Le sud de la Californie définit le cool. Les climats parfaits de San Diego, le faste d'Hollywood, la magie de Disneyland. La géologie est assez spectaculaire, également.

"Le sud de la Californie est un laboratoire naturel de premier ordre pour étudier les processus sismiques actifs, " a déclaré Tom Jordan, professeur au Département des sciences de la Terre de l'Université de Californie du Sud (USC). "Le désert permet d'observer très bien le système de failles."

Le système de failles auquel il fait référence est le San Andreas, parmi les systèmes de failles les plus célèbres au monde. Avec des racines profondes au Mexique, il cicatrise la Californie de la mer de Salton au sud jusqu'au cap Mendocino au nord, où il faut ensuite plonger vers l'ouest dans le Pacifique.

Situé au cœur du système de défaillance de San Andreas, Le sud de la Californie est un endroit idéal pour étudier les tremblements de terre. Le fait qu'il abrite près de 24 millions de personnes en fait une raison plus urgente de les étudier.

Jordan et une équipe du Southern California Earthquake Center (SCEC) utilisent les ressources de calcul intensif de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie des États-Unis (DOE), faire progresser la modélisation pour l'étude du risque sismique et comment le réduire.

Basée à l'USC, le centre est l'une des plus grandes collaborations en géosciences, engageant plus de 70 instituts de recherche et 1, 000 enquêteurs du monde entier.

L'équipe s'appuie sur un siècle de données provenant d'enregistrements instrumentaux ainsi que de modèles régionaux et nationaux de risques sismiques pour développer de nouveaux outils permettant de comprendre les risques sismiques. En collaboration avec l'ALCF, il a utilisé ces informations pour améliorer son simulateur de rupture sismique, RSQSim.

RSQ est une référence au frottement dépendant de la vitesse et de l'état dans les tremblements de terre - une loi de frottement qui peut être utilisée pour étudier la nucléation, ou d'initiation, de tremblements de terre. RSQSim modélise à la fois les processus de nucléation et de rupture pour comprendre comment les séismes transfèrent les contraintes vers d'autres failles.

Le personnel de l'ALCF a joué un rôle déterminant dans l'adaptation du code à Mira, le supercalculateur de 10 pétaflops de l'ALCF, qui permet les simulations plus importantes nécessaires pour modéliser les comportements sismiques dans des systèmes de failles très complexes, comme San Andreas, et qui a conduit à la plus grande découverte de l'équipe.

Le SCEC, en partenariat avec le US Geological Survey, avait déjà développé un modèle empirique qui intègre la théorie, informations géologiques et données géodésiques, comme les déplacements GPS, pour déterminer les relations spatiales entre les failles et les taux de glissement des plaques tectoniques qui ont créé ces failles.

Bien que plus traditionnel, une version plus récente est considérée comme la meilleure représentation des ruptures sismiques en Californie, mais l'image qu'il dépeint n'est toujours pas aussi précise que les chercheurs le souhaiteraient.

« Nous savons à quel point les tremblements de terre peuvent être importants, à quelle fréquence ils se produisent et où ils se produisent, mais on ne peut pas les prévoir précisément dans le temps, " note Jordan.

L'équipe s'est tournée vers Mira pour exécuter RSQSim afin de déterminer s'il pouvait obtenir des résultats plus précis plus rapidement. Un code basé sur la physique, RSQSim produit des catalogues de séismes synthétiques à long terme qui comprennent des dates, fois, les emplacements et les magnitudes des événements prévus.

En utilisant la simulation, les chercheurs imposent des contraintes sur une représentation d'un système de failles, changer le stress dans une grande partie du système et ainsi changer la façon dont les futurs séismes se produisent. Essayer de modéliser ces puissantes interactions médiées par le stress est particulièrement difficile avec des systèmes complexes et des failles comme San Andreas.

"Nous laissons simplement le système évoluer et créer des catalogues de tremblements de terre pour cent mille ou un million d'années. C'est comme jeter un grain de sable dans un ensemble de rouages ​​pour voir ce qui se passe, " a expliqué Christine Goulet, membre de l'équipe et directeur scientifique exécutif pour des projets spéciaux avec SCEC.

Le résultat final est une image plus détaillée du danger possible, qui prévoit une séquence de tremblements de terre de diverses magnitudes attendues sur la faille de San Andreas sur une plage de temps donnée.

Le groupe a essayé de calibrer les nombreux paramètres de RSQSim pour reproduire le modèle conçu par le SCEC et l'U.S. Geological Survey. Mais le groupe a finalement décidé d'exécuter le code avec ses paramètres par défaut. Alors que l'intention initiale était d'évaluer l'ampleur des différences entre les modèles, ils ont découvert, au lieu, que les deux modèles s'accordaient étroitement sur leurs prévisions d'activité sismologique future.

"C'était donc un moment aha. Eurêka, " se souvient Goulet. " Les résultats ont été une surprise car le groupe avait bien réfléchi à l'optimisation des paramètres. La décision de ne pas les modifier par rapport à leurs valeurs par défaut a donné de très bons résultats."

Les chercheurs ont noté que la validation mutuelle des deux approches pourrait s'avérer extrêmement productive pour évaluer davantage les estimations des risques sismiques et leurs incertitudes.

Les informations dérivées des simulations aideront l'équipe à calculer les forts mouvements du sol générés par les failles qui se produisent à la surface, les secousses caractéristiques qui sont synonymes de tremblements de terre. Pour faire ça, l'équipe couple les prévisions de rupture sismique, le SCEC-U.S. Code de la Commission géologique et RSQSim, avec différents modèles qui représentent la façon dont les ondes se propagent dans le système. Ces modèles impliquent des équations standards, appelées équations de prédiction du mouvement du sol, utilisé par les ingénieurs pour calculer les niveaux de secousses des tremblements de terre de différentes tailles et emplacements.

"Ces expériences montrent que le modèle basé sur la physique RSQSim peut reproduire les estimations de l'aléa sismique dérivées du modèle empirique, mais avec beaucoup moins d'hypothèses statistiques, " a noté Jordan. " L'accord nous donne plus de confiance que les modèles d'aléa sismique pour la Californie sont cohérents avec ce que nous savons sur la physique des tremblements de terre. Nous pouvons maintenant commencer à utiliser cette physique pour améliorer les modèles de risque."