多断层动态破裂过程建模和数值模拟

2019-09-17
地球所

  一次地震导致多断层破裂的例子越来越多。这些多断层地震跨越数十至数百公里的断层系统,同时,破裂会从一个区段传到另一个区段。在过去的十年中,科学家们观察到了几次这种复杂地震,如2010年新西兰Darfield 7.2级地震及墨西哥El Mayor-Cucapah 7.2级地震,2012年印度洋8.6级地震,2015年新西兰Kaikoura 7.8级地震。而我们对破裂如何能从一个区段传到另一个区段即震级增大的动态过程知之甚少,对不同断层间的震时的相互作用更是知之甚少,对多断层破裂引发的地震灾害、对一个小分支断裂上的小地震后是否导致多断层破裂,引发强烈地震的过程几乎毫无所知。 2019年4月,加州大学河滨分校的研究人员在《地球物理学研究:固体地球》(Journal of Geophysical Research: Solid Earth)上发表文章,介绍了他们的主要发现——涉及南加州布劳利(Brawley)地震带假定断层网络的动态相互作用。该研究的主要作者、加州大学河滨分校的地球物理学家Christodoulos Kyriakopoulos表示,基于物理的动态破裂模型,使其能够使用超级计算机模拟复杂的地震破裂。在具体研究过程中,研究者运行了数十个数值模拟,并记录了其使用高级可视化软件分析的大量交互。 动态破裂模型可以让科学家研究地震中发生的基本物理过程。通过这种类型的模型,超级计算机可以模拟不同地震断层之间的相互作用。例如,这些模型可以研究地震波如何从一个断层传播到另一个断层,以及另一个断层的稳定性。Kyriakopoulos表示,一般情况下,这一类型的模型对于分析过去的大地震非常有用,但可能更重要的是,其可以帮助预测未来的地震情景。 Kyriakopoulos开发的数值模型由两个主要部分组成。首先是有限元网格,再现了布劳利地震带中的复杂断层网络。第二个组成部分是一个有限元动态破裂代码,称为FaultMod,其允许研究者模拟地震破裂、地震波和地面运动随时间的演变。Kyriakopoulos称,他们所做的是在计算机中创建地震——通过改变模拟地震的参数来研究它们的属性。基本上,研究者创造了一个虚拟世界,在那里他们创造了不同类型的地震,帮助人类了解现实世界中正在发生的地震。

  利用超级计算机预测世界上最大的多断层地震

  为了克服模拟过程中的相关挑战,研究者使用了XSEDE——美国国家科学基金会(NSF)资助的极限科学与工程发现环境(Extreme ScienceEngineering Discovery Environment)。他们在德克萨斯高级计算中心使用了超级计算机Stampede,在圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)使用了超级计算机Comet。同时,相关研究还涉及XSEDE的Stampede2系统。 Kyriakopoulos称,这项研究有助于更好地了解多断层破裂,从而更好地评估地震灾害。该研究的一些结果表明,南加州可能发生多断层地震,而这可能产生可怕后果。其次,研究发现,在其中一个交叉断层上正在成核的中等地震可能引发圣安德烈斯断层上的重大地震事件。

  资料来源:Kyriakopoulos C, Oglesby D D, Rockwell T K, et al. Dynamic rupture scenarios in the Brawley Seismic Zone, Salton Trough, southern California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019.

  信息访问:https://www.tacc.utexas.edu/-/supercomputing-dynamic-earthquake-rupture-models