Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont créé un nouveau modèle de tomographie de forme d’onde adjointe qui simule plus précisément les mouvements du sol liés aux tremblements de terre et aux explosions. L’article, publié dans le Journal of Geophysical Research: Solid Eartha été sélectionné pour un Editor’s Highlight.
La tomographie sismique est une méthode pour estimer les propriétés matérielles sismiques tridimensionnelles (3D) inaccessibles de la Terre, en particulier les vitesses des ondes de compression et de cisaillement liées à la composition et aux variations de température. Il fournit des images de structures 3D liées aux processus tectoniques des plaques ainsi que des modèles pour mieux représenter la propagation des ondes sismiques à travers la structure complexe de la Terre.
Contrairement aux modèles de tomographie sismique typiques, ce modèle utilise des simulations de propagation d’ondes entièrement tridimensionnelles pour calculer la sensibilité des sismogrammes observés à la structure de la Terre, permettant des simulations plus précises et de meilleures estimations des propriétés des sources sismiques.
Dans la nouvelle recherche, les scientifiques ont créé un nouveau modèle de la structure sismique 3D pour les 400 km supérieurs de la Terre dans l’ouest des États-Unis en utilisant la tomographie de forme d’onde adjointe (AWT). Le modèle est produit par un processus d’inversion de forme d’onde à forte intensité de calcul qui met à jour le modèle de sous-surface pour améliorer la correspondance avec les sismogrammes observés. Afin de trianguler les caractéristiques dans le modèle, AWT est également gourmand en données, nécessitant de nombreux sismogrammes traversant la région cible.
L’équipe, composée de scientifiques du programme de surveillance géophysique (GMP) du LLNL et de chercheurs de Mondaic, une petite start-up incubatrice de l’Institut fédéral suisse de technologie, a utilisé plus de 60 000 simulations HPC sur le supercalculateur Lassen du LLNL pour exécuter 256 itérations de modèle. pour 72 tremblements de terre pour correspondre à près de 100 000 sismogrammes.
« Bien qu’il existe d’autres modèles de l’ouest des États-Unis, ce modèle est unique en ce qu’il est basé sur beaucoup plus d’itérations d’inversion que les modèles précédents et offre de bien meilleurs ajustements aux sismogrammes enregistrés », a déclaré Artie Rodgers, scientifique du LLNL, auteur principal de l’article. « Il peut également fournir des estimations plus précises des caractéristiques de la source sismique en supprimant la distorsion due à la structure inconnue de la Terre en 3D dans les modèles précédents. »
Les chercheurs ont découvert que la structure sismique est composée de variations 3D des vitesses et de la densité des ondes sismiques de compression et de cisaillement, et que les ondes polarisées horizontalement et verticalement ont des vitesses différentes.
Alors que de nombreuses études de tomographie sismique se concentrent sur l’imagerie de la structure souterraine, la principale motivation de ce nouveau travail était le développement d’un modèle 3D pour des ajustements de forme d’onde améliorés de périodes de 20 à 120 secondes après un mouvement de la Terre.
« Nous avons produit une structure 3D plus détaillée de la croûte et du manteau supérieur dans le but d’améliorer les capacités prédictives des simulations de formes d’onde 3D pour des applications telles que la caractérisation des sources et/ou les simulations de mouvement du sol sismique à longue période », a déclaré Rodgers. « Les ajustements de forme d’onde sont remarquablement meilleurs avec notre modèle final par rapport aux modèles précédents de la même région. »
Les méthodes de surveillance des explosions nucléaires peuvent bénéficier de modèles 3D capables de simuler avec précision des formes d’onde à courte période (20 s), qui sont fortement impactées par la structure de la croûte et du manteau supérieur. De même, les études sur les aléas et les risques liés aux mouvements du sol sismiques nécessitent des simulations de formes d’onde de période beaucoup plus courte (moins de 5 à 10 s) que celles trouvées dans le nouveau modèle. Cependant, Rodgers a déclaré que la structure à grande échelle doit d’abord s’adapter aux données de période plus longue avant d’explorer les vagues de période plus courte. Des travaux pour résoudre une structure à plus petite échelle sont en cours.
Cette nouvelle méthode permet au LLNL d’exploiter davantage d’informations sur les formes d’ondes sismiques pour soutenir la surveillance nationale et internationale des essais nucléaires. Claire Doody, étudiante diplômée de l’UC Berkeley, et les scientifiques du LLNL Andrea Chiang et Nathan Simmons ont également contribué à la recherche.
A. Rodgers et al, WUS256: Un modèle de tomographie de forme d’onde adjointe de la croûte et du manteau supérieur de l’ouest des États-Unis pour des simulations de forme d’onde améliorées, Journal of Geophysical Research: Solid Earth (2022). DOI : 10.1029/2022JB024549