Des scientifiques de Munich ont achevé la première simulation détaillée du tremblement de terre de Sumatra qui a déclenché un tsunami dévastateur le lendemain de Noël en 2004. Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur les processus géophysiques sous-jacents.

Le tremblement de terre de Noël 2004 à Sumatra-Andaman a été l'un des événements sismiques les plus puissants et les plus destructeurs de l'histoire. Il a déclenché une série de tsunamis, tuant au moins 230 personnes, 000 personnes. La séquence exacte des événements impliqués dans le séisme reste incertaine.

Une meilleure compréhension des processus géophysiques impliqués est désormais à portée de main, grâce à une simulation réalisée par une équipe de géophysiciens, informaticiens et mathématiciens de l'Université technique de Munich (TUM) et de LMU Munich sur le supercalculateur SuperMUC du Leibniz Supercomputing Center (LRZ) de l'Académie bavaroise des sciences. Cette simulation de dynamique de rupture la plus importante jamais réalisée pour un séisme pourrait faciliter le développement de systèmes d'alerte précoce plus fiables. Les résultats de la simulation seront présentés à la Conférence internationale sur le calcul haute performance, La mise en réseau, Stockage et analyse (SC 17) à Denver, Colorado, qui a commencé le 12 novembre.

Une prévision précise est pratiquement impossible

Dans les zones de subduction - endroits où les plaques tectoniques se rencontrent au niveau des coutures de la croûte terrestre, avec une plaque se déplaçant sous l'autre - les tremblements de terre se produisent à intervalles réguliers. Cependant, on ne sait pas encore précisément dans quelles conditions de tels "séismes de subduction" peuvent provoquer des tsunamis ou quelle sera leur ampleur.

Les tremblements de terre sont des processus physiques très complexes. Contrairement aux processus mécaniques se produisant au front de rupture, qui se déroulent sur une échelle de quelques mètres au plus, toute la surface de la Terre monte et descend sur une superficie de centaines de kilomètres carrés. Lors du tremblement de terre de Sumatra, la déchirure de la croûte terrestre s'étend sur plus de 1, 500 km (environ l'équivalent de la distance de Munich à Helsinki ou de Los Angeles à Seattle) - la plus longue faille de rupture jamais vue. Dans les 10 minutes, le fond marin a été déplacé verticalement par le tremblement de terre jusqu'à 10 mètres.

Simulation avec plus de 100 milliards de degrés de liberté

Pour simuler l'ensemble du séisme, les scientifiques ont couvert la zone s'étendant de l'Inde à la Thaïlande avec un maillage tridimensionnel composé de plus de 200 millions d'éléments et incorporant plus de 100 milliards de degrés de liberté.

La taille des éléments variait selon la résolution requise :Un maillage beaucoup plus fin a été utilisé le long de la faille afin de résoudre les processus de frottement complexes, et en surface pour tenir compte des caractéristiques topographiques et des ondes sismiques de vitesse relativement faible qui s'y trouvent. Dans les zones peu complexes et les vagues rapides, un maillage plus grossier a été utilisé.

Pour calculer le schéma de propagation des ondes sismiques, plus de trois millions de pas de temps ont dû être calculés sur les plus petits éléments. En tant que données d'entrée, l'équipe a utilisé toutes les informations disponibles sur la structure géologique de la zone de subduction et les conditions initiales sur le fond marin, ainsi que des expériences en laboratoire sur le comportement de fracturation des roches.

En plus de la grande limite de plaque dite mégathrust, les scientifiques ont considéré trois failles d'évasement plus petites, ou des défauts de branchement, soupçonné d'avoir fortement impacté la déformation du fond océanique à l'origine du tsunami.

Près de 50 000 milliards d'opérations

"Pour permettre de terminer la simulation sur SuperMUC dans un délai raisonnable, il a finalement fallu cinq ans de préparation pour optimiser notre logiciel de simulation de tremblement de terre SeisSol. Il y a tout juste deux ans, le temps de calcul de la simulation aurait été 15 fois plus long, " explique Michael Bader, professeur d'informatique à la TUM.

Tous les composants algorithmiques, depuis l'entrée et la sortie des données et les algorithmes numériques utilisés pour résoudre les équations physiques jusqu'à la mise en œuvre parallèle sur des milliers de processeurs multicœurs, devait être optimisé pour le SuperMUC.

La simulation Sumatra a quand même pris près de 14 heures de temps de traitement sur les 86, 016 cœurs du SuperMUC, qui a effectué près de 50 000 milliards d'opérations (près de 1015 opérations par seconde, soit environ 1 pétaflop/s – un tiers des performances de calcul maximales théoriques).

La simulation de tremblement de terre la plus grande et la plus longue jamais réalisée

« Nous avons terminé avec succès la plus grande simulation de tremblement de terre du genre jamais vue, ", explique la géophysicienne du LMU, le Dr Alice-Agnes Gabriel. "D'une durée d'environ huit minutes, c'est aussi le plus long. En plus de ça, il s'agissait du tout premier scénario basé sur la physique pour un véritable processus de rupture par subduction. Avec le calcul simultané de la rupture compliquée de plusieurs segments de faille et de la propagation souterraine des ondes sismiques, nous avons acquis des informations passionnantes sur les processus géophysiques du tremblement de terre."

En particulier, dit le Dr Gabriel, "Les défauts d'évasement, qui peuvent être imaginées comme des fractures pop-up à côté de la tranchée de subduction connue, conduit à brusquement, longue période, déplacements verticaux du fond marin, et donc à un risque accru de tsunami. Maintenant, cette capacité d'incorporer de telles géométries réalistes dans des modèles physiques de tremblement de terre est unique au monde. »