Propagation des ondes sismiques et ouverture des failles lors du tremblement de terre de Ridgecrest, en Californie. Visualisation de 15 To de données de simulation sur un superordinateur. Crédit : Greg Abram et Francesca Samsel (Texas Advanced Computing Center), et Alice Gabriel (UC San Diego/Université Ludwig Maximilian de Munich)
Des scientifiques utilisent un superordinateur pour dévoiler la dynamique complexe des systèmes sismiques à failles multiples.
Aux premières heures du 4 juillet 2019, un tremblement de terre de magnitude 6,4 a secoué la vallée de Searles dans le désert de Mojave en Californie, provoquant des secousses ressenties dans toute la Californie du Sud. Environ 34 heures plus tard, le 5 juillet, Ridgecrest, une ville voisine, a connu un tremblement de terre de magnitude 7,1. Les secousses ont été si intenses qu’elles ont été ressenties par des millions de personnes en Californie et dans les régions voisines comme l’Arizona, le Nevada et la Basse-Californie, au Mexique.
Ces tremblements de terre, appelés collectivement « tremblements de terre de Ridgecrest », ont été les plus puissants à toucher la Californie depuis plus de vingt ans. Ils ont provoqué de nombreux dégâts structurels, des pannes d’électricité et des blessures. L’événement de magnitude 6,4 qui s’est produit à Searles Valley a été classé plus tard comme une onde de choc avant l’événement M7,1 de Ridgecrest, Chaque tremblement de terre a été suivi d’une multitude de répliques.
Les chercheurs ont été déconcertés par la séquence de l’activité sismique. Pourquoi a-t-il fallu 34 heures pour que la secousse préliminaire déclenche la secousse principale ? Comment ces tremblements de terre ont-ils pu « sauter » d’un segment à l’autre d’un système de failles géologiques ? Les tremblements de terre peuvent-ils « parler » entre eux de manière dynamique ?
Pour répondre à ces questions, une équipe de sismologues de la Scripps Institution of Oceanography de l’université de San Diego et de l’université Ludwig Maximilian de Munich (LMU) a mené une nouvelle étude axée sur la relation entre les deux grands tremblements de terre, qui se sont produits le long d’un système de failles multiples. L’équipe a utilisé un puissant superordinateur qui a intégré des modèles basés sur les données et la physique pour identifier le lien entre les tremblements de terre.
La sismologue Alice Gabriel du Scripps Oceanography, qui travaillait auparavant à la LMU, a dirigé l’étude avec son ancien doctorant à la LMU, Taufiq Taufiqurrahman, et plusieurs coauteurs. Leurs conclusions ont été récemment publiées dans la revue Nature.
« Nous avons utilisé les plus gros ordinateurs disponibles et peut-être les algorithmes les plus avancés pour essayer de comprendre cette séquence vraiment déroutante de tremblements de terre qui s’est produite en Californie en 2019 », a déclaré M. Gabriel, actuellement professeur associé à l’Institut de géophysique et de physique planétaire de l’institut océanographique Scripps. « Le calcul à haute performance nous a permis de comprendre les facteurs moteurs de ces grands événements, ce qui peut aider à informer l’évaluation des risques sismiques et la préparation. »
Il est important de comprendre la dynamique des ruptures multi-failles, a déclaré M. Gabriel, car ces types de séismes sont généralement plus puissants que ceux qui se produisent sur une seule faille. Par exemple, le doublet de séismes Turquie-Syrie qui s’est produit le 6 février 2023 a entraîné d’importantes pertes en vies humaines et des dégâts considérables. Cet événement a été caractérisé par deux tremblements de terre distincts qui se sont produits à seulement neuf heures d’intervalle et qui se sont tous deux brisés sur plusieurs failles.
Lors des séismes de Ridgecrest de 2019, qui ont pris naissance dans la zone de cisaillement de l’est de la Californie le long d’un système de failles à glissement, les deux côtés de chaque faille se sont déplacés principalement dans une direction horizontale, sans mouvement vertical. La séquence de séismes s’est déroulée en cascade sur des failles « antithétiques » entrelacées et inconnues jusqu’à présent, des failles mineures ou secondaires qui se déplacent à des angles élevés (proches de 90 degrés) par rapport à la faille principale. Au sein de la communauté sismologique, le débat se poursuit sur les segments de faille qui ont activement glissé et sur les conditions qui favorisent l’apparition de tremblements de terre en cascade.
La nouvelle étude présente le premier modèle multi-failles qui unifie les sismogrammes, les données tectoniques, la cartographie de terrain, les données satellitaires et d’autres ensembles de données géodésiques spatiales avec la physique des tremblements de terre, alors que les modèles précédents sur ce type de tremblement de terre ont été purement axés sur les données.
« Grâce à la modélisation fondée sur les données, renforcée par les capacités des superordinateurs, nous dévoilons les complexités des séismes conjugués à failles multiples, en mettant en lumière la physique qui régit la dynamique des ruptures en cascade », a déclaré M. Taufiqurrahman.
En utilisant le superordinateur SuperMUC-NG du Leibniz Supercomputing Centre (LRZ) en Allemagne, les chercheurs ont révélé que les événements de Searles Valley et de Ridgecrest étaient effectivement liés. Les tremblements de terre ont interagi à travers un système de faille statiquement fort mais dynamiquement faible, entraîné par des géométries de faille complexes et un faible frottement dynamique.
La simulation de rupture tridimensionnelle de l’équipe illustre comment les failles considérées comme fortes avant un tremblement de terre peuvent devenir très faibles dès qu’il y a un mouvement rapide du tremblement de terre et explique la dynamique de la rupture simultanée de plusieurs failles.
« Lorsque des systèmes de failles se rompent, on observe des interactions inattendues. Par exemple, des cascades de tremblements de terre, qui peuvent sauter d’un segment à l’autre, ou un tremblement de terre qui entraîne le suivant sur une trajectoire inhabituelle. Le tremblement de terre peut devenir beaucoup plus important que ce à quoi nous nous attendions », a déclaré M. Gabriel. « C’est un aspect qu’il est difficile d’intégrer dans l’évaluation des risques sismiques.
Selon les auteurs, leurs modèles pourraient avoir un « impact transformateur » sur le domaine de la sismologie en améliorant l’évaluation des risques sismiques dans les systèmes actifs à failles multiples qui sont souvent sous-estimés.
« Nos résultats suggèrent que des modèles similaires pourraient intégrer davantage de physique dans l’évaluation des risques sismiques et la préparation », a déclaré M. Gabriel. « Avec l’aide des superordinateurs et de la physique, nous avons démêlé l’ensemble de données sans doute le plus détaillé d’un modèle de rupture de tremblement de terre complexe.
Référence : « Dynamique, interactions et retards de la séquence de rupture de 2019 Ridgecrest » par Taufiq Taufiqurrahman, Alice-Agnes Gabriel, Duo Li, Thomas Ulrich, Bo Li, Sara Carena, Alessandro Verdecchia et František Gallovič, 24 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05985-x
L’étude a été soutenue par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, Horizon Europe, la National Science Foundation, la German Research Foundation et le Southern California Earthquake Center.