Grandes terremotos são, Felizmente, eventos raros. Mas essa escassez de informações nos cega de algumas maneiras para seus riscos, especialmente quando se trata de determinar o risco para um local ou estrutura específica.

"Não observamos a maioria dos eventos possíveis que podem causar grandes danos, "explicou Kevin Milner, um cientista da computação e pesquisador de sismologia do Southern California Earthquake Center (SCEC) da University of Southern California. "Usando o sul da Califórnia como exemplo, não tivemos um terremoto realmente grande desde 1857 - foi a última vez que o sul de San Andreas explodiu em um terremoto de magnitude 7,9. Um terremoto de San Andreas poderia impactar uma área muito maior do que o terremoto Northridge de 1994, e outros grandes terremotos também podem ocorrer. É com isso que estamos preocupados. "

A maneira tradicional de contornar essa falta de dados envolve cavar trincheiras para aprender mais sobre rupturas anteriores, reunir informações de muitos terremotos em todo o mundo e criar um modelo estatístico de perigo, ou usando supercomputadores para simular um terremoto específico em um local específico com um alto grau de fidelidade.

Contudo, uma nova estrutura para prever a probabilidade e o impacto de terremotos em uma região inteira, desenvolvido por uma equipe de pesquisadores associados ao SCEC na última década, encontrou um meio-termo e talvez a melhor maneira de determinar o risco.

Um novo estudo liderado por Milner e Bruce Shaw da Universidade de Columbia, publicado no Boletim da Sociedade Sismológica da América em janeiro de 2021, apresenta os resultados de um protótipo de simulador de terremoto Rate-State, ou RSQSim, que simula centenas de milhares de anos de história sísmica na Califórnia. Juntamente com outro código, CyberShake, a estrutura pode calcular a quantidade de tremor que ocorreria para cada terremoto. Seus resultados se comparam bem com terremotos históricos e os resultados de outros métodos, e exibir uma distribuição realista das probabilidades de terremotos.

De acordo com os desenvolvedores, a nova abordagem melhora a capacidade de identificar o quão grande um terremoto pode ocorrer em um determinado local, permitindo a construção de desenvolvedores de código, arquitetos, e engenheiros estruturais para projetar edifícios mais resistentes que possam sobreviver a terremotos em um local específico.

"Pela primeira vez, temos todo um pipeline do início ao fim, onde a ocorrência de terremotos e a simulação de movimento do solo são baseadas na física, "Milner disse." Pode simular até 100, 000s de anos em um sistema de falhas realmente complicado. "

Aplicando o poder maciço do computador a grandes problemas

RSQSim transforma representações matemáticas das forças geofísicas em jogo em terremotos - o modelo padrão de como as rupturas se nucleadas e se propagam - em algoritmos, e então os resolve em alguns dos supercomputadores mais poderosos do planeta. A pesquisa intensiva em computação foi habilitada ao longo de vários anos por supercomputadores patrocinados pelo governo no Texas Advanced Computing Center, incluindo Frontera - o sistema mais poderoso em qualquer universidade do mundo - Blue Waters no National Center for Supercomputing Applications, e Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"Uma maneira de fazer melhor na previsão de riscos é por meio de modelagem baseada na física, aproveitando o poder de sistemas como o Frontera para executar simulações, "disse Milner." Em vez de uma distribuição estatística empírica, simulamos a ocorrência de terremotos e a propagação de suas ondas. "

"Fizemos muitos progressos em Frontera na determinação do tipo de terremotos que podemos esperar, em qual falha, e com que frequência, "disse Christine Goulet, Diretor Executivo de Ciências Aplicadas do SCEC, também envolvidos no trabalho. "Não prescrevemos ou informamos o código quando os terremotos vão acontecer. Lançamos uma simulação de centenas de milhares de anos, e apenas deixe o código transferir o estresse de uma falha para outra. "

As simulações começaram com a topografia geológica da Califórnia e simularam mais de 800, 000 anos virtuais como as tensões se formam e se dissipam à medida que as forças tectônicas atuam na Terra. A partir dessas simulações, a estrutura gerou um catálogo - um registro de que um terremoto ocorreu em um determinado lugar com uma certa magnitude e atributos em um determinado momento. O catálogo que a equipe SCEC produziu em Frontera e Blue Waters estava entre os maiores já feitos, Disse Goulet. As saídas do RSQSim foram então alimentadas no CyberShake, que mais uma vez usou modelos computacionais de geofísica para prever quanto tremor (em termos de aceleração do solo, ou velocidade, e duração) ocorreria como resultado de cada terremoto.

"A estrutura produz um histórico completo de deslizamento:onde ocorre uma ruptura e como ela cresceu, "Milner explicou." Descobrimos que produz movimentos de solo realistas, o que nos diz que a física implementada no modelo está funcionando conforme o esperado. “Eles têm mais trabalhos planejados para validação dos resultados, o que é crítico antes da aceitação para aplicativos de design.

Os pesquisadores descobriram que o framework RSQSim produz uma rica, terremotos variáveis ​​em geral - um sinal de que está produzindo resultados razoáveis ​​- ao mesmo tempo em que geram efeitos de fonte e caminho repetíveis.

"Para muitos sites, o perigo de tremor diminui, em relação às estimativas do estado da prática ", disse Milner." Mas, para alguns locais que têm configurações especiais de falhas próximas ou características geológicas locais, como perto de San Bernardino, o perigo aumentou. Estamos trabalhando para entender melhor esses resultados e definir abordagens para verificá-los. "

O trabalho está ajudando a determinar a probabilidade de um terremoto ocorrer ao longo de qualquer uma das centenas de falhas produtoras de terremotos da Califórnia, a escala do terremoto que poderia ser esperado, e como isso pode desencadear outros terremotos.

O apoio ao projeto vem do U.S. Geological Survey (USGS), National Science Foundation (NSF), e o W.M. Fundação Keck. Frontera é o recurso nacional de classe de liderança da NSF. O tempo de computação em Frontera foi fornecido por meio de um prêmio de Parceria de Comunidade em Grande Escala (LSCP) para o SCEC, que permite que centenas de acadêmicos dos EUA tenham acesso à máquina para estudar muitos aspectos da ciência dos terremotos. Os prêmios LSCP fornecem alocações estendidas de até três anos para apoiar esforços de pesquisa de longa duração. SCEC - que foi fundado em 1991 e tem computado em sistemas TACC por mais de uma década - é um exemplo importante de tal esforço.

A criação do catálogo exigiu oito dias de computação contínua no Frontera e usou mais de 3, 500 processadores em paralelo. Simular o tremor do solo em 10 locais na Califórnia exigiu uma quantidade comparável de computação na Summit, o segundo supercomputador mais rápido do mundo.

"A adoção pela comunidade em geral será compreensivelmente lenta, "disse Milner." Porque tais resultados afetarão a segurança, faz parte da nossa diligência para garantir que esses resultados sejam tecnicamente defensáveis ​​pela comunidade em geral, "acrescentou Goulet. Mas resultados de pesquisas como esses são importantes para ir além dos códigos de construção generalizados que, em alguns casos, podem representar inadequadamente o risco que uma região enfrenta, enquanto em outros casos são muito conservadores.

"A esperança é que esses tipos de modelos nos ajudem a caracterizar melhor o risco sísmico, por isso estamos gastando nossos recursos para construir um forte, seguro, edifícios resilientes onde são mais necessários, "Milner disse.