Mapa (painéis à esquerda) e 3D (painéis à direita) de simulações de terremoto de supercomputador na Brawley Sismic Zone, CA. A figura mostra como diferentes condições de tensão afetam a propagação da ruptura através da complexa rede de falhas. Os painéis superiores mostram um cenário de caso de alta tensão (levando a uma propagação de ruptura muito rápida, superior à velocidade da onda S) enquanto os painéis inferiores mostram uma simulação de caso de estresse médio. Crédito:Christodoulos Kyriakopoulos.
Alguns dos terremotos mais poderosos do mundo envolvem falhas múltiplas, e os cientistas estão usando supercomputadores para prever melhor seu comportamento. Terremotos de múltiplas falhas podem abranger sistemas de falhas de dezenas a centenas de quilômetros, com rupturas propagando-se de um segmento a outro. Durante a última década, os cientistas observaram vários casos desse tipo complicado de terremoto. Os principais exemplos incluem o terremoto de magnitude (abreviado M) 7.2 2010 Darfield na Nova Zelândia; o terremoto M7.2 El Mayor-Cucapah no México imediatamente ao sul da fronteira EUA-México; o terremoto de magnitude 8,6 no Oceano Índico em 2012; e talvez o mais complexo de todos, o terremoto M7.8 2015 Kaikoura na Nova Zelândia.
"As principais conclusões do nosso trabalho dizem respeito às interações dinâmicas de uma rede postulada de falhas na zona sísmica de Brawley no sul da Califórnia, "disse Christodoulos Kyriakopoulos, um Geofísico Pesquisador da Universidade da Califórnia, Riverside. Ele é o principal autor de um estudo publicado em abril de 2019 no Journal of Geophysical Research, Terra Sólida , publicado pela American Geophysical Union. "Usamos modelos de ruptura dinâmica baseados na física que nos permitem simular rupturas complexas de terremotos usando supercomputadores. Fomos capazes de executar dezenas de simulações numéricas, e documentamos um grande número de interações que analisamos usando software de visualização avançada, "Kyriakopoulos disse.
Um modelo de ruptura dinâmico é um modelo que permite aos cientistas estudar os processos físicos fundamentais que ocorrem durante um terremoto. Com este tipo de modelo, supercomputadores podem simular as interações entre diferentes falhas sísmicas. Por exemplo, os modelos permitem estudar como as ondas sísmicas viajam de uma falha para e influenciam a estabilidade de outra falha. Em geral, Kyriakopoulos disse que esses tipos de modelos são muito úteis para investigar grandes terremotos do passado, e talvez mais importante, possíveis cenários de terremotos do futuro.
O modelo numérico desenvolvido por Kyriakopoulos consiste em dois componentes principais. A primeira é uma malha de elementos finitos que implementa a complexa rede de falhas na zona sísmica de Brawley. "Podemos pensar nisso como um domínio discretizado, ou um mundo numérico discretizado que se torna a base para nossas simulações. O segundo componente é um código de ruptura dinâmica de elemento finito, conhecido como FaultMod (Barall et. al. 2009) que nos permite simular a evolução das rupturas de terremotos, ondas sísmicas, e movimento do solo com o tempo, "Kyriakopoulos disse." O que fazemos é criar terremotos no computador. Podemos estudar suas propriedades variando os parâmetros dos terremotos simulados. Basicamente, geramos um mundo virtual onde criamos diferentes tipos de terremotos. Isso nos ajuda a entender como os terremotos no mundo real estão acontecendo. "
"O modelo nos ajuda a entender como as falhas interagem durante a ruptura do terremoto, "ele continuou." Suponha que um terremoto comece no ponto A e viaje em direção ao ponto B. No ponto B, a falha do terremoto se bifurca, ou se divide em duas partes. Quão fácil seria para a ruptura, por exemplo, viajar em ambos os segmentos da bifurcação, versus pegar apenas um galho ou outro? Os modelos de ruptura dinâmica nos ajudam a responder a essas perguntas usando leis físicas básicas e suposições realistas. "
Modelar terremotos realistas em um computador não é fácil. Kyriakopoulos e seus colaboradores enfrentaram três desafios principais. “O primeiro desafio foi a implementação dessas falhas no domínio dos elementos finitos, no modelo numérico. Em particular, este sistema de falhas consiste em uma rede interconectada de segmentos maiores e menores que se cruzam em ângulos diferentes. É um problema muito complicado, "Kyriakopoulos disse.
O segundo desafio era rodar dezenas de grandes simulações computacionais. “Tivemos que investigar, tanto quanto possível, uma grande parte do espaço de parâmetros. As simulações incluíram a prototipagem e as rodadas preliminares para os modelos. O supercomputador Stampede da TACC foi nosso forte parceiro nesta primeira e fundamental etapa de nosso trabalho, porque me deu a possibilidade de executar todos esses modelos iniciais que me ajudaram a definir meu caminho para as próximas simulações. "O terceiro desafio foi usar ferramentas ideais para visualizar adequadamente os resultados da simulação 3-D, que, em sua forma bruta, consistem simplesmente em enormes matrizes de números. Kyriakopoulos fez isso gerando simulações fotorrealísticas de ruptura usando o software gratuito ParaView (paraview.org).
Para superar esses desafios, Kyriakopoulos e colegas usaram os recursos do XSEDE, o Extreme Science and Engineering Environment financiado pela NSF. Eles usaram os computadores Stampede no Texas Advanced Computing Center; e Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC). A pesquisa relacionada de Kyriakopoulos inclui alocações XSEDE do sistema Stampede2 da TACC.
Este vídeo mostra uma simulação de um modelo de ruptura dinâmica. O modelo é baseado em uma rede postulada de falhas na área do Mar de Salton, Sul da Califórnia. O hipocentro deste evento sintético está localizado a aproximadamente 30 km ao norte da praia de Bombaim.
Os primeiros segundos desta simulação mostram a fase inicial do terremoto, também conhecida como "fase de nucleação".
Após esta fase inicial, a ruptura do terremoto se propaga espontaneamente para o lado direito da tela (sudeste no mapa). A partir daí o que observamos é a interação entre as diferentes falhas deste sistema. Mais especificamente, esta animação destaca como a rede de falhas perpendiculares (conhecidas como falhas cruzadas) implementadas no meio do domínio afetam a evolução deste terremoto sintético.
Os dois painéis superiores representam um cenário diferente dos dois painéis inferiores. A diferença entre os painéis superior e inferior está na tendência das falhas cruzadas de participarem do processo de ruptura, que é significativamente maior no segundo caso. Por essa razão, nos painéis inferiores, observamos uma cascata de eventos de falhas cruzadas que no final irão modular a magnitude final deste modelo específico. Crédito:Christodoulos Kyriakopoulos, UC Riverside.
"Aproximadamente um terço das simulações para este trabalho foram feitas em Stampede, especificamente, os primeiros estágios do trabalho, “Disse Kyriakopoulos. Devo destacar que esse trabalho foi desenvolvido nos últimos três anos, então é um projeto longo. Eu gostaria de enfatizar, tb, como as primeiras simulações, novamente, a prototipagem dos modelos, são muito importantes para um grupo de cientistas que deve planejar metodicamente seu tempo e esforço. Ter tempo disponível no Stampede foi uma virada de jogo para mim e meus colegas, porque me permitiu definir as condições certas para todo o conjunto de simulações. Para isso, Gostaria de acrescentar que Stampede e em geral XSEDE é um ambiente muito amigável e o parceiro certo para cálculos em grande escala e experimentos científicos avançados. "
Sua equipe também usou brevemente o computador Comet do SDSC nesta pesquisa, principalmente para testes e prototipagem. "Minha experiência geral, e principalmente com base em outros projetos, com SDSC é muito positivo. Estou muito satisfeito com a interação com a equipe de suporte que sempre foi muito rápida em responder meus e-mails e pedidos de ajuda. Isso é muito importante para uma investigação em andamento, especialmente nos primeiros estágios, quando você está garantindo que seus modelos funcionem corretamente. A eficiência da equipe de suporte do SDSC manteve meu otimismo muito alto e me ajudou a pensar positivamente para o futuro do meu projeto. "
O XSEDE teve um grande impacto na pesquisa desse terremoto. “O suporte XSEDE me ajudou a otimizar meu trabalho computacional e organizar melhor o agendamento das execuções do meu computador. Outro aspecto importante é a resolução de problemas relacionados ao script de trabalho e seleção dos recursos adequados (por exemplo, quantidade de RAM, e número de nós). Com base na minha experiência geral com o XSEDE, eu diria que economizei de 10 a 20% do meu tempo pessoal por causa da forma como o XSEDE é organizado, "Kyriakopoulos disse.
"Minha participação no XSEDE deu um impulso significativo em minhas atividades de modelagem e me permitiu explorar melhor o espaço de parâmetros do meu problema. Definitivamente, me sinto parte de uma grande comunidade que usa supercomputadores e tem um objetivo comum, para impulsionar a ciência e produzir inovação, "Kyriakopoulos disse.
Olhando para o contexto científico mais amplo, Kyriakopoulos disse que sua pesquisa contribuiu para uma melhor compreensão das rupturas multifalhas, o que poderia levar a melhores avaliações do risco de terremoto. "Em outras palavras, se sabemos como as falhas interagem durante as rupturas do terremoto, podemos estar melhor preparados para futuros grandes terremotos - em particular, como vários segmentos de falha podem interagir durante um terremoto para aumentar ou interromper grandes rupturas, "Kyriakopoulos disse.
Alguns dos resultados desta pesquisa apontam para a possibilidade de um terremoto de múltiplas falhas no sul da Califórnia, o que poderia ter consequências terríveis. "De acordo com a parametrização atual e as premissas do modelo atual, descobrimos que uma ruptura na falha do sul de San Andreas poderia se propagar ao sul da Praia de Bombaim, que é considerada a extremidade sul da falha de San Andreas no sul. Nesse caso, se uma ruptura realmente se propagar ao sul da Praia de Bombaim, poderia possivelmente separar a Interestadual 8, que é considerada uma tábua de salvação entre o leste e o oeste da Califórnia no caso de um grande evento, "Kyriakopoulos disse.
"Segundo, descobrimos que a nucleação de um terremoto de tamanho médio em uma dessas falhas cruzadas poderia realmente desencadear um grande evento na falha de San Andreas. Mas esta é apenas uma pequena parte deste artigo. E é na verdade o tópico de nosso trabalho contínuo e futuro, " ele adicionou.
"Esta pesquisa nos forneceu uma nova compreensão de um conjunto complexo de falhas no sul da Califórnia que têm o potencial de impactar a vida de milhões de pessoas nos Estados Unidos e no México. Abordagens computacionais ambiciosas, como os realizados por esta equipe de pesquisa em colaboração com XSEDE, tornar possíveis modelos de terremoto baseados na física mais realistas ", disse a diretora do Programa de Ciências da Terra da Fundação Nacional de Ciências, Eva Zanzerkia.
Disse Kyriakopoulos:"Nosso planeta é um sistema físico complexo. Sem o suporte de instalações de supercomputadores, não seríamos capazes de representar numericamente essa complexidade e, especificamente, em meu campo analisar em profundidade os processos geofísicos por trás dos terremotos. "
