地震对世界各地的人民和城市构成了严重的危险，但如果采取正确的减灾措施，从更严格的建筑要求到仔细的分区规划，道路和建筑物灾难性倒塌和人命损失的可能性是有限的。所有这些措施都有赖于科学地提供高质量的地震灾害模型。然而，目前的模型依赖于一系列不确定的假设，由于大地震之间的间隔时间很长，这些预测很难在现实世界中得到验证。
现在，来自哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站、南加州大学、加州大学河滨分校和美国地质调查局的一组研究人员提出了一个以物理为基础的模型，标志着地震预报的一个转折点。他们的研究结果发表在新一期的《科学进展》杂志上。这项研究的主要作者，拉蒙特-多尔蒂的地球物理学家布鲁斯·肖说:“无论下周还是10年后发生大地震，工程师们都需要为长远打算而建造。”“我们现在有了一个物理模型，可以告诉我们什么是长期危害。”
在一台超级计算机上模拟了近50万年的加州地震，研究人员根据100年的仪器数据建立了加州领先的统计模型，从而能够匹配灾害估计。相互验证的结果增加了对加州当前危险预测的支持，这有助于在全州范围内设定保险费率和建筑设计标准。研究结果还表明，基于物理的模型在预测地震灾害和评估加州和其他地震易发地区的竞争模型方面的作用越来越大。
在这项研究中使用的地震模拟器RSQSim，通过排除许多假设来简化了加州的统计模型，这些假设是用来估计某一特定区域发生地震的可能性的。实际上，研究人员对这个模拟器感到惊讶，因为它的程序中包含了相对基础的物理知识，能够重现几十年来一直在稳步改进的模型的估计。肖说:“这表明我们的模拟器已经为黄金时段做好了准备。”
地震学家现在可以使用RSQSim来测试统计模型的区域预测。对洛杉矶和旧金山等高风险城市的政府监管机构来说，准确的风险估计尤其重要，因为它们根据最新的科学知识编写和修订建筑法规。在一个住房严重短缺的州，监管机构正面临压力，要求它们在保持建筑成本下降的同时，建造足够坚固、能承受住强烈地震的建筑。确认灾害估计的第二个工具使这些数字更加可信。“如果你能用不同的技术得到相似的结果，你就会建立自信，你正在做正确的事情。”
该模拟器的一个特点是利用速率和状态相关的摩擦来近似模拟真实世界的故障如何断裂并将应力转移到其他故障上，有时甚至引发更大的地震。RSQSim是加州大学河滨分校(UC Riverside)十多年前开发的，在目前的研究中进一步完善，它是第一个基于物理的模型，复制了加州最近的破裂预测UCERF3。当这两个模型的结果被输入到加州的统计震动模型中时，他们得出了相似的危害情况。
资助这项研究的南加州地震中心(Southern California Earthquake Center)主任约翰•维戴尔(John Vidale)表示，这种新模式已经为研究人员在加州断层沿线50万年的地震历史创造了一个现实的历史。Vidale预测，随着计算能力的增长和更多的物理特性被添加到软件中，这个模型将会改进。他说:“诸如意外地点的地震、地震断层在地质时期的演化、构造板块下的粘性流等细节还没有建立起来。”
研究人员计划利用这个模型来了解更多关于余震的信息，以及余震如何在加州断层上展开，并在全球范围内研究其他断层系统。他们还在将模拟器整合到一个基于物理原理的地面运动模型中，称为CyberShake，以观察它是否能从当前的统计模型中重现地震估计。
“随着我们在模拟和计算机上提高物理性能，我们将更好地了解破坏性地震可能发生的地点和时间，”该研究的合作者、南加州大学的研究员凯文·米尔纳(Kevin Milner)说。
