Das neue Bodenbewegungsmodell simuliert Erdbeben und Explosionen genauer

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben ein neues Adjoint-Waveform-Tomographiemodell entwickelt, das Bodenbewegungen von Erdbeben und Explosionen genauer simuliert. Das Papier, veröffentlicht in Journal of Geophysical Research: Feste Erdewurde für ein Editor’s Highlight ausgewählt.

Die seismische Tomographie ist eine Methode zur Schätzung der unzugänglichen dreidimensionalen (3D) seismischen Materialeigenschaften der Erde, insbesondere der Geschwindigkeiten von Druck- und Scherwellen, die mit Zusammensetzungs- und Temperaturänderungen zusammenhängen. Es liefert Bilder von 3D-Strukturen, die sich auf plattentektonische Prozesse beziehen, sowie Modelle, um die Ausbreitung seismischer Wellen durch die komplexe Struktur der Erde besser darzustellen.

Im Gegensatz zu typischen seismischen Tomographiemodellen verwendet dieses Modell vollständig dreidimensionale Wellenausbreitungssimulationen, um die Empfindlichkeit der beobachteten Seismogramme gegenüber der Erdstruktur zu berechnen, was genauere Simulationen und bessere Schätzungen der Eigenschaften seismischer Quellen ermöglicht.

In der neuen Forschung erstellten Wissenschaftler ein neues Modell der seismischen 3D-Struktur für die oberen 400 km der Erde im Westen der Vereinigten Staaten unter Verwendung von Adjoint Waveform Tomography (AWT). Das Modell wird durch einen rechenintensiven Wellenforminversionsprozess erzeugt, der das Untergrundmodell aktualisiert, um die Übereinstimmung mit den beobachteten Seismogrammen zu verbessern. Um Merkmale im Modell zu triangulieren, ist AWT auch datenintensiv und erfordert viele Seismogramme, die die Zielregion durchqueren.

Das Team – bestehend aus Wissenschaftlern des Geophysical Monitoring Program (GMP) des LLNL und Forschern von Mondaic, einem kleinen Inkubator-Startup-Unternehmen der Eidgenössischen Technischen Hochschule – verwendete mehr als 60.000 HPC-Simulationen auf dem Lassen-Supercomputer des LLNL, um 256 Modelliterationen durchzuführen für 72 Erdbeben passen fast 100.000 Seismogramme.

„Während andere Modelle des Westens der USA existieren, ist dieses Modell insofern einzigartig, als es auf viel mehr Inversionsiterationen basiert als frühere Modelle und viel bessere Anpassungen an aufgezeichnete Seismogramme bietet“, sagte LLNL-Wissenschaftler Artie Rodgers, Hauptautor des Papiers. „Es kann auch genauere Schätzungen der Eigenschaften seismischer Quellen liefern, indem Verzerrungen aufgrund unbekannter 3D-Erdstrukturen in früheren Modellen entfernt werden.“

Die Forscher fanden heraus, dass die seismische Struktur aus 3D-Variationen der Geschwindigkeit und Dichte von seismischen Kompressions- und Scherwellen besteht und dass horizontal und vertikal polarisierte Wellen unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

Während sich viele seismische Tomographiestudien auf die Abbildung der unterirdischen Struktur konzentrieren, war die Hauptmotivation der neuen Arbeit die Entwicklung eines 3D-Modells für verbesserte Wellenformanpassungen von Zeiträumen von 20 bis 120 Sekunden nach einer Erdbewegung.

„Wir haben eine detailliertere 3D-Struktur der Kruste und des oberen Mantels erstellt, um die Vorhersagefähigkeiten von 3D-Wellenformsimulationen für Anwendungen wie die Charakterisierung von Quellen und/oder Simulationen von Bodenbewegungen bei Erdbeben über einen langen Zeitraum zu verbessern“, sagte Rodgers. „Wellenformanpassungen sind bei unserem endgültigen Modell im Vergleich zu früheren Modellen derselben Region bemerkenswert besser.“

Methoden zur Überwachung nuklearer Explosionen können von 3D-Modellen profitieren, die kurzperiodische Wellenformen (20 s) genau simulieren können, die stark von der Krusten- und oberen Mantelstruktur beeinflusst werden. In ähnlicher Weise erfordern Erdbeben-Bodenbewegungsgefahren- und -risikostudien Simulationen von Wellenformen mit viel kürzerer Periode (weniger als 5–10 s) als im neuen Modell gefunden. Rodgers sagte jedoch, dass die großräumige Struktur zuerst zu den Daten aus längeren Perioden passen muss, bevor sie zu den Wellen mit kürzeren Perioden vordringen kann. Es wird daran gearbeitet, eine feinere Struktur aufzulösen.

Diese neue Methode ermöglicht es LLNL, mehr Informationen über seismische Wellenformen zu nutzen, um die nationale und internationale Überwachung von Atomtests zu unterstützen. Die Doktorandin der UC Berkeley, Claire Doody, und die LLNL-Wissenschaftler Andrea Chiang und Nathan Simmons trugen ebenfalls zur Forschung bei.