Carte (panneaux de gauche) et vue 3D (panneaux de droite) des simulations de tremblement de terre de supercalculateur dans la zone sismique de Brawley, CALIFORNIE. La figure montre comment différentes conditions de contrainte affectent la propagation de la rupture à travers le réseau complexe de failles. Les panneaux supérieurs montrent un scénario de cas à fortes contraintes (conduisant à une propagation de rupture très rapide, supérieure à la vitesse de l'onde S) tandis que les panneaux inférieurs montrent une simulation de cas de contrainte moyenne. Crédit :Christodoulos Kyriakopoulos.
Certains des tremblements de terre les plus puissants au monde impliquent de multiples failles, et les scientifiques utilisent des superordinateurs pour mieux prédire leur comportement. Les séismes multi-failles peuvent couvrir des systèmes de failles de dizaines à des centaines de kilomètres, avec des ruptures se propageant d'un segment à l'autre. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont observé plusieurs cas de ce type compliqué de tremblement de terre. Les principaux exemples incluent la magnitude (en abrégé M) 7,2 tremblement de terre de Darfield en 2010 en Nouvelle-Zélande ; le tremblement de terre M7.2 El Mayor—Cucapah au Mexique immédiatement au sud de la frontière américano-mexicaine; le séisme de magnitude 8,6 dans l'océan Indien en 2012 ; et peut-être le plus complexe de tous, le tremblement de terre M7.8 2015 de Kaikoura en Nouvelle-Zélande.
"Les principales conclusions de nos travaux concernent les interactions dynamiques d'un réseau postulé de failles dans la zone sismique de Brawley en Californie du Sud, " a déclaré Christodoulos Kyriakopoulos, un géophysicien de recherche à l'Université de Californie, Bord de rivière. Il est l'auteur principal d'une étude publiée en avril 2019 dans le Journal de recherche géophysique, Terre solide , publié par l'American Geophysical Union. « Nous avons utilisé des modèles de rupture dynamique basés sur la physique qui nous permettent de simuler des ruptures sismiques complexes à l'aide de supercalculateurs. Nous avons pu exécuter des dizaines de simulations numériques, et documenté un grand nombre d'interactions que nous avons analysées à l'aide d'un logiciel de visualisation avancé, ", a déclaré Kyriakopoulos.
Un modèle de rupture dynamique est un modèle qui permet aux scientifiques d'étudier les processus physiques fondamentaux qui se déroulent lors d'un séisme. Avec ce type de modèle, les supercalculateurs peuvent simuler les interactions entre différentes failles sismiques. Par exemple, les modèles permettent d'étudier comment les ondes sismiques se déplacent d'une faille à et influencent la stabilité d'une autre faille. En général, Kyriakopoulos a déclaré que ces types de modèles sont très utiles pour étudier les grands tremblements de terre du passé, et peut-être plus important encore, scénarios sismiques possibles du futur.
Le modèle numérique développé par Kyriakopoulos se compose de deux composantes principales. Le premier est un maillage d'éléments finis qui implémente le réseau complexe de failles dans la zone sismique de Brawley. "On peut considérer cela comme un domaine discrétisé, ou un monde numérique discrétisé qui devient la base de nos simulations. Le deuxième composant est un code de rupture dynamique par éléments finis, connu sous le nom de FaultMod (Barall et. al. 2009) qui permet de simuler l'évolution des ruptures sismiques, ondes sismiques, et le mouvement du sol avec le temps, " a déclaré Kyriakopoulos. " Ce que nous faisons, c'est créer des tremblements de terre dans l'ordinateur. On peut étudier leurs propriétés en faisant varier les paramètres des séismes simulés. Essentiellement, nous générons un monde virtuel où nous créons différents types de tremblements de terre. Cela nous aide à comprendre comment se produisent les tremblements de terre dans le monde réel."
« Le modèle nous aide à comprendre comment les failles interagissent lors de la rupture sismique, " Il a poursuivi. " Supposons qu'un tremblement de terre commence au point A et se déplace vers le point B. Au point B, la faille sismique bifurque, ou se divise en deux parties. Comme ce serait facile pour la rupture, par exemple, voyager sur les deux segments de la bifurcation, versus prendre une seule branche ou l'autre ? Les modèles de rupture dynamique nous aident à répondre à ces questions en utilisant des lois physiques de base et des hypothèses réalistes."
Modéliser des tremblements de terre réalistes sur un ordinateur n'est pas facile. Kyriakopoulos et ses collaborateurs ont été confrontés à trois défis principaux. « Le premier défi était la mise en œuvre de ces failles dans le domaine des éléments finis, dans le modèle numérique. En particulier, ce système de failles consiste en un réseau interconnecté de segments plus grands et plus petits qui se coupent à des angles différents. C'est un problème très compliqué, ", a déclaré Kyriakopoulos.
Le deuxième défi consistait à exécuter des dizaines de grandes simulations informatiques. "Nous devions étudier autant que possible une très grande partie de l'espace des paramètres. Les simulations comprenaient le prototypage et les essais préliminaires des modèles. Le supercalculateur Stampede de TACC a été notre partenaire solide dans cette première étape fondamentale de notre travail, car cela m'a donné la possibilité d'exécuter tous ces modèles initiaux qui m'ont aidé à tracer ma voie pour les prochaines simulations. » Le troisième défi était d'utiliser des outils optimaux pour visualiser correctement les résultats de la simulation 3D, qui, sous leur forme brute, consistent simplement en d'énormes tableaux de nombres. Kyriakopoulos l'a fait en générant des simulations de rupture photoréalistes à l'aide du logiciel gratuit ParaView (paraview.org).
Pour surmonter ces défis, Kyriakopoulos et ses collègues ont utilisé les ressources de XSEDE, l'Extreme Science and Engineering Environment, financé par la NSF. Ils ont utilisé les ordinateurs Stampede du Texas Advanced Computing Center; et Comet au San Diego Supercomputer Center (SDSC). Les recherches connexes de Kyriakopoulos incluent les allocations XSEDE du système Stampede2 de TACC.
