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Petaquake utilise les GPU NVIDIA pour analyser les ondes sismiques
Petaquake

La tragédie de 2011 au Japon nous l’a rappelé : les séismes peuvent frapper sans prévenir, même dans des zones sans historique d’activité sismique. Pour étudier avec précision les tremblements de terre, il faut réaliser des simulations ultra précises englobant de nombreux facteurs comprenant les données d’incidents, les risques locaux, les données géologiques et le type d’événement sismique anticipé. Avec ces données, les chercheurs peuvent améliorer leurs prévisions et émettre des alertes sismiques.

Défi


Les modèles actuels de prédiction des mouvements sismiques utilisent une technologie de modélisation dynamique de la rupture sismique. Ces modèles requièrent une grande puissance de calcul et une mémoire avancée que seuls les supercalculateurs à hautes performances peuvent offrir. Malheureusement, ces derniers n’existent qu’en quantité limitée. « Les prédictions sont difficiles à réaliser car la matière à travers laquelle l’onde sismique se propage est d’une grande complexité, » explique Lapo Boschi, titulaire d’un doctorat et chercheur senior en Sismologie et en Géodynamique à l'Institut de géophysique de Zurich.

Solution


Petaquake est un projet de recherche collaboratif entre des sismologues (de l’École polytechnique fédérale de Zurich) et des chercheurs en informatique et des mathématiciens (de l’Université de Bâle), qui a pour objectif de développer des méthodes d’imagerie permettant de modéliser la structure interne de la Terre. Leur mission consiste à réduire les conjectures et à améliorer les procédures de détection sismique et les alertes liées aux tremblements de terre.

En définissant une grille numérique et les caractéristiques précises du sol (épaisseur, flexibilité, fragilité) composant chaque segment de cette grille, les sismologues peuvent créer un modèle 3D de la croûte terrestre, afin de calculer les paramètres d’oscillation de zones spécifiques pendant un séisme. En exploitant la puissance de calcul massive des GPU NVIDIA, Petaquake permet de suivre les ondes sismiques afin de modéliser la structure 3D interne de la Terre.

« Le concept de Petaquake est comparable à la tomographie, à l’exception près que nous utilisons des radiations élastiques (les ondes sismiques) au lieu de radiations électromagnétiques (rayons X), » précise Tarje Nissen-Meyers, titulaire d’un doctorat et chercheur senior en Sismologie et en Géodynamique à l'Institut de géophysique de Zurich. « Il peut s’avérer capital de connaître les caractéristiques précises de la couche souterraine des villes, afin de prendre les précautions nécessaires lors des projets de construction. » Ces informations peuvent également permettre de lancer plus rapidement des alertes sismiques et de protéger de manière anticipée les édifices sensibles (hôpitaux, centrales nucléaires, etc.).

Impact


L’optimisation du rendu des structures géologiques 3D, qui est essentielle en matière d’évaluation des risques sismiques, requiert de mettre en place un système d’analyse de la propagation des ondes sismiques. Ce dernier nécessite d’établir des millions de points de grille et d’exécuter un nombre tout aussi important de simulations nécessitant une grande puissance de calcul. Ces simulations, nettement accélérées via les procédures de calcul par le GPU, peuvent fournir des résultats statistiques précis sur les tremblements de terre potentiels. Une détection sismique anticipée permet de prévenir les dommages majeurs d’un séisme, car ce n’est pas la première vague qui cause le gros des dégâts, mais les vagues sismiques subséquentes. Un projet tel que Petaquake pourrait fournir une meilleure compréhension des caractéristiques précises de nombreuses zones géographiques, et permettre aux spécialistes du développement urbain de renforcer certaines constructions et de protéger les édifices les plus sensibles aux séismes.

Les codes de Petaquake, exploitant la puissance parallèle des GPU, devraient accélérer de 10 à 40 fois les calculs à grande échelle. Auparavant, il était rare de voir un groupe d’étudiants ou de post doctorants mener un projet de plus de deux ans, pour des raisons de planning et de budget. Cependant, grâce à la puissance des GPU, un projet de recherche qui nécessitait deux années de travail peut maintenant être bouclé en un mois. Un plus grand nombre de projets de calcul à hautes performances est désormais envisageable.

Après un événement sismique, les GPU permettent également d’analyser plus rapidement les dommages causés par un tremblement de terre. « Avec les GPU, nous avons pu évaluer les caractéristiques d’un séisme en 15 minutes, contre 5 heures auparavant, » ajoute Nissen-Meyers. Les heures suivant un tremblement de terre sont cruciales pour comprendre l’étendue des dégâts et pour organiser les opérations de secours.

Même si Petaquake ne permet pas encore de prédire la date des futurs tremblements de terre, il permet de suivre avec précision les propagations sismiques afin d’anticiper l’effet d’un séisme dans une zone précise et d’évaluer les risques potentiels. Par ailleurs, Petaquake permet d’analyser l’impact global d’un mouvement sismique à l’étendue de tout un continent.

À l’heure actuelle, le continent européen est en cours d’étude afin de mieux comprendre les forces tectoniques à l’œuvre entre les plaques africaines et européennes et de définir avec précision les raisons de la haute sismicité observée en Italie et en Grèce.