En raison de la composition en couches de la Terre, les scientifiques ont souvent comparé l'arrangement de base de son intérieur à celui d'un oignon. Il y a la fine croûte familière des continents et des fonds océaniques; l'épais manteau de chaud, roche semi-solide; le noyau externe en métal fondu; et le noyau interne en fer massif.

Mais contrairement à un oignon, décoller les couches de la Terre pour mieux explorer la dynamique planétaire n'est pas une option, obligeant les scientifiques à faire des suppositions éclairées sur la vie intérieure de notre planète sur la base d'observations au niveau de la surface. Des techniques d'imagerie intelligentes conçues par des informaticiens, cependant, offrent la promesse d'éclairer les secrets souterrains de la Terre.

En utilisant la modélisation et la simulation avancées, données sismiques générées par les séismes, et l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, une équipe dirigée par Jeroen Tromp de l'Université de Princeton crée une image détaillée en 3D de l'intérieur de la Terre. Actuellement, l'équipe se concentre sur l'imagerie de l'ensemble du globe, de la surface à la limite noyau-manteau, une profondeur de 1, 800 milles.

Ces simulations haute fidélité ajoutent un contexte aux débats en cours liés à l'histoire et à la dynamique géologiques de la Terre, apportant des caractéristiques importantes comme les plaques tectoniques, panaches de magma, et les points chauds en vue. En 2016, l'équipe a sorti son modèle mondial de première génération. Créé à partir des données de 253 tremblements de terre capturés par des sismogrammes dispersés dans le monde, le modèle de l'équipe se distingue par sa portée mondiale et sa grande évolutivité.

"Il s'agit du premier modèle sismique global où aucune approximation - autre que la méthode numérique choisie - n'a été utilisée pour simuler la façon dont les ondes sismiques se déplacent à travers la Terre et comment elles détectent les hétérogénéités, " dit Ebru Bozdag, co-chercheur principal du projet et maître de conférences en géophysique à l'Université de Nice Sophia Antipolis. "C'est une étape importante pour la communauté de la sismologie. Pour la première fois, nous avons montré aux gens la valeur et la faisabilité de l'utilisation de ce type d'outils pour l'imagerie sismique mondiale."

La genèse du projet peut être attribuée à une théorie de l'imagerie sismique proposée pour la première fois dans les années 1980. Pour combler les lacunes dans les cartes de données sismiques, la théorie a posé une méthode appelée tomographie adjointe, une technique itérative d'inversion de forme d'onde complète. Cette technique exploite plus d'informations que les méthodes concurrentes, en utilisant des ondes directes qui voyagent de l'origine du séisme au récepteur sismique et des ondes adjointes, qui sont des ondes dérivées mathématiquement qui voyagent du récepteur au séisme.

Le problème avec le test de cette théorie ? "Vous avez besoin de très gros ordinateurs pour faire cela, " Bozdag a dit, "parce que les simulations d'ondes directes et adjointes sont effectuées en 3D numériquement."

En 2012, une telle machine est arrivée sous la forme du supercalculateur Titan, un Cray XK7 de 27 pétaflops géré par l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) du département américain de l'Énergie (DOE), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science située au Oak Ridge National Laboratory du DOE. Après avoir essayé sa méthode sur des machines plus petites, L'équipe de Tromp a eu accès à Titan en 2013 grâce à l'Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, ou INCITE, programme.

En collaboration avec le personnel de l'OLCF, l'équipe continue de repousser les limites de la sismologie computationnelle à des profondeurs plus profondes.

Assemblage de tranches sismiques

Lorsqu'un tremblement de terre frappe, la libération d'énergie crée des ondes sismiques qui font souvent des ravages pour la vie à la surface. Ces mêmes vagues, cependant, offrir aux scientifiques l'occasion de scruter le sous-sol en mesurant les vibrations traversant la Terre.

Au fur et à mesure que les ondes sismiques se déplacent, les sismogrammes peuvent détecter des variations de leur vitesse. Ces changements fournissent des indices sur la composition, densité, et la température du milieu traversé par l'onde. Par exemple, les vagues se déplacent plus lentement lorsqu'elles traversent du magma chaud, tels que les panaches du manteau et les points chauds, qu'ils ne le font lorsqu'ils traversent des zones de subduction plus froides, endroits où une plaque tectonique glisse sous une autre.

Chaque sismogramme représente une tranche étroite de l'intérieur de la planète. En assemblant plusieurs sismogrammes, les chercheurs peuvent produire une image globale en 3D, capturant tout, des panaches de magma alimentant le Cercle de feu, aux hotspots de Yellowstone, aux plaques subductées sous la Nouvelle-Zélande.

Ce processus, appelée tomographie sismique, fonctionne d'une manière similaire aux techniques d'imagerie utilisées en médecine, où des images radiographiques 2D prises sous de nombreuses perspectives sont combinées pour créer des images 3D de zones à l'intérieur du corps.

Autrefois, les techniques de tomographie sismique ont été limitées dans la quantité de données sismiques qu'elles peuvent utiliser. Les méthodes traditionnelles obligeaient les chercheurs à faire des approximations dans leurs simulations de vagues et à restreindre les données d'observation aux seules phases sismiques majeures. La tomographie adjointe basée sur des simulations numériques 3D employées par l'équipe de Tromp n'est pas contrainte de cette manière. « Nous pouvons utiliser toutes les données, tout et n'importe quoi, " a déclaré Bozdag.

Exécuter sa version GPU du code SPECFEM3D_GLOBE, L'équipe de Tromp a utilisé Titan pour appliquer une inversion de forme d'onde complète à l'échelle mondiale. L'équipe a ensuite comparé ces "sismogrammes synthétiques" aux données sismiques observées fournies par les Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), calculer la différence et réinjecter ces informations dans le modèle pour une optimisation ultérieure. Chaque répétition de ce processus améliore les modèles globaux.

"C'est ce que nous appelons le workflow de tomographie adjoint, et à l'échelle mondiale, cela nécessite un supercalculateur comme Titan pour être exécuté dans un délai raisonnable, " Bozdag a déclaré. "Pour notre modèle de première génération, nous avons terminé 15 itérations, ce qui est en fait un petit nombre pour ce genre de problèmes. Malgré le petit nombre d'itérations, notre modèle global amélioré montre la puissance de notre approche. Ce n'est que le début, toutefois."

Automatiser pour augmenter

Pour son modèle global initial, L'équipe de Tromp a sélectionné des événements sismiques enregistrés entre 5,8 et 7 sur l'échelle de Richter, une norme pour mesurer l'intensité des tremblements de terre. Cette gamme peut être légèrement étendue pour inclure plus de 6, 000 tremblements de terre dans la base de données IRIS, soit environ 20 fois la quantité de données utilisées dans le modèle d'origine.

Tirer le meilleur parti de toutes les données disponibles nécessite un workflow automatisé robuste capable d'accélérer le processus itératif de l'équipe. Collaborer avec le personnel de l'OLCF, L'équipe de Tromp a progressé vers cet objectif.

Pour le modèle de première génération de l'équipe, Bozdag a effectué chaque étape du workflow manuellement, prendre environ un mois pour terminer une mise à jour du modèle. Membres de l'équipe Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, et Youyi Ruan de l'Université de Princeton et Judy Hill de l'OLCF ont développé de nouveaux processus de flux de travail automatisés qui promettent de réduire ce cycle à quelques jours.

"L'automatisation va vraiment le rendre plus efficace, et cela réduira également l'erreur humaine, ce qui est assez facile à introduire, " a déclaré Bozdag.

Le soutien supplémentaire du personnel de l'OLCF a contribué à l'utilisation efficace et à l'accessibilité des données du projet. Au début de la vie du projet, L'équipe de Tromp a travaillé avec Norbert Podhorszki de l'OLCF pour améliorer le mouvement et la flexibilité des données. Le résultat final, appelé Format de données sismiques adaptable (ASDF), exploite la bibliothèque parallèle ADIOS (Adaptable I/O System) et offre à l'équipe de Tromp un format de fichier supérieur à enregistrer, reproduire, et analyser les données sur les ressources informatiques parallèles à grande échelle.

En outre, David Pugmire de l'OLCF a aidé l'équipe à mettre en place des outils de visualisation in situ. Ces outils ont permis aux membres de l'équipe de vérifier plus facilement leur travail depuis des postes de travail locaux en permettant de produire des visualisations en conjonction avec la simulation sur Titan, éliminant le besoin de transferts de fichiers coûteux.

"Parfois, le diable est dans les détails, donc tu dois vraiment faire attention et savoir ce que tu regardes, " a déclaré Bozdag. " Les outils de visualisation de David nous aident à étudier nos modèles et à voir ce qui existe et ce qui ne l'est pas. "

Avec la visualisation, l'ampleur du projet de l'équipe se révèle. Le cycle d'un milliard d'années de la roche en fusion s'élevant de la limite noyau-manteau et tombant de la croûte - un peu comme le mouvement des globules dans une lampe à lave - prend forme, tout comme d'autres caractéristiques géologiques d'intérêt.

À ce stade, la résolution du modèle global de l'équipe devient suffisamment avancée pour éclairer les études continentales, en particulier dans les régions où la couverture des données est dense. Le rendre utile au niveau régional ou plus petit, comme l'activité du manteau sous la Californie du Sud ou la croûte sismique d'Istanbul, nécessitera des travaux supplémentaires.

"La plupart des modèles globaux en sismologie s'accordent à grande échelle mais diffèrent considérablement les uns des autres aux plus petites échelles, " a déclaré Bozdag. " C'est pourquoi il est crucial d'avoir une image plus précise de l'intérieur de la Terre. La création d'images haute résolution du manteau nous permettra de contribuer à ces discussions."

Creuser plus profond

Pour améliorer encore la précision et la résolution, L'équipe de Tromp expérimente les paramètres du modèle dans le cadre de sa plus récente allocation INCITE. Par exemple, le modèle de deuxième génération de l'équipe introduira des inversions anisotropes, qui sont des calculs qui capturent mieux les différentes orientations et mouvements de la roche dans le manteau. Ces nouvelles informations devraient donner aux scientifiques une image plus claire de l'écoulement du manteau, composition, et les interactions croûte-manteau.

En outre, Les membres de l'équipe Dimitri Komatitsch de l'Université d'Aix-Marseille en France et Daniel Peter de l'Université King Abdullah en Arabie saoudite dirigent les efforts de mise à jour de SPECFEM3D_GLOBE pour intégrer des capacités telles que la simulation d'ondes sismiques à haute fréquence. La fréquence d'une onde sismique, mesuré en Hertz, équivaut au nombre d'ondes passant par un point fixe en une seconde. Par exemple, la fréquence minimale actuelle utilisée dans la simulation de l'équipe est d'environ 0,05 hertz (1 onde toutes les 20 secondes), mais Bozdag a déclaré que l'équipe aimerait également incorporer des ondes sismiques allant jusqu'à 1 hertz (1 onde par seconde). Cela permettrait à l'équipe de modéliser des détails plus fins dans le manteau terrestre et même de commencer à cartographier le noyau de la Terre.

Pour faire ce saut, L'équipe de Tromp se prépare pour Summit, le supercalculateur de nouvelle génération de l'OLCF. Arrivée prévue en 2018, Summit fournira au moins cinq fois la puissance de calcul de Titan. Dans le cadre du Center for Accelerated Application Readiness de l'OLCF, L'équipe de Tromp travaille avec le personnel de l'OLCF pour profiter de la puissance de calcul de Summit dès son arrivée.

"Avec Sommet, nous pourrons visualiser l'ensemble du globe depuis la croûte jusqu'au centre de la Terre, y compris le noyau, " a déclaré Bozdag. "Nos méthodes sont chères - nous avons besoin d'un superordinateur pour les exécuter - mais nos résultats montrent que ces dépenses sont justifiées, même nécessaire."