Seismologen nutzen Supercomputer, um komplexe Dynamiken von Erdbebensystemen mit mehreren Fehlern aufzudecken – ScienceDaily

Diese als Ridgecrest-Erdbeben bekannten Erdbeben sind die schwersten in Kalifornien seit mehr als 20 Jahren und haben zu weitreichenden Strukturschäden, Stromausfällen und Verletzten geführt. Das M6.4-Ereignis im Searles Valley galt später als Vorbote des M7.1-Ereignisses in Ridgecrest, das heute als größter Schock gilt. Den beiden Erdbeben folgten zahlreiche Nachbeben.

Die Forscher waren über die Abfolge der seismischen Aktivitäten verblüfft. Warum dauerte es 34 Stunden, bis der Anfall den Hauptschock auslöste? Wie „sprangen“ diese Erdbeben von einem Teil eines geologischen Verwerfungssystems zum anderen? Können Erdbeben im dynamischen Sinne miteinander „sprechen“?

Um diese Fragen zu beantworten, führte ein Team von Seismologen am Scripps Institution of Oceanography der UCSD und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) eine neue Studie durch, die sich auf die Beziehung zwischen den beiden großen Erdbeben konzentrierte, die entlang eines Systems mit mehreren Verwerfungen auftraten. Das Team nutzte einen leistungsstarken Supercomputer in Kombination mit datenintegrierten und physikbasierten Modellen, um den Zusammenhang zwischen Erdbeben zu bestimmen.

Alice Gabriel, Ozeanographin und Seismologin bei Scripps, die zuvor an der LMU arbeitete, leitete die Studie zusammen mit dem ehemaligen LMU-Doktoranden Tawfiq Tawfiq-ur-Rahman und mehreren Co-Autoren. Ihre Ergebnisse werden am 24. Mai in der Zeitschrift Nature veröffentlicht Natur Online und erscheint am 8. Juni in gedruckter Form.

„Wir haben die größten verfügbaren Computer und vielleicht die fortschrittlichsten Algorithmen verwendet, um zu versuchen, diese wirklich verblüffende Folge von Erdbeben, die sich 2019 in Kalifornien ereignete, zu verstehen“, sagte Gabriel, jetzt außerordentlicher Professor am Institut für Geophysik und Planetenphysik in Scripps. Ozeanographie. „Hochleistungsrechnen hat es uns ermöglicht, die Auslöser dieser Großereignisse zu verstehen, was bei der Erdbebenrisikobewertung und -vorsorge hilfreich sein kann.“

Es sei wichtig, die Dynamik mehrerer Verwerfungen zu verstehen, sagte Gabriel, da diese Art von Erdbeben normalerweise stärker sei als solche, bei denen eine einzelne Verwerfung auftritt. Beispielsweise forderte das Doppelbeben zwischen der Türkei und Syrien am 6. Februar 2023 große Verluste an Menschenleben und große Schäden. Bei diesem Ereignis gab es zwei getrennte Erdbeben, die nur neun Stunden voneinander entfernt auftraten und beide mehrere Verwerfungen überquerten.

Während der Ridgecrest-Erdbeben 2019, die ihren Ursprung in der Scherzone im Osten Kaliforniens entlang eines Gleitverwerfungssystems hatten, bewegten sich die Seiten jeder Verwerfung hauptsächlich in horizontaler Richtung, ohne vertikale Bewegung. Die Erdbebensequenz kaskadiert durch ineinandergreifende und bisher unbekannte „paradoxe“ Verwerfungen, sekundäre oder sekundäre Verwerfungen, die sich in großen Winkeln (nahe 90°) zur Hauptverwerfung bewegen. Innerhalb der seismologischen Gemeinschaft gibt es immer noch eine Debatte darüber, welche Verwerfungssegmente aktiv verschoben wurden und welche Bedingungen das Auftreten kaskadierender Erdbeben begünstigen.

Die neue Studie präsentiert das erste Multifehlermodell, das Erdbebenkarten, tektonische Daten, Feldkartierungen, Satellitendaten und andere weltraumgeodätische Datensätze mit Erdbebenphysik vereint, während frühere Modelle zu dieser Art von Erdbeben nur datengesteuert waren.

„Durch die Linse der datengeladenen Modellierung, erweitert durch Supercomputing-Fähigkeiten, enthüllen wir die Komplexität von Erdbeben, die mit mehreren Fehlern in Zusammenhang stehen, und werfen Licht auf die Physik, die die Dynamik von Kaskadenfehlern bestimmt“, sagte Tawfiq Rahman.

Mithilfe des Supercomputers SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Deutschland stellten die Forscher fest, dass die Ereignisse Searles Valley und Ridgecrest tatsächlich miteinander verbunden sind. Die Erdbeben wirkten über ein statisch starkes, aber dynamisch schwaches Verwerfungssystem zusammen, das durch komplexe Verwerfungsgeometrien und geringe dynamische Reibung verursacht wurde.

Die 3D-Bruchsimulationen des Teams zeigen, wie Verwerfungen, die vor einem Erdbeben als stark galten, extrem schwach werden können, sobald eine schnelle Erdbebenbewegung auftritt, und erklären die Dynamik, wie mehrere Verwerfungen gemeinsam brechen können.

„Wenn Verwerfungssysteme implodieren, sehen wir unerwartete Wechselwirkungen. Zum Beispiel Erdbebenkaskaden, die von Teil zu Teil springen können, oder ein Erdbeben, das dazu führt, dass das nächste eine ungewöhnliche Flugbahn einschlägt. Ein Erdbeben kann viel größer ausfallen, als wir es vielleicht getan haben.“ vorhergesagt.“ „Es ist eine Herausforderung, dies in seismische Risikobewertungen zu integrieren“, sagte Gabriel.

Laut den Autoren haben ihre Modelle das Potenzial, eine „transformative Wirkung“ auf dem Gebiet der Seismologie zu haben, indem sie die Bewertung seismischer Gefahren in aktiven, vielfach verwerflichen Systemen verbessern, die oft unterschätzt werden.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ähnliche Modelltypen mehr Physik in die Erdbebenrisikobewertung und -vorsorge einbeziehen können“, sagte Gabriel. „Mit Hilfe von Supercomputern und der Physik haben wir den detailliertesten Datensatz für ein komplexes Erdbebenbruchmuster ermittelt.“

Die Studie wurde vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union, Horizon Europe, der National Science Foundation, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Southern California Earthquake Center unterstützt.

Neben Gabriel und Tawfiq Rahman wurde die Studie von Duo Li, Thomas Ulrich, Bo Li und Sara Carena von der Ludwig-Maximilians-Universität München gemeinsam verfasst. Alessandro Verdichia von der McGill University in Montreal, Kanada, und der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland; und Frantisek Gallović von der Karls-Universität in Prag, Tschechische Republik.