Ежедневно в мире происходит около 55 землетрясений, что в сумме составляет примерно 20 000 в год. Хотя большинство из них остаются незамеченными, некоторые приводят к катастрофическим последствиям – гибели людей, разрушению инфраструктуры и огромным экономическим потерям. По оценкам Геологической службы и Федерального агентства по управлению в чрезвычайных ситуациях США, ежегодный ущерб от землетрясений в стране достиг 14,7 миллиарда долларов. Одна из причин роста ущерба – увеличение плотности населения в сейсмически активных регионах. Несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор не могут точно предсказывать, когда и где произойдет следующий сильный толчок. Это делает критически важной точную оценку рисков.
Ключ к пониманию рисков лежит буквально у нас под ногами. Как объясняет Кэтрин Сметана, доцент кафедры математических наук в Технологическом институте Стивенса, состав подземных слоев сильно варьируется. «Под землей могут быть слои твердой породы, а могут – песка или глины», – отмечает она. Поскольку сейсмические волны распространяются с разной скоростью через разные материалы, геологическое строение напрямую влияет на то, насколько сильными будут ощущаться толчки на поверхности.
Для картирования этих подземных слоев исследователи применяют метод, известный как «полноволновая инверсия». Эта технология сейсмической визуализации позволяет реконструировать структуру недр, объединяя компьютерное моделирование с реальными данными о землетрясениях. Ученые создают виртуальные землетрясения и отслеживают, как волны распространяются через модель Земли. Затем они сравнивают полученные симуляции с сейсмограммами – графическими записями колебаний грунта от реальных событий. Путем многократной корректировки модель постепенно приближается к реальным наблюдениям, создавая четкую картину подземного мира.
На практике этот процесс очень трудоемок. «Вы сравниваете данные компьютерного моделирования с реальными данными, полученными во время землетрясений», – говорит Сметана. Это позволяет не только понять, как выглядит геологический разрез, но и определить, как землетрясение влияет на его состав, что в конечном итоге помогает оценить риски для конкретной местности. Однако у этого подхода есть серьезный недостаток. Каждая симуляция может включать миллионы переменных и требовать тысячи повторений. По словам Сметаны, даже на современных вычислительных кластерах одна симуляция может занять несколько часов, что делает постоянный мониторинг слишком дорогим и медленным.
Чтобы преодолеть этот барьер, Сметана в сотрудничестве с сейсмологами из Утрехтского университета и Университета Твенте в Нидерландах разработала новую, оптимизированную модель. Эта модель кардинально снижает вычислительную нагрузку, сохраняя при этом высокую точность. «По сути, мы уменьшили размер системы, которую необходимо решить, примерно в 1000 раз», – заявляет Сметана. Она подчеркивает, что успех стал возможен благодаря междисциплинарному подходу, который позволил взглянуть на проблему с новой стороны и найти творческое решение.
Важно понимать, что новая модель не предсказывает время землетрясений. Вместо этого она предлагает более эффективный способ оценки сейсмических рисков в различных регионах. «Получив хорошую картину недр, вы можете точнее оценить риск будущих землетрясений», – объясняет Сметана. В перспективе этот же подход может быть использован для моделирования цунами, вызванных подводными толчками. Часто у прибрежных районов есть около часа до прихода волны, и возможность быстрого моделирования могла бы стать решающей для своевременного оповещения и эвакуации.
Точные изображения подземной структуры – основа для повышения устойчивости к землетрясениям. «На данный момент предсказывать землетрясения невозможно, – заключает Сметана. – Но наша работа может помочь создавать реалистичные карты недр с меньшими вычислительными затратами, что сделает модели более практичными и поможет нам стать более устойчивыми к сейсмическим угрозам».
