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Exemple de dommages suite au séisme de l'Aquila le 6 avril 2009 dans les Abruzzes en Italie. Maison individuelle dans la commune de Roio Piano (Roio Piano, 2009). © BRGM - Julien Rey

Mecasol : codes numériques de propagation des ondes sismiques en milieu géologique complexe

01.07.2012
Reproduire avec précision l’évolution spatio-temporelle des ondes sismiques observées, afin de prévoir (pour un scénario de séisme donné) les futurs mouvements du sol, est un objectif majeur des sismologues. Le projet Mecasol s’inscrit dans cette problématique.

Objectifs et verrous du projet Mecasol

Le sujet traité par Mecasol concerne la simulation à grande échelle des séismes depuis la génération des ondes à la source sismique, jusqu’aux effets de site dus aux dépôts sédimentaires ou aux topographies spécifiques. La finalité est de reproduire chaque ondelette des sismogrammes observés dans une gamme de fréquence utile aux dynamiciens des structures.

Les verrous scientifiques demeurent toutefois nombreux, liés à la compréhension des phénomènes physiques lors d’un séisme : rupture dynamique de la source, propagation des ondes en milieu complexe, comportement non-linéaire des sols en bassin sédimentaire… Ils requièrent la programmation d’un outil numérique tenant compte des meilleures approximations de ces phénomènes pour simuler la propagation des ondes en milieu géologique réaliste, et la résolution de problèmes à grande échelle et à haute résolution.

Simulation de propagation d’ondes sismiques en bassin sédimentaire lors d’un séisme de magnitude Mw = 2,6 réalisée avec le code en éléments finis spectraux Efispec3D. L’échelle de couleur représente l’intensité, à un instant "t", du mouvement horizontal des particules de sol. Le domaine représente une zone d’environ 15 x 15 km.

Mecasol épaulé par le projet Omacs et le développement du code Efispec3D

Les développements réalisés dans le projet Mecasol ont permis de lever une partie de ces verrous, d’autant qu’il est épaulé par un autre projet, Omacs, piloté par les spécialistes internes des systèmes d’information, et qui vise à explorer de nouvelles pistes algorithmiques permettant d’améliorer les simulations numériques. Un code en éléments finis spectraux (Efispec3D) a été développé afin de résoudre l’équation tridimensionnelle de propagation des ondes en milieu élastique et/ou viscoélastique.

Pour résoudre des problèmes à grande échelle avec une résolution fine (jusqu’à un point de calcul tous les 10 m dans les zones requérant une grande précision), le code Efispec3D a été programmé en Message Passing Interface (MPI) de façon à pouvoir être lancé sur des architectures de calcul performantes. Ces travaux, nécessitant une grande puissance de calcul et de mémoire RAM (ex. 150 Go ou plus), ont été réalisés en s’appuyant sur deux grappes de calcul, soit 192 processeurs mobilisés au BRGM et au Centre informatique national de l’enseignement supérieur (CINES). Ils ont permis des simulations à grande échelle (zone de 30 x 30 x 20 km) et à haute résolution (4 Hz).

Simulation sur un séisme de magnitude 2,6 intervenant dans un bassin sédimentaire

La simulation totale de 30 secondes (réalisée sur quinze jours) portait sur un séisme de magnitude 2,6 intervenant dans un bassin sédimentaire caractérisé par la présence de plusieurs couches de sédiments à faible vitesse de propagation d’onde et un fort contraste de vitesse entre le rocher et le bassin sédimentaire. Elle comportait 120 000 pas de temps espacés de 2,5 x 10-4 secondes et 270 millions de points de calcul.

Bilan favorable du projet Mecasol et perspectives

Si les objectifs visés par Mecasol ont été atteints avec le développement d’un code de calcul de propagation d’ondes en milieu linéaire et viscoélastique, des travaux complémentaires restent à mener, notamment sur les lois de comportement non-linéaire des sols en bassin sédimentaire. C’est l’objet du projet Cyberquake-2012 qui vise le développement de ces lois dans le code de calcul Efispec1D.

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34