Identifikácia a charakterizácia potenciálu lokálnych efektov pomocou robustného numerického modelovania seizmického pohybu

Abstrakt: 

Posledné dve dekády tragicky a dramaticky demonštrovali, že dokonca aj relatívne slabé zemetrasenia sú schopné spôsobiť obrovské straty na životoch a škody na majetku. Kľúčovými dôvodmi sú budovy, ktoré nie sú dizajnované/zodolnené tak, aby odolali seizmickému pohybu, narastajúca zraniteľnosť v dôsledku technologickej zložitosti husto osídlených oblastí a anomálne hodnoty seizmického pohybu v dôsledku lokálnych povrchových geologických podmienok. Interferencia seizmických vĺn a rezonancia v bazénoch a údoliach vyplnených sedimentmi môže spôsobovať anomálne hodnoty seizmického pohybu a teda tzv. „lokálne efekty“. Lokálne efekty predstavujú potenciálnu hrozbu aj pre dôležité nukleárne a industriálne zariadenia. Preto je dôležité identifikovať a charakterizovať potenciál lokálnych efektov na záujmových lokalitách. Jeden z možných prístupov pri absencii dostatočných záznamov zemetrasení je numerické modelovanie seizmického pohybu. Predpokladáme, že  verifikované a validované výpočtovo efektívne numerické modelovanie umožňuje získať syntetické „dáta“, ktoré môžu približne nahradiť neexistujúce namerané dáta, na ktoré by sme museli čakať príliš dlhý čas. Systematický výskum charakteristík seizmického pohybu v signifikantnom/reprezentatívnom súbore realistických modelov lokálnych podmienok môže viesť k identifikácii kľúčových charakteristík seizmického pohybu a kľúčových štrukturálnych parametrov, ktoré sú zodpovedné za lokálne efekty, a k následnej identifikácii a charakterizácii potenciálu lokálnych efektov v súbore uvažovaných lokálnych povrchových podmienok.

Odbor: 
fyzika Zeme - seizmológia
Vedecká časť: 

Hlavným cieľom projektu je preskúmanie a charakterizovanie potenciálu lokálnych efektov v signifikantnom súbore lokálnych 3D povrchových sedimentárnych štruktúr použitím numerického modelovania seizmického pohybu.

Na dosiahnutie hlavného cieľa je potrebné splniť nasledujúce parciálne ciele:

  1. Identifikovať kľúčové charakteristiky seizmického pohybu na kvantifikovanie lokálnych efektov.
  2. Identifikovať kľúčové štrukturálne črty lokálnych povrchových geologických štruktúr.
  3. Charakterizovať potenciál lokálnych efektov v súbore vybraných lokálnych povrchových geologických štruktúr.

Hlavné nevyhnutné metodologické nástroje na riešenie parciálnych cieľov:

  • Priame numerické modelovanie seizmického pohybu v súbore vybraných lokálnych povrchových geologických štruktúr.
  • Výber charakteristík seizmického pohybu, ktoré sa budú počítať.
  • Robustná štatistická analýza charakteristík seizmického pohybu.
  • Výpočet frekvenčne závislých sensitivity kernelov použitím priamych a adjungovaných simulácií.
  • Cielená kvantitatívna analýza charakteristík seizmického pohybu vo vzťahu k štrukturálnym črtám lokality.
Socioekonomický a technologický dopad: 

Význam projektu

  • Prieskum záujmovej lokálnej povrchovej geologickej štruktúry môže byť efektívne obmedzený na kľúčové štrukturálne parametre – čo vedie k približnému (nekompletnému) štrukturálnemu modelu, ktorý vykazuje kľúčové charakteristiky seizmického pohybu. Vplyv neurčitostí približného štrukturálneho modelu na seizmický pohyb môže byť potom zohľadnený pomocou numerickej štúdie citlivosti.
  • Výsledky projektu významne prispejú k metodologickému základu vývoja efektívnej metódy určovania lokálnych efektov v lokálnych povrchových geologických štruktúrach, založenej na kombinácii meraní (v širšom zmysle – účelový výskum, záznamy šumu, záznamy zemetrasení) a numerického modelovania.
  • Výsledky projektu môžu byť porovnané s alternatívnymi prístupmi, ktoré sú založené na použití seizmického šumu. (Zahrnutie modelovania seizmického šumu by bolo ďaleko nad rámec tohto projektu). 
Technická časť: 

Na numerické simulácie budeme využívať nami vyvinutú sme 3D konečno-diferenčnú metódu formulovanú v rýchlostiach a napätiach s ľubovoľne diskontinuitnou striedavo usporiadanou sieťou a výpočtový program – 3D-VS-DSG-FD. Metóda bola nedávno vylepšená zahrnutím novej spôsobu diskrétnej reprezentácie hladkej i nespojitej materiálovej heterogenity. Metodológia a výpočtový program boli úspešne verifikované prísnymi numerickými testami a porovnané s najlepšími nezávislými numerickými metódami.

Program je napísaný v jazyku Fortran95 a na paralelizáciu využíva MPI knižnice. Vyznačuje sa pomerne dobrou škálovateľnosťou a zvyčajné nároky na pamäť sú cca 1-1.5 GB na jadro. Jednotlivé výpočty je možné prispôsobiť dostupnosti voľných jadier, pričom optimálne je mať aspoň 256 jadier. V takom prípade je zvyčajný výpočtový čas niekoľko dní. Výsledky sú zaznamenávané na disk len v istých časových intervaloch. Jeden výpočet vyžaduje niekoľko desiatok GB diskového priestoru.

Príklady simulácií je možné nájsť na našej stránke http://www.sismowine.org/

 

Prepojenie s grantovými úlohami: 
APVV-15-0560 (ID-EFFECTS) Identifikácia a charakterizácia potenciálu lokálnych efektov pomocou robustného numerického modelovania seizmického pohybu
Spolufinancovanie: 
9 000.00
Výstupy: 
Kristek, J., Moczo, P., Chaljub, E., Kristekova, M. 2017. An orthorhombic representation of a heterogeneous medium for the finite-difference modelling of seismic wave propagation. Geophys. J. Int., 208, 1250–1264, doi: 10.1093/gji/ggw456
Moczo, P., Kristek, J., Bard, P.-Y., Stripajová, S., Hollander, F., Chovanová, Z., Kristeková, M., Sicilia, D., 2018. Key structural parameters affecting earthquake ground motion in 2D and 3D sedimentary structures, Bull. Earthquake Eng., doi: 10.1007/s10518-018-0345-5
Moczo, P., Gregor, D., Kristek, J., de la Puente, J., 2019. A discrete representation of material heterogeneity for the finite-difference modelling of seismic wave propagation in a poroelastic medium, Geophys. J. Int., 216, 1072-1099, doi:10.1093/gji/ggy412