Algunos de los terremotos más poderosos del mundo involucran fallas múltiples, y los científicos están usando 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 a otro.En la última década, los científicos han observado varios casos de este tipo de terremoto complicado. Entre los principales ejemplos se incluyen la magnitud abreviado M 7.2 Terremoto de Darfield 2010 en Nueva Zelanda; el M7.2 El Mayor - Terremoto de Cucapah en México, inmediatamente al sur de los Estados Unidos-Frontera de México; el terremoto del Océano Índico de magnitud 8.6 de 2012; y quizás el más complejo de todos, el terremoto de Kaikoura M7.8 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, Geofísico de Investigación en la Universidad de California, Riverside. Es el autor principal de unestudio publicado en abril de 2019 en el Revista de Investigación Geofísica, Tierra Sólida publicado por la American Geophysical Union. "Utilizamos modelos de ruptura dinámica basados en la física que nos permiten simular rupturas de terremotos complejas utilizando supercomputadoras. Pudimos ejecutar docenas de simulaciones numéricas y documentamos una gran cantidad de interacciones que analizamosusando software de visualización avanzado ", dijo Kyriakopoulos.
Un modelo de ruptura dinámica 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 cómolas ondas sísmicas viajan de una falla e influyen en la estabilidad de otra falla. 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 de terremotos 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 enla 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, las ondas sísmicas y el movimiento del suelo con el tiempo ", Kyriakopoulos"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 entender cómo los terremotos en elel mundo real está sucediendo "
"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 para la ruptura, por ejemplo, viajar en ambos segmentos de la bifurcación, en lugar de tomar solo una rama u otra? Los modelos de ruptura dinámica nos ayudan a responder tales preguntas usando 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 fallasconsiste 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 simulaciones computacionales grandes. "Tuvimos que investigar la mayor parte posible del espacio de parámetros. Las simulaciones incluyeron la creación de prototipos y las ejecuciones preliminares para los modelos. La supercomputadora Stampede en TACC fuenuestro 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 adecuadamente los 3-D resultados de simulación, que en su forma cruda consisten simplemente en enormes conjuntos de números. Kyriakopoulos lo hizo al generar simulaciones de ruptura fotorrealistas usando el software ParaView disponible gratuitamente.
Para superar estos desafíos, Kyriakopoulos y sus colegas utilizaron los recursos de XSEDE, el Medio Ambiente Extremo de Ciencia e Ingeniería financiado por NSF. Usaron las computadoras Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas; y Comet en el Centro de Supercomputadoras de San Diego SDSC.La investigación relacionada con Kyriakopoulos incluye asignaciones XSEDE del sistema Stampede2 de TACC.
"Aproximadamente un tercio de las simulaciones para este trabajo se realizaron en Stampede, específicamente, las primeras etapas del trabajo", dijo Kyriakopoulos. Tendría que señalar que este trabajo se desarrolló en los últimos tres años, por lo que esun proyecto largo. Me gustaría enfatizar, también, cómo las primeras simulaciones, nuevamente, 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 uncambio de juego para mí y mis colegas, porque me permitió establecer las condiciones adecuadas para todo el conjunto de simulaciones. A eso, me gustaría agregar que Stampede y, en general, XSEDE es un entorno muy amigable y el socio adecuado para tenerpara cálculos a gran escala y experimentos científicos avanzados "
Su equipo también usó brevemente la computadora Comet of SDSC en esta investigación, principalmente para pruebas y prototipos. "Mi experiencia general, y principalmente basada en otros proyectos, con SDSC es muy positiva. Estoy muy satisfecho con la interacción conel 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 mantuvomi optimismo fue muy alto y me ayudó a pensar positivamente para el futuro de mi proyecto "
XSEDE tuvo un gran impacto en esta investigación sobre terremotos ". El soporte de XSEDE me ayudó a optimizar mi trabajo computacional y 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 apropiadospor 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 se organiza 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 yproducir innovación ", dijo Kyriakopoulos.
Al observar 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 el terremotorupturas, podemos estar mejor preparados para futuros terremotos grandes, en particular, cómo varios segmentos de falla podrían interactuar durante un terremoto para mejorar o interrumpir rupturas mayores ", dijo Kyriakopoulos.
Algunos de los resultados de esta investigación apuntan a la posibilidad de un terremoto de fallas múltiples en el sur de California, que podría tener consecuencias nefastas. "Bajo la parametrización actual y los supuestos del modelo actual, encontramos que una ruptura en el sur de San Andreasla falla podría propagarse al sur de Bombay Beach, que se considera el extremo sur de la falla sur de San Andreas. En este caso, si una ruptura realmente se propaga al sur de Bombay Beach, posiblemente podría cortar la Interestatal 8, que se considera unasalvavidas entre el este y el oeste de California en el caso de un gran evento ", dijo Kyriakopoulos.
"En segundo lugar, encontramos que un terremoto de tamaño mediano que se nuclea en una de estas fallas cruzadas en realidad podría desencadenar un evento importante en la falla de San Andreas. Pero esta es solo una parte muy pequeña en este documento. Y en realidad es el tema denuestro trabajo en curso y futuro ", agregó.
"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 las vidas de millones de personas en los Estados Unidos y México. Enfoques computacionales ambiciosos, como los emprendidos por esteEl equipo de investigación en colaboración con XSEDE, hace posible modelos de terremotos más realistas basados en la física ", dijo Eva Zanzerkia, directora del Programa de Ciencias de la Tierra de la Fundación Nacional de Ciencias.
Dijo Kyriakopoulos: "Nuestro planeta es un sistema físico complejo. Sin el apoyo de las instalaciones de la supercomputadora, no podríamos representar numéricamente esta complejidad y específicamente en mi campo analizar en profundidad los procesos geofísicos detrás de los terremotos".
Stampede, Stampede2, Comet y el programa Extended Collaborative Support Services son recursos asignados del Extreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE financiado por la National Science Foundation NSF.
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Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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