发生大事件。”

kyriakopoulos说,该研究还发现,在其中一个交叉断层上成核的中等地震(与brawley地震带中的san andreas断层相交的较小断层)实际上可能引发san 和reas断层上的重大事件,并指出这将是正在进行的工作的主题。

地震大小的超级计算机模拟

动态破裂模型允许科学家研究地震中发生的物理过程。超级计算机能够模拟不同地震断层之间的相互作用。例如,这些模型让研究人员研究地震波如何从一个断层传播到另一个断层,并影响其他断层的稳定性。根据kyriakopoulos的说法,这些模型对于研究过去的大规模地震,或许更重要的是,未来可能出现的地震情景非常有用。

kyriakopoulos和他的合作者使用基于物理的动态破裂模型,使他们能够使用超级计算机模拟复杂的地震破裂。 “我们能够运行数十个数值模拟,并记录了我们使用高级可视化软件分析的大量交互,”kyriakopoulos解释道。

由kyriakopoulos及其同事开发的数值模型由两个主要部分组成。首先是有限元网格,它实现了brawley地震带中复杂的断层网络。 “我们可以将其视为一个离散化的领域,或者是一个离散化的数字世界,成为我们模拟的基础,”他说。

“第二个是有限元动态破裂代码,称为faultmod(barall等人2009),它允许我们模拟地震破裂,地震波和地面运动随时间的演变,”kyriakopoulos说。 “我们可以通过改变模拟地震的参数来研究它们的特性。基本上,我们创造了一个虚拟世界,在那里我们创造了不同类型的地震。这有助于我们了解现实世界中的地震是如何发生的。“

kyriakopoulos和他的合作者在产生超现实地震的超级计算机模拟方面面临三个主要挑战。 “第一个挑战是在数值模型中在有限元域中实现这些故障。特别是,这种故障系统包括一个较大和较小段的互连网络,它们以不同的角度相互交叉。这是一个非常复杂的问题,“他说。

第二个挑战是运行数十个大型计算模拟并尽可能多地研究参数空间的大部分,而第三个挑战是使用最佳工具来正确显示三维模拟结果,这些结果以原始形式组成只是庞大的数字数组。 kyriakopoulos通过使用名为paraview的免费软件生成逼真的破裂模拟来做到这一点。

为了克服这些挑战,kyriakopoulos和他的团队使用了sdsc的petascale 彗星 超级计算机,以及 踩踏 系统位于奥斯汀德克萨斯大学德克萨斯高级计算中心。这些系统由国家科学基金会资助。

kyriakopoulos在研究更大的科学背景时说,这项研究有助于更好地理解多断层破裂,从而可以更好地评估地震灾害。 “如果我们知道地震破裂过程中断层是如何相互作用的,我们可以更好地为未来的大地震做好准备 - 特别是在地震中多个断层段如何相互作用以增强或中断主要破裂,”他说。

这项研究的资金由美国提供。地质调查(g12ac20038),nsf(ear-1033462,ear-1114446,ear-1135455)和南加州地震中心(8889)。研究合着者是uc riverside的christodoulos kyriakopoulos和david oglesby;圣地亚哥州立大学的托马斯罗克韦尔;新加坡南洋理工大学的aron meltzner;隐形软件公司的michael barall;中央调查委员会(墨西哥)的中央调查员约翰弗莱彻;并画了罗格斯大学的图拉诺夫斯基。


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