Численное моделирование определяет источник предшественника сейсмических сигналов

Численное моделирование определило источник акустических сигналов, излучаемых напряженными разломами в лабораторных установках для имитации землетрясений. Эта работа раскрывает физику, управляющую геологическими разломами, что в будущем может позволить точно прогнозировать сейсмические события.

"Предыдущие исследования с использованием машинного обучения показали, что акустические сигналы, регистрируемые от разлома, могут использоваться для прогнозирования времени следующего землетрясения", — сказал Ке Гао, специалист по вычислительной геофизике из группы геофизики Лос-Аламосской национальной лаборатории. "Наша новая работа по моделированию показывает, что в лабораторных условиях этот сигнал излучается при разрушении цепочек напряжений внутри разломной брекчии, указывая на механизмы, которые могут быть важны и в природных условиях". Гао является ведущим автором статьи "От цепочек напряжений к акустической эмиссии", опубликованной сегодня в Physical Review Letters и выбранной в качестве "Выбора редакции".

Цепочки напряжений — это мосты, состоящие из зерен, которые передают напряжения от одного блока разлома к другому.

Команда из Лос-Аламоса, в которую входит Гао, ранее идентифицировала предсказательный акустический сигнал в данных как лабораторных "землетрясений", так и меганадвиговых зон в Северной и Южной Америке и Новой Зеландии. Этот сигнал точно указывает на состояние напряжений в разломе независимо от времени его регистрации.

"Используя численную модель, разработанную в Лос-Аламосе, мы исследуем и связываем динамику в гранулированной системе разломной брекчии с сигналами, регистрируемыми пассивными удаленными датчиками", — пояснил Гао. Разломная брекчия — это измельченный, гравийный горный материал, создаваемый напряжениями и движениями разлома.

Для исследования причины акустических сигналов команда провела серию численных симуляций на суперкомпьютерах с использованием разработанного в Лос-Аламосе кода HOSS (Hybrid Optimization Software Suite). Этот инструмент представляет собой гибридную методологию — комбинированный метод конечных-дискретных элементов. Он объединяет методы дискретных элементов для описания взаимодействий между зернами и методы конечных элементов для описания напряжений как функции деформации внутри зерен и распространения волн от гранулированной системы. Моделирование точно воспроизводит динамику эволюции разлома, включая трение и столкновения материалов внутри брекчии, а также формирование и эволюцию цепочек напряжений во времени.