Vista de mapa (paneles de la izquierda) y 3D (paneles de la derecha) de simulaciones de terremotos por supercomputadora en la Zona Sísmica de Brawley, CALIFORNIA. La figura muestra cómo las diferentes condiciones de tensión afectan la propagación de la ruptura a través de la compleja red de fallas. Los paneles superiores muestran un escenario de caso de alta tensión (que conduce a una propagación de ruptura muy rápida, mayor que la velocidad de la onda S) mientras que los paneles inferiores muestran una simulación de caso de tensión media. Crédito:Christodoulos Kyriakopoulos.
Algunos de los terremotos más poderosos del mundo involucran múltiples fallas, y los científicos están utilizando supercomputadoras para predecir mejor su comportamiento. Los terremotos de fallas múltiples pueden abarcar sistemas de fallas de decenas a cientos de kilómetros, con rupturas que se propagan de un segmento al otro. Durante la última década, Los científicos han observado varios casos de este complicado tipo de terremoto. Los ejemplos principales incluyen la magnitud (abreviado M) 7.2 2010 del terremoto de Darfield en Nueva Zelanda; el terremoto M7.2 El Mayor-Cucapah en México inmediatamente al sur de la frontera entre Estados Unidos y México; el terremoto de magnitud 8,6 en el Océano Índico de 2012; y quizás el más complejo de todos, el terremoto de Kaikoura M7.8 de 2015 en Nueva Zelanda.
"Los principales hallazgos de nuestro trabajo se refieren a las interacciones dinámicas de una red postulada de fallas en la zona sísmica de Brawley en el sur de California, "dijo Christodoulos Kyriakopoulos, un geofísico investigador de la Universidad de California, Orilla. Es el autor principal de un estudio publicado en abril de 2019 en la Revista de investigación geofísica, Tierra solida , publicado por la American Geophysical Union. "Usamos modelos de ruptura dinámicos basados en la física que nos permiten simular rupturas complejas de terremotos usando supercomputadoras. Pudimos ejecutar docenas de simulaciones numéricas, y documentamos una gran cantidad de interacciones que analizamos mediante un software de visualización avanzado, "Dijo Kyriakopoulos.
Un modelo dinámico de ruptura es un modelo que permite a los científicos estudiar los procesos físicos fundamentales que tienen lugar durante un terremoto. Con este tipo de modelo, Las supercomputadoras pueden simular las interacciones entre diferentes fallas sísmicas. Por ejemplo, los modelos permiten estudiar cómo las ondas sísmicas viajan desde una falla hacia la estabilidad de otra falla e influyen en ella. En general, Kyriakopoulos dijo que este tipo de modelos son muy útiles para investigar grandes terremotos del pasado, y quizás lo más importante, posibles escenarios sísmicos del futuro.
El modelo numérico desarrollado por Kyriakopoulos consta de dos componentes principales. Primero es una malla de elementos finitos que implementa la compleja red de fallas en la zona sísmica de Brawley. "Podemos pensar en eso como un dominio discretizado, o un mundo numérico discretizado que se convierte en la base de nuestras simulaciones. El segundo componente es un código de ruptura dinámica de elementos finitos, conocido como FaultMod (Barall et. al. 2009) que nos permite simular la evolución de las rupturas sísmicas, ondas sísmicas, y movimiento del suelo con el tiempo, "Kyriakopoulos dijo." Lo que hacemos es crear terremotos en la computadora. Podemos estudiar sus propiedades variando los parámetros de los terremotos simulados. Básicamente, generamos un mundo virtual donde creamos diferentes tipos de terremotos. Eso nos ayuda a comprender cómo están ocurriendo los terremotos en el mundo real ".
"El modelo nos ayuda a comprender cómo interactúan las fallas durante la ruptura del terremoto, ", continuó." Suponga que un terremoto comienza en el punto A y viaja hacia el punto B. En el punto B, la falla del terremoto se bifurca, o se divide en dos partes. Qué fácil sería la ruptura por ejemplo, para viajar en ambos segmentos de la bifurcación, versus tomar solo una rama u otra? Los modelos dinámicos de ruptura nos ayudan a responder a estas preguntas utilizando leyes físicas básicas y suposiciones realistas ".
Modelar terremotos realistas en una computadora no es fácil. Kyriakopoulos y sus colaboradores enfrentaron tres desafíos principales. "El primer desafío fue la implementación de estas fallas en el dominio de elementos finitos, en el modelo numérico. En particular, este sistema de fallas consiste en una red interconectada de segmentos más grandes y más pequeños que se cruzan entre sí en diferentes ángulos. Es un problema muy complicado "Dijo Kyriakopoulos.
El segundo desafío fue ejecutar docenas de grandes simulaciones computacionales. "Tuvimos que investigar tanto como fuera posible una gran parte del espacio de parámetros. Las simulaciones incluyeron la creación de prototipos y las ejecuciones preliminares de los modelos. La supercomputadora Stampede en TACC fue nuestro socio fuerte en esta primera y fundamental etapa de nuestro trabajo, porque me dio la posibilidad de ejecutar todos estos modelos iniciales que me ayudaron a establecer mi camino para las próximas simulaciones ". El tercer desafío fue utilizar herramientas óptimas para visualizar correctamente los resultados de la simulación 3D, que en su forma bruta consisten simplemente en enormes conjuntos de números. Kyriakopoulos hizo eso generando simulaciones de ruptura fotorrealistas utilizando el software de libre acceso ParaView (paraview.org).
Para superar estos desafíos, Kyriakopoulos y sus colegas utilizaron los recursos de XSEDE, el entorno de ciencia e ingeniería extrema financiado por la NSF. Usaron las computadoras Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas; y Comet en el San Diego Supercomputer Center (SDSC). La investigación relacionada de Kyriakopoulos incluye asignaciones XSEDE al sistema Stampede2 de TACC.
Este video muestra una simulación de un modelo dinámico de ruptura. El modelo se basa en una red postulada de fallas en el área del Mar de Salton, Sureste de california. El hipocentro de este evento sintético se encuentra aproximadamente a 30 km al norte de la playa de Bombay.
Los primeros segundos de esta simulación muestran la fase de inicio del terremoto, también conocida como la "fase de nucleación".
Después de esta fase inicial, la ruptura del terremoto se propaga espontáneamente hacia el lado derecho de la pantalla (sureste en el mapa). A partir de ese momento lo que observamos es la interacción entre diferentes fallas en este sistema. Más específicamente, esta animación destaca cómo la red de fallas perpendiculares (conocidas como fallas cruzadas) implementadas en el medio del dominio afectan la evolución de este terremoto sintético.
Los dos paneles superiores representan un escenario diferente al de los dos paneles inferiores. La diferencia entre los paneles superior e inferior radica en la tendencia de las fallas cruzadas a participar en el proceso de ruptura, que es significativamente mayor en el segundo caso. Por esta razón, en los paneles inferiores, observamos una cascada de eventos de fallas cruzadas que al final modularán la magnitud final de este modelo específico. Crédito:Christodoulos Kyriakopoulos, UC Riverside.
"Aproximadamente un tercio de las simulaciones para este trabajo se realizaron en Stampede, específicamente, las primeras etapas del trabajo, Kyriakopoulos dijo. Debo señalar que este trabajo se desarrolló durante los últimos tres años, entonces es un proyecto largo. Me gustaria enfatizar, además, como las primeras simulaciones, de nuevo, la creación de prototipos de los modelos, son muy importantes para un grupo de científicos que tienen que planificar metódicamente su tiempo y esfuerzo. Tener tiempo disponible en Stampede fue un cambio de juego para mí y mis colegas, porque me permitió establecer las condiciones adecuadas para todo el conjunto de simulaciones. A ese, Me gustaría agregar que Stampede y, en general, XSEDE es un entorno muy amigable y el socio adecuado para realizar cálculos a gran escala y experimentos científicos avanzados ".
Su equipo también utilizó brevemente la computadora Comet de SDSC en esta investigación, principalmente para pruebas y creación de prototipos. "Mi experiencia general, y sobre todo basado en otros proyectos, con SDSC es muy positivo. Estoy muy satisfecho de la interacción con el equipo de soporte que siempre fue muy rápido en responder mis correos electrónicos y solicitudes de ayuda. Esto es muy importante para una investigación en curso, especialmente en las primeras etapas en las que se asegura de que sus modelos funcionen correctamente. La eficiencia del equipo de soporte de SDSC mantuvo mi optimismo muy alto y me ayudó a pensar positivamente para el futuro de mi proyecto ".
XSEDE tuvo un gran impacto en esta investigación de terremotos. "El soporte XSEDE me ayudó a optimizar mi trabajo computacional y a organizar mejor la programación de las ejecuciones de mi computadora. Otro aspecto importante es la resolución de problemas relacionados con la secuencia de comandos del trabajo y la selección de los recursos adecuados (por ejemplo, cantidad de RAM, y número de nodos). Según mi experiencia general con XSEDE, diría que ahorré entre un 10 y un 20% de tiempo personal debido a la forma en que está organizado XSEDE, "Dijo Kyriakopoulos.
"Mi participación en XSEDE dio un impulso significativo en mis actividades de modelado y me permitió explorar mejor el espacio de parámetros de mi problema. Definitivamente me siento parte de una gran comunidad que usa supercomputadoras y tiene un objetivo común, impulsar la ciencia y producir innovación, "Dijo Kyriakopoulos.
Mirando el contexto científico más amplio, Kyriakopoulos dijo que su investigación ha contribuido a una mejor comprensión de las rupturas de fallas múltiples, lo que podría conducir a mejores evaluaciones del peligro de terremoto. "En otras palabras, si sabemos cómo interactúan las fallas durante las rupturas sísmicas, podemos estar mejor preparados para futuros grandes terremotos, en particular, cómo varios segmentos de falla podrían interactuar durante un terremoto para mejorar o interrumpir rupturas importantes, "Dijo Kyriakopoulos.
Algunos de los resultados de esta investigación apuntan a la posibilidad de un terremoto de fallas múltiples en el sur de California, lo que podría tener consecuencias nefastas. "Según la parametrización actual y los supuestos del modelo actual, Descubrimos que una ruptura en la falla sur de San Andrés podría propagarse al sur de Bombay Beach, que se considera el extremo sur de la falla sur de San Andrés. En este caso, si una ruptura se propaga al sur de Bombay Beach, posiblemente podría cortar la Interestatal 8, que se considera una línea de vida entre el este y el oeste de California en el caso de un gran evento, "Dijo Kyriakopoulos.
"Segundo, Descubrimos que un terremoto de tamaño mediano que se nucleara en una de estas fallas cruzadas podría desencadenar un evento importante en la falla de San Andrés. Pero esto es solo una parte muy pequeña de este artículo. Y en realidad es el tema de nuestro trabajo actual y futuro, "añadió.
"Esta investigación nos ha proporcionado una nueva comprensión de un conjunto complejo de fallas en el sur de California que tienen el potencial de impactar la vida de millones de personas en los Estados Unidos y México. Enfoques computacionales ambiciosos, como las realizadas por este equipo de investigación en colaboración con XSEDE, hacer posibles modelos de terremotos basados en la física más realistas ", dijo la directora del Programa de Ciencias de la Tierra de la Fundación Nacional de Ciencias, Eva Zanzerkia.
Kyriakopoulos dijo:"Nuestro planeta es un sistema físico complejo. Sin el apoyo de las instalaciones de supercomputadoras, no seríamos capaces de representar numéricamente esta complejidad y específicamente en mi campo analizar en profundidad los procesos geofísicos detrás de los terremotos ".
