模拟加州80万年地震历史以查明风险

幸运的是，大地震是罕见的事件。但是，信息的匮乏使我们在某种程度上看不到他们的风险，特别是在确定特定位置或结构的风险时。

＆＃34;我们还没有观察到大多数可能造成重大损失的事件，＆＃34;南加州大学南加州地震中心（SCEC）的计算机科学家和地震学研究员Kevin Milner解释说。以南加州为例，自1857年以来，我们还没有发生过真正的大地震-这是南部的圣安德烈亚斯上一次爆发7.9级大地震。 San Andreas地震的影响范围可能比1994年Northridge地震大得多，其他大地震也可能发生。这就是我们所担心的。

解决这种缺乏数据的传统方法包括挖沟以了解更多有关过去破裂的信息，整理来自世界各地许多地震的信息并创建灾害统计模型，或使用超级计算机来模拟特定地点的特定地震保真度很高。

但是，在过去十年中，与SCEC相关的一组研究人员开发了一个预测整个地区地震可能性和影响的新框架，该框架找到了中间立场，也许是确定风险的更好方法。

由哥伦比亚大学的米尔纳（Milner）和布鲁斯·肖（Bruce Shaw）领导的一项新研究发表于2021年1月的《美国地震学会简报》上，展示了一个速率状态地震模拟器（RSQSim）的结果，该模型模拟了数十万年的地震加州的历史。结合另一个代码Cyber​​Shake，该框架可以计算每次地震将发生的抖动量。他们的结果与历史地震和其他方法的结果很好地比较，并且显示了地震概率的现实分布。

根据开发人员的说法，这种新方法提高了查明给定位置地震可能发生的能力，从而使建筑规范开发人员，建筑师和结构工程师能够设计出更具弹性的建筑物，使其在特定地点能够承受地震的影响。

＆＃34;第一次，我们从头到尾都有一条完整的管道，地震发生和地震动模拟是基于物理的，＆＃34;米尔纳说。 ＆＃34;在一个非常复杂的故障系统上，它最多可以模拟100,000年。

RSQSim将地震中起作用的地球物理力的数学表示形式（破裂如何成核和传播的标准模型）转换为算法，然后在地球上一些最强大的超级计算机上求解它们。德克萨斯州高级计算中心由政府资助的超级计算机在几年内启用了计算密集型研究，其中包括Frontera（世界上任何一所大学中功能最强大的系统），Blue Waters（美国国家超级计算应用中心）和Summit橡树岭领导力计算设施。

＆＃34;我们可以在预测风险方面做得更好的一种方法是通过基于物理的建模，利用Frontera等系统的功能来运行模拟，＆＃34;米尔纳说。 ＆＃34;而不是经验统计分布，我们模拟地震的发生和其波的传播。

在Frontera上，在确定我们可以预期的地震类型，发生的断层以及发生的频率方面，已经取得了很大的进步。 SCEC应用科学执行总监Christine Goulet表示，他也参与了这项工作。 ＆＃34;我们不会规定或告知地震发生的时间。我们启动了数十万年的模拟，只让代码将压力从一个故障转移到另一个故障。＆＃34;

模拟从加利福尼亚的地质地形开始，并模拟了超过800,000个虚拟年份，随着构造力作用于地球，应力如何形成和消散。通过这些模拟，框架生成了一个目录-记录了在给定时间在某个地方发生的地震，具有一定的震级和属性。 Goulet说，SCEC团队在Frontera和Blue Waters上制作的目录是有史以来制作规模最大的目录。然后，将RSQSim的输出输入到Cyber​​Shake中，然后再次使用地球物理计算机模型来预测每次地震将导致多少震动（就地面加速度，速度和持续时间而言）。

＆＃34;框架输出完整的滑移时间历史记录：破裂发生的位置以及破裂的发生方式，＆＃34;米尔纳解释道。 ＆＃34;我们发现它产生了逼真的地面运动，这告诉我们该模型中实现的物理过程按预期工作。他们还计划了更多工作来验证结果，这对于接受设计应用程序至关重要。

研究人员发现，RSQSim框架总体上会产生丰富而可变的地震-这表明它正在产生合理的结果-同时也产生了可重复的震源和路径效应。

＆＃34;相对于实际情况的估计，对于很多站点，摇晃危险降低了米尔纳说。 ＆＃34;但是对于一些附近断层或局部地质特征特殊的站点，例如圣贝纳迪诺附近，危险性上升了。我们正在努力更好地理解这些结果，并定义验证它们的方法。＆＃34;

这项工作有助于确定加利福尼亚州数百个地震发生断层中发生地震的可能性，可预期的地震规模以及如何引发其他地震。

该项目的支持来自美国地质调查局（USGS），国家科学基金会（NSF）和W.M.凯克基金会。 Frontera是NSF领导级别的国家级资源。 Frontera的计算时间是通过SCEC的大型社区合作伙伴（LSCP）奖项提供的，该奖项使数百名美国学者可以使用该机器研究地震科学的许多方面。 LSCP奖项提供最多三年的扩展拨款，以支持长期的研究工作。 SCEC –成立于1991年，已经在TACC系统上进行了10多年的计算–是这种努力的典型例子。

创建目录需要在Frontera上连续进行八天的计算，并并行使用了3500多个处理器。要模拟加利福尼亚州10个站点的地面震动，需要在全球第二快的超级计算机Summit上进行相当数量的计算。

＆＃34;可以理解，更广泛的社区采用缓慢，＆＃34;米尔纳说。 ＆＃34;因为这样的结果会影响安全性，因此，确保这些结果在技术上可以为广大社区辩护是我们尽职调查的一部分，＆＃34;添加了Goulet。但是，这样的研究结果对于超越通用的建筑规范（在某些情况下可能不足以表示区域面临的风险，而在另一些情况下过于保守）则非常重要。

＆＃34;希望这些类型的模型将有助于我们更好地描述地震灾害的特征，因此我们将花费我们的资源来建造最需要它们的坚固，安全，有弹性的建筑物，＆＃34;米尔纳说。

Kevin R. Milner，Bruce E. Shaw，Christine A. Goulet，Keith B. Richards-Dinger，Scott Callaghan，Thomas H.Jordan，James H. Dieterich，Edward H. Field； ＆＃34;迈向基于物理的非遍历PSHA：南加州的原型完全确定性地震危险模型。美国地震学会新闻简报doi：https://doi.org/10.1785/0120200216

资金来源：美国地质调查合作协议G17AC00047；国家科学基金会（NSF）合作协议EAR-1600087； W.M.凯克基金会