Mappa (pannelli di sinistra) e vista 3D (pannelli di destra) di simulazioni di terremoti con supercomputer nella zona sismica di Brawley, CIRCA. La figura mostra come le diverse condizioni di stress influenzino la propagazione della rottura attraverso la complessa rete di faglie. I pannelli superiori mostrano uno scenario di caso ad alto stress (che porta a una propagazione della rottura molto rapida, superiore alla velocità dell'onda S) mentre i pannelli inferiori mostrano una simulazione di un caso di stress medio. Credito:Christodoulos Kyriakopoulos.
Alcuni dei terremoti più potenti del mondo coinvolgono più faglie, e gli scienziati stanno usando i supercomputer per prevedere meglio il loro comportamento. I terremoti a più faglie possono estendersi su sistemi di faglie da decine a centinaia di chilometri, con rotture che si propagano da un segmento all'altro. Durante l'ultimo decennio, gli scienziati hanno osservato diversi casi di questo complicato tipo di terremoto. I principali esempi includono il terremoto di Darfield di magnitudo (abbreviato M) 7.2 2010 in Nuova Zelanda; il terremoto M7.2 El Mayor-Cucapah in Messico, immediatamente a sud del confine tra Stati Uniti e Messico; il terremoto di magnitudo 8,6 del 2012 nell'Oceano Indiano; e forse il più complesso di tutti, il terremoto di Kaikoura M7.8 2015 in Nuova Zelanda.
"I principali risultati del nostro lavoro riguardano le interazioni dinamiche di una rete ipotizzata di faglie nella zona sismica di Brawley nel sud della California, " disse Christodoulos Kyriakopoulos, un geofisico di ricerca presso l'Università della California, Lungofiume. È l'autore principale di uno studio pubblicato nell'aprile del 2019 su Giornale di ricerca geofisica, Terra solida , pubblicato dall'American Geophysical Union. "Abbiamo utilizzato modelli di rottura dinamici basati sulla fisica che ci consentono di simulare complesse rotture di terremoti utilizzando supercomputer. Siamo stati in grado di eseguire dozzine di simulazioni numeriche, e documentato un gran numero di interazioni che abbiamo analizzato utilizzando un software di visualizzazione avanzato, " Disse Kyriakopoulos.
Un modello di rottura dinamica è un modello che consente agli scienziati di studiare i processi fisici fondamentali che si verificano durante un terremoto. Con questo tipo di modello, i supercomputer possono simulare le interazioni tra le diverse faglie sismiche. Per esempio, i modelli consentono di studiare come le onde sismiche viaggiano da una faglia e influenzano la stabilità di un'altra faglia. Generalmente, Kyriakopoulos ha affermato che questi tipi di modelli sono molto utili per studiare i grandi terremoti del passato, e forse ancora più importante, possibili scenari sismici del futuro.
Il modello numerico sviluppato da Kyriakopoulos è costituito da due componenti principali. Il primo è una mesh ad elementi finiti che implementa la complessa rete di faglie nella zona sismica di Brawley. "Possiamo pensarlo come un dominio discretizzato, o un mondo numerico discretizzato che diventa la base per le nostre simulazioni. Il secondo componente è un codice di rottura dinamica ad elementi finiti, noto come FaultMod (Barall et. al. 2009) che ci permette di simulare l'evoluzione delle rotture sismiche, onde sismiche, e il movimento del suolo con il tempo, " Kyriakopoulos ha detto. "Quello che facciamo è creare terremoti nel computer. Possiamo studiarne le proprietà variando i parametri dei terremoti simulati. Fondamentalmente, generiamo un mondo virtuale in cui creiamo diversi tipi di terremoti. Questo ci aiuta a capire come stanno avvenendo i terremoti nel mondo reale".
"Il modello ci aiuta a capire come interagiscono le faglie durante la rottura del terremoto, " continuò. "Supponiamo che un terremoto inizi nel punto A e viaggi verso il punto B. Nel punto B, la faglia sismica si biforca, o si divide in due parti. Quanto sarebbe facile per la rottura, Per esempio, per viaggiare su entrambi i segmenti della biforcazione, contro prendere solo un ramo o l'altro? I modelli di rottura dinamica ci aiutano a rispondere a tali domande utilizzando leggi fisiche di base e ipotesi realistiche".
Modellare terremoti realistici su un computer non è facile. Kyriakopoulos ei suoi collaboratori hanno affrontato tre sfide principali. "La prima sfida è stata l'implementazione di questi difetti nel dominio degli elementi finiti, nel modello numerico. In particolare, questo sistema di faglie è costituito da una rete interconnessa di segmenti più grandi e più piccoli che si intersecano tra loro ad angoli diversi. È un problema molto complicato, " Disse Kyriakopoulos.
La seconda sfida consisteva nell'eseguire dozzine di grandi simulazioni computazionali. "Abbiamo dovuto indagare il più possibile una parte molto ampia dello spazio dei parametri. Le simulazioni includevano la prototipazione e le corse preliminari per i modelli. Il supercomputer Stampede al TACC è stato il nostro partner forte in questa prima e fondamentale fase del nostro lavoro, perché mi ha dato la possibilità di eseguire tutti questi modelli iniziali che mi hanno aiutato a impostare il mio percorso per le prossime simulazioni." La terza sfida è stata quella di utilizzare strumenti ottimali per visualizzare correttamente i risultati della simulazione 3D, che nella loro forma grezza consistono semplicemente in enormi matrici di numeri. Kyriakopoulos lo ha fatto generando simulazioni di rottura fotorealistiche utilizzando il software gratuito ParaView (paraview.org).
Per superare queste sfide, Kyriakopoulos e colleghi hanno utilizzato le risorse di XSEDE, l'ambiente scientifico e ingegneristico estremo finanziato dalla NSF. Hanno usato i computer Stampede presso il Texas Advanced Computing Center; e Comet al San Diego Supercomputer Center (SDSC). La ricerca correlata di Kyriakopoulos include le allocazioni XSEDE e il sistema Stampede2 di TACC.
Questo video mostra una simulazione di un modello di rottura dinamica. Il modello si basa su una rete ipotizzata di faglie nell'area del Salton Sea, California del Sud. L'ipocentro di questo evento sintetico si trova a circa 30 km a nord della spiaggia di Bombay.
I primi secondi di questa simulazione mostrano la fase di inizio del terremoto, nota anche come "fase di nucleazione".
Dopo questa prima fase, la rottura sismica si propaga spontaneamente verso il lato destro dello schermo (a sud-est della mappa). Da quel momento in poi ciò che osserviamo è l'interazione tra i diversi difetti di questo sistema. Più specificamente, questa animazione mette in evidenza come la rete di faglie perpendicolari (note come faglie incrociate) implementata nel mezzo del dominio influenzi l'evoluzione di questo terremoto sintetico.
I due riquadri in alto rappresentano uno scenario diverso rispetto ai due riquadri in basso. La differenza tra i pannelli superiore e inferiore risiede nella tendenza delle faglie incrociate a partecipare al processo di rottura, che è significativamente maggiore nel secondo caso. Per tale motivo, nei pannelli inferiori, osserviamo una cascata di eventi di cross-faults che alla fine moduleranno la grandezza finale di questo specifico modello. Credito:Christodoulos Kyriakopoulos, UC Riverside.
"Circa un terzo delle simulazioni per questo lavoro è stato fatto su Stampede, nello specifico, le prime fasi dei lavori, " ha detto Kyriakopoulos. Devo sottolineare che questo lavoro è stato sviluppato negli ultimi tre anni, quindi è un progetto lungo. vorrei sottolineare, anche, come le prime simulazioni, ancora, la prototipazione dei modelli, sono molto importanti per un gruppo di scienziati che deve pianificare metodicamente il proprio tempo e i propri sforzi. Avere tempo a disposizione su Stampede è stato un punto di svolta per me e i miei colleghi, perché mi ha permesso di impostare le condizioni giuste per l'intero set di simulazioni. A tale, Vorrei aggiungere che Stampede e in generale XSEDE sono un ambiente molto amichevole e il partner giusto per calcoli su larga scala ed esperimenti scientifici avanzati".
Il loro team ha anche utilizzato brevemente il computer Comet di SDSC in questa ricerca, principalmente per test e prototipazione. "La mia esperienza complessiva, e per lo più basati su altri progetti, con SDSC è molto positivo. Sono molto soddisfatto dell'interazione con il team di supporto che è stato sempre molto veloce nel rispondere alle mie mail e richieste di aiuto. Questo è molto importante per un'indagine in corso, soprattutto nelle prime fasi in cui ti stai assicurando che i tuoi modelli funzionino correttamente. L'efficienza del team di supporto SDSC ha mantenuto il mio ottimismo molto alto e mi ha aiutato a pensare positivamente al futuro del mio progetto."
XSEDE ha avuto un grande impatto su questa ricerca sui terremoti. "Il supporto XSEDE mi ha aiutato a ottimizzare il mio lavoro computazionale e ad organizzare al meglio la pianificazione delle esecuzioni del mio computer. Un altro aspetto importante è la risoluzione dei problemi relativi allo scripting del lavoro e la selezione delle risorse appropriate (es. e numero di nodi). Sulla base della mia esperienza complessiva con XSEDE direi che ho risparmiato il 10-20% del tempo personale grazie al modo in cui è organizzato XSEDE, " Disse Kyriakopoulos.
"La mia partecipazione a XSEDE ha dato una spinta significativa alle mie attività di modellazione e mi ha permesso di esplorare meglio lo spazio dei parametri del mio problema. Mi sento sicuramente parte di una grande comunità che utilizza i supercomputer e ha un obiettivo comune, per portare avanti la scienza e produrre innovazione, " Disse Kyriakopoulos.
Guardando al più ampio contesto scientifico, Kyriakopoulos ha affermato che la loro ricerca ha contribuito a una migliore comprensione delle rotture multi-faglia, che potrebbe portare a una migliore valutazione della pericolosità sismica. "In altre parole, se sappiamo come interagiscono le faglie durante le rotture sismiche, possiamo essere meglio preparati per futuri grandi terremoti, in particolare, come diversi segmenti di faglia potrebbero interagire durante un terremoto per aumentare o interrompere grandi rotture, " Disse Kyriakopoulos.
Alcuni dei risultati di questa ricerca indicano la possibilità di un terremoto con più faglie nel sud della California, che potrebbe avere conseguenze disastrose. "Sotto l'attuale parametrizzazione e le ipotesi del modello attuale, abbiamo scoperto che una rottura sulla faglia meridionale di San Andreas potrebbe propagarsi a sud di Bombay Beach, che è considerata l'estremità meridionale della faglia meridionale di San Andreas. In questo caso, se una rottura si propaga effettivamente a sud di Bombay Beach, potrebbe plausibilmente recidere l'Interstate 8, che è considerata un'ancora di salvezza tra la California orientale e occidentale nel caso di un grande evento, " Disse Kyriakopoulos.
"Secondo, abbiamo scoperto che un terremoto di media entità che nuclea su una di queste faglie trasversali potrebbe effettivamente innescare un evento importante sulla faglia di San Andreas. Ma questa è solo una piccolissima parte di questo documento. Ed è in realtà l'argomento del nostro lavoro in corso e futuro, " Ha aggiunto.
"Questa ricerca ci ha fornito una nuova comprensione di un complesso insieme di faglie nella California meridionale che hanno il potenziale di avere un impatto sulla vita di milioni di persone negli Stati Uniti e in Messico. Approcci computazionali ambiziosi, come quelli intrapresi da questo gruppo di ricerca in collaborazione con XSEDE, rendere possibili modelli di terremoti basati sulla fisica più realistici", ha affermato Eva Zanzerkia, direttore del programma di scienze della terra della National Science Foundation.
Kyriakopoulos ha dichiarato:"Il nostro pianeta è un sistema fisico complesso. Senza il supporto di strutture di supercomputer, non saremmo in grado di rappresentare numericamente questa complessità e in particolare nel mio campo analizzare in profondità i processi geofisici dietro i terremoti."
