Mô phỏng 800.000 năm lịch sử động đất ở California để xác định rủi ro của chúng

May mắn thay, những trận động đất lớn là những sự kiện hiếm. Nhưng sự khan hiếm thông tin đó làm chúng ta mù quáng theo một số cách trước những rủi ro của chúng, đặc biệt là khi xác định rủi ro cho một vị trí hoặc cấu trúc cụ thể.

Kevin Milner, nhà khoa học máy tính và nhà nghiên cứu địa chấn học tại Trung tâm Động đất Nam California (SCEC) thuộc Đại học Nam California, giải thích: “Chúng tôi đã không quan sát được hầu hết các sự kiện có thể gây ra thiệt hại lớn. “Lấy Nam California làm ví dụ, chúng tôi đã không có một trận động đất thực sự lớn kể từ năm 1857 – đó là lần cuối cùng phía nam San Andreas xảy ra một trận động đất mạnh 7,9 độ richter. Một trận động đất ở San Andreas có thể ảnh hưởng đến một khu vực lớn hơn nhiều Trận động đất ở Northridge năm 1994 và các trận động đất lớn khác cũng có thể xảy ra. Đó là điều chúng tôi lo lắng. “

Cách truyền thống để giải quyết vấn đề thiếu dữ liệu này là đào các rãnh để tìm hiểu thêm về các vết nứt trong quá khứ, đối chiếu thông tin từ nhiều trận động đất trên khắp thế giới và tạo mô hình thống kê về mối nguy hiểm hoặc sử dụng siêu máy tính để mô phỏng một trận động đất cụ thể ở một địa điểm cụ thể với độ trung thực cao.

Tuy nhiên, một khuôn khổ mới để dự đoán khả năng xảy ra và tác động của động đất đối với toàn bộ khu vực, được phát triển bởi một nhóm các nhà nghiên cứu liên kết với SCEC trong thập kỷ qua, đã tìm thấy điểm trung bình và có lẽ là cách tốt hơn để xác định rủi ro.

Một nghiên cứu mới do Milner và Bruce Shaw thuộc Đại học Columbia dẫn đầu, được công bố trên Bản tin của Hiệp hội Địa chấn Hoa Kỳ ( Bulletin of the Seismological Society of America) vào tháng 1 năm 2021, trình bày kết quả từ một mô phỏng động đất Tỷ lệ-Trạng thái nguyên mẫu, hoặc RSQSim, mô phỏng hàng trăm nghìn năm địa chấn lịch sử ở California. Kết hợp với một mã khác, CyberShake, khuôn khổ có thể tính toán lượng rung lắc sẽ xảy ra cho mỗi trận động đất. Kết quả của họ so sánh tốt với các trận động đất lịch sử và kết quả của các phương pháp khác, đồng thời hiển thị phân phối thực tế của xác suất động đất.

Theo các nhà phát triển, cách tiếp cận mới cải thiện khả năng xác định mức độ lớn của một trận động đất có thể xảy ra ở một vị trí nhất định, cho phép các nhà phát triển mã xây dựng, kiến ​​trúc sư và kỹ sư kết cấu thiết kế các tòa nhà kiên cường hơn có thể sống sót sau động đất tại một địa điểm cụ thể.

Lần đầu tiên, chúng ta có một đường ống toàn bộ từ đầu đến cuối, nơi xảy ra động đất và mô phỏng chuyển động trên mặt đất dựa trên cơ sở vật lý. Nó có thể mô phỏng lên đến 100.000 năm trên một hệ thống lỗi thực sự phức tạp.

Áp dụng sức mạnh máy tính lớn cho các vấn đề lớn

RSQSim biến đổi các biểu diễn toán học của các lực địa vật lý trong các trận động đất – mô hình tiêu chuẩn về cách các hạt vỡ tạo thành và lan truyền – thành các thuật toán, rồi giải chúng trên một số siêu máy tính mạnh nhất trên hành tinh. Nghiên cứu chuyên sâu về tính toán đã được thực hiện trong vài năm bởi các siêu máy tính do chính phủ tài trợ tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Texas, bao gồm Frontera – hệ thống mạnh nhất tại bất kỳ trường đại học nào trên thế giới – Blue Waters tại Trung tâm Quốc gia về Ứng dụng Siêu máy tính và Summit tại Cơ sở Máy tính Lãnh đạo Oak Ridge.

Một cách mà chúng ta có thể làm tốt hơn trong việc dự đoán rủi ro là thông qua mô hình dựa trên vật lý, bằng cách khai thác sức mạnh của các hệ thống như Frontera để chạy mô phỏng. Thay vì phân bố thống kê theo kinh nghiệm, nhóm mô phỏng sự xuất hiện của các trận động đất và sự lan truyền của các sóng của nó.

Christine Goulet, Giám đốc Điều hành Khoa học Ứng dụng tại SCEC, cũng tham gia công việc cho biết: “Chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ ở Frontera trong việc xác định loại động đất nào chúng tôi có thể mong đợi, do lỗi nào và tần suất xảy ra”. “Chúng tôi không quy định hoặc nói với mã khi nào động đất sẽ xảy ra. Chúng tôi khởi chạy mô phỏng hàng trăm nghìn năm và chỉ để mã chuyển ứng suất từ ​​lỗi này sang lỗi khác.”

Các mô phỏng bắt đầu với địa hình địa chất của California và mô phỏng hơn 800.000 năm ảo cách ứng suất hình thành và tiêu tan khi các lực kiến ​​tạo tác động lên Trái đất. Từ những mô phỏng này, khung tạo ra một danh mục – một bản ghi rằng một trận động đất xảy ra tại một địa điểm nhất định với cường độ và thuộc tính nhất định tại một thời điểm nhất định. Goulet cho biết danh mục mà nhóm SCEC sản xuất trên Frontera và Blue Waters là một trong những danh mục lớn nhất từng được thực hiện. Đầu ra của RSQSim sau đó được đưa vào CyberShake, một lần nữa sử dụng các mô hình máy tính của địa vật lý để dự đoán mức độ rung lắc (về gia tốc mặt đất, hoặc vận tốc và thời gian) sẽ xảy ra do mỗi trận động đất.

Milner giải thích: “Khuôn khổ đưa ra một lịch sử thời gian trượt đầy đủ: nơi xảy ra sự cố và nó phát triển như thế nào”. “Chúng tôi nhận thấy nó tạo ra các chuyển động mặt đất thực tế, điều này cho chúng tôi biết rằng vật lý được thực hiện trong mô hình đang hoạt động như dự định.” Họ có kế hoạch nhiều công việc hơn để xác nhận kết quả, điều này rất quan trọng trước khi chấp nhận các ứng dụng thiết kế.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khung RSQSim tạo ra các trận động đất đa dạng, thay đổi về tổng thể – một dấu hiệu cho thấy nó đang tạo ra kết quả hợp lý – đồng thời tạo ra các hiệu ứng nguồn và đường lặp lại.

Đối với nhiều địa điểm, nguy cơ rung chuyển giảm xuống, so với các ước tính thực tế. Nhưng đối với một số địa điểm có cấu hình đặc biệt của các đứt gãy lân cận hoặc các đặc điểm địa chất địa phương, như gần San Bernardino, nguy cơ đã tăng lên. Nhóm nghiên cứu đang làm việc để hiểu rõ hơn về những kết quả này và xác định các phương pháp xác minh chúng.

Công trình đang giúp xác định xác suất một trận động đất xảy ra dọc theo bất kỳ lỗi nào trong số hàng trăm đứt gãy tạo ra động đất ở California, quy mô của trận động đất có thể xảy ra và cách nó có thể gây ra các trận động đất khác.

Hỗ trợ cho dự án đến từ Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và Quỹ WM Keck. Frontera là tài nguyên quốc gia cấp lãnh đạo của NSF. Thời gian tính toán trên Frontera đã được cung cấp thông qua giải thưởng Đối tác Cộng đồng Quy mô lớn (LSCP) cho SCEC, cho phép hàng trăm học giả Hoa Kỳ truy cập vào máy để nghiên cứu nhiều khía cạnh của khoa học động đất. Giải thưởng LSCP cung cấp phân bổ kéo dài lên đến ba năm để hỗ trợ các nỗ lực nghiên cứu lâu dài. SCEC – được thành lập vào năm 1991 và đã tính toán trên hệ thống TACC trong hơn một thập kỷ – là một ví dụ điển hình về nỗ lực như vậy.

Việc tạo ra danh mục yêu cầu tám ngày tính toán liên tục trên Frontera và sử dụng song song hơn 3.500 bộ vi xử lý. Việc mô phỏng mặt đất rung chuyển tại 10 địa điểm trên khắp California đã yêu cầu lượng máy tính tương đương trên Summit, siêu máy tính nhanh thứ hai trên thế giới.

Việc chấp nhận của cộng đồng rộng lớn hơn sẽ rất chậm. Bởi vì những kết quả như vậy sẽ ảnh hưởng đến sự an toàn, đó là một phần của sự cẩn trọng của các nhà khoa học để đảm bảo những kết quả này có thể được bảo vệ về mặt kỹ thuật bởi cộng đồng rộng lớn hơn. Nhưng các kết quả nghiên cứu như vậy rất quan trọng để vượt ra khỏi các quy tắc xây dựng tổng quát mà trong một số trường hợp có thể không đại diện đầy đủ cho rủi ro mà một khu vực phải đối mặt trong khi trong các trường hợp khác thì quá thận trọng.

Hy vọng rằng những loại mô hình này sẽ giúp chúng ta xác định rõ hơn về nguy cơ địa chấn, vì vậy nhóm đang dành nguồn lực của mình để xây dựng các tòa nhà kiên cố, an toàn, ở những nơi cần thiết nhất.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Austin, Texas . Bản gốc do Aaron Dubrow viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.

Tham khảo Tạp chí :

1. Kevin R. Milner, Bruce E. Shaw, Christine A. Goulet, Keith B. Richards-Dinger, Scott Callaghan, Thomas H. Jordan, James H. Dieterich, Edward H. Field. Hướng tới PSHA Nonergodic Dựa trên Vật lý: Một Mô hình Nguy hiểm Địa chấn Hoàn toàn Xác định Nguyên mẫu cho Nam California . Bản tin của Hiệp hội Địa chấn học Hoa Kỳ , 2021; DOI: 10.1785 / 0120200216