Časť seizmológie skúma procesy prípravy a vzniku zemetrasení a seizmický pohyb povrchu Zeme počas zemetrasení. Keďže zemetrasenia ohrozujú husto osídlené oblasti a kritické stavby a zariadenia na rozsiahlych územiach povrchu Zeme, bolo by dobré vedieť jednak predpovedať čas a veľkosť budúceho zemetrasenia v danej zdrojovej zóne, a jednak seizmický pohyb a účinky seizmického pohybu počas budúceho zemetrasenia.
„Predpovedanie času a veľkosti však nie je v súčasnosti možné a nevieme, či to bude možné v budúcnosti. V každom prípade však musíme predpovedať, aký seizmický pohyb možno očakávať na záujmovej lokalite a v prípade, že je zastavaná, aké môže mať účinky na stavby,“ uvádza Mgr. Dávid Gregor z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (UK) – autor projektu Konečno-diferenčné modelovanie šírenia vĺn v poroelastickom prostredí s realistickým útlmom, na ktorý získal grant v rámci grantovej schémy UK.
Samotný seizmický pohyb závisí podľa neho od vzdialenosti hypocentra, hĺbky hypocentra, veľkosti zemetrasenia, prostredia medzi hypocentrom a danou lokalitou a od lokálnej štruktúry. Najmä sedimentmi vyplnené údolia a bazény môžu spôsobiť anomálny seizmický pohyb na povrchu. Práve na povrchoch sedimentov však žije najväčšia časť populácie. Mgr. Dávid Gregor vysvetlil, že s výnimkou niekoľkých oblastí nie je na dôležitých územiach a lokalitách dostatok dát na zistenie empirických vzťahov pre predikciu seizmického pohybu počas budúcich zemetrasení. „V takých prípadoch je nenahraditeľným nástrojom predpovedania seizmického pohybu numerické modelovanie. Numerické modelovanie preto, lebo pre dostatočne realistické, t. j. štrukturálne zložité, modely vnútra Zeme neexistujú presné metódy.“
Vo výskumnom tíme numerického modelovania na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského sa venujú modelovaniu šírenia seizmických vĺn metódou konečných diferencií (MKD). „MKD je spolu s metódou spektrálnych prvkov najpoužívanejšou metódou pri skúmaní zemetrasení a zemetrasného pohybu. V prípade malých povrchových štruktúr majú najsofistikovanejšie verzie MKD najlepšiu rovnováhu medzi presnosťou a efektívnosťou výpočtu. MKD je pritom rozumne programovateľná a výpočtový algoritmus je paralelizovateľný.“
Výskumný tím numerického modelovania vedený profesorom Petrom Moczom, DrSc. a doc. Jozefom Kristekom, PhD., ktorý je špičkovým tímom SAV, UK a Akreditačnej komisie, sa výrazne podieľal na súčasnom najpokročilejšom KD modelovaní v seizmológii (pozri napr., monografiu Moczo, Kristek, Gális vydanú Cambridge University Press v roku 2014). Dosiaľ numerické modelovanie v tíme zahŕňalo najmä elastické, viskoelastické a elastoplastické prostredie. „V mojej bakalárskej a diplomovej práci som sa sústredil na poroelastické prostredie. Poroelastické prostredie je dvojkomponentné prostredie, skladajúce sa z pevnej pórovitej fázy (skeletu) vyplnenej kvapalinou alebo plynom. Medzi typické poroelastické horniny patria pieskovec a íl, ktoré môžu vypĺňať spomínané sedimentárne bazény. Vodou nasýtené sedimenty sú dôležitým faktorom seizmického pohybu. V prípade silných zemetrasení v nich môže dochádzať k nelineárnym efektom. Realistické numerické modelovanie seizmického pohybu v takých sedimentoch je preto veľmi dôležité,“ hovorí Mgr. Dávid Gregor.
V predchádzajúcom grantovom projekte UK riešili problém reprezentácie materiálového rozhrania medzi dvoma poroelastickými prostrediami. Výsledkom bolo vyvinutie novej diskrétnej reprezentácie materiálového rozhrania v konečno-diferenčnej sieti. „Správnosť a presnosť tejto reprezentácie sme testovali pomocou kanonických modelov, pričom výsledky numerických testov sme porovnali s analytickými i s nezávislými numerickými riešeniami kolegov z Francúzska a Španielska. Rukopis článku sme zaslali do jedného z najprestížnejších geofyzikálnych časopisov – Geophysical Journal International, v ktorom už tím publikoval niekoľko závažných príspevkov v modelovaní metódou konečných diferencií.“
Na tieto výsledky nadväzuje zámer súčasného projektu. Logickým ďalším krokom je zahrnutie realistického útlmu seizmických vĺn. Útlm seizmických vĺn v prostredí s pórmi vyplnenými tekutinou má pôvod v zložitých mechanizmoch, ktoré je možné efektívne popísať len fenomenologicky. V princípe treba zohľadniť tzv. anelastický útlm v dôsledku anelasticity pevnej fázy (skeletu), tzv. viskodynamický útlm v dôsledku vizkozity tekutiny a útlm v dôsledku interakcie tekutiny so skeletom.
Autor projektu ešte dodáva, že problém modelovania realistického útlmu seizmických vĺn v poroelastickom prostredí vyžaduje zostavenie rovníc na zahrnutie všetkých troch parciálnych mechanizmov útlmu, zostavenie výpočtového algoritmu a výpočtového programu. Pre takto navrhnutý problém realizátori projektu definujú súbor kanonických konfigurácií pre numerické testy. „Presnosť nášho modelovania overíme pomocou nezávislej numerickej metódy. Najpravdepodobnejším kandidátom je diskontinuitná Galerkinova metóda, ktorú aplikoval do svojho výpočtového programu španielsky seizmológ dr. Josep de la Puente. Ak uspejeme, výrazne tým prispejeme k možnostiam modelovania šírenia seizmických vĺn v realistických modeloch vnútra Zeme metódou konečných diferencií,“ uzavrel Mgr. Dávid Gregor.
Ilustrácia presnosti vyvinutej novej diskrétnej reprezentácie materiálového rozhrania: Porovnanie horizontálnej zložky rýchlosti častice skeletu vx vypočítaná našou konečno-diferenčnou schémou (FD) a exaktnou metódou vyvinutou Diaz & Ezziani (2008). Konečno-diferenčná schéma je schopná rozlíšiť polohu rozhrania v sieti, nehladiac na uhol medzi rozhraním a sieťovými čiarami. Horný panel označený písmenom a zodpovedá prijímaču nad rozhraním a panel označený písmenom b zodpovedá prijímaču pod rozhraním.
Na projekt Konečno-diferenčné modelovanie šírenia vĺn v poroelastickom prostredí s realistickým útlmom bol udelený grant v rámci grantovej schémy UK.
*********************************************
Univerzita Komenského v Bratislave udeľuje Granty UK už 22 rokov. Zo 419 podaných projektov doktorandov podporila univerzita 253. Vedecké, pedagogické a umelecké projekty doktorandov do 30 rokov si rozdelilo sumu 243 340,00 eur. Každý projekt získal v priemere sumu 960,00 eur. Najviac podaných i podporených projektov pochádza tradične z Prírodovedeckej fakulty UK, ktorá predložila 144 žiadostí o grant, z nich uspelo 88. Jesseniova lekárska fakulta UK predložila 61 projektov, z ktorých finančnú podporu získalo 37. Na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK bolo podporených 40 z 59 podaných projektov.
Odborný garant textu a foto v texte poskytol: Mgr. Dávid Gregor z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Ilustračné foto: Pixabay.com /intographics/
Uverejnila: VČ