Groupe jeunes • Simulations numériques des ondes sismiques : avancées récentes et perspectives futures

Rejoignez le prochain séminaire du GJ de l’AFPS intitulé "SIMULATIONS NUMÉRIQUES DES ONDES SISMIQUES : AVANCÉES RÉCENTES ET PERSPECTIVES FUTURES ", animé par Fanny Lehmann, doctorante en 2ème année au Laboratoire de Mécanique Paris Saclay (Centrale Supélec, ENS Paris Saclay) et au CEA , Laura Bagur, doctorante en troisième année à l'ENSTA et Cécile Cornou directrice de recherche à l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD), affectée au laboratoire ISTerre au sein de l'Université Grenoble Alpes.

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Quand : 16/06/2023 9h00 (heure de Paris)

Où : locaux de la DGPR, Tour Sequoia à la Défense.

Présidente de l'événement : Reine Fares, ingénieur chercheur au CEA de Saclay.

Programme :

9h00 – 9h15 Accueil
9h15 – 9h30 Reine Fares Introduction du séminaire
9h30 – 10h00 Fanny Lehmann Jumeau numérique pour la propagation sismique 3D avec des opérateurs de neurones
10h00 – 10h30           Laura Bagur 2D quasi-dynamic earthquake rupture simulations using Fast Boundary Element Methods
10h30 – 11h00 Cécile Cornou Modélisation des dommages sismiques et des débris à l'échelle des bâtiments à Beyrouth (Liban) dans un contexte de données parcellaires

Sommaire 

Jumeau numérique pour la propagation sismique 3D avec des opérateurs de neurones - Fanny Lehmann

Les simulations numériques haute-fidélité sont de plus en plus utilisées pour étudier les impacts des séismes. Cependant, les paramètres dont elles dépendent contiennent souvent de larges incertitudes. En particulier, le milieu géologique dans lequel les ondes sismiques se propagent est généralement mal caractérisé, ce qui peut avoir des effets considérables sur la réponse du sol en surface. Or, les simulations numériques en 3 dimensions ne peuvent pas être directement utilisées pour quantifier les incertitudes du fait de temps de calcul prohibitifs.

Nous proposons un réseau de neurones basé sur la méthode des Fourier Neural Operators (FNO, [Li, 2021]) afin de prédire le mouvement du sol à partir de la géologie. Le FNO est entraîné avec une base de données de 30 000 simulations haute fidélité générées avec le code SEM3D. Les géologies de la base de données sont construites à partir de champs aléatoires en 3 dimensions afin de garantir de bonnes capacités de généralisation.

Nous avons montré que le FNO prédit avec une bonne précision le mouvement du sol en tout point de la surface et pour toute la durée de propagation du séisme. En particulier, les temps d’arrivée et les variations spatiales dues aux hétérogénéités géologiques sont très bien reproduites.

Notre méthode est donc pertinente pour construire un jumeau numérique qui prédise le mouvement du sol rapidement et précisément. Il pourra ainsi être utilisé dans de futures analyses de sensibilité et de propagation d’incertitudes.

2D quasi-dynamic earthquake rupture simulations using Fast Boundary Element Methods - Laura Bagur

Earthquakes due to either natural or anthropogenic sources cause important human and material damage. In both cases, the presence of pore fluid influence the triggering of seismic instabilities. The objective of this work is to provide efficient and accurate simulations of fluid-injection effects on a single fault during earthquake instability to explore the advantages and limitations of novel earthquake mitigation stratégies.

The methodology proposed to reach this goal consists in :

— the simulation of fault mechanics problems in the spirit of earthquake cycle simulations using Fast Boundary Element methods (Fast BEMs) [1]

— the modeling of fluid effects during earthquake instability

— the extension of Fast BEMs to fault mechanic problems incorporating hydro-mechanical couplings

The main methods used for numerical modeling of earthquake ruptures are spectral BEMs and Fast BEMs. In this presentation, we consider both spectral BEMS and Fast-BEMs to simulate one earthquake rupture at a planar interface between two elastic media. We developed a numerical tool in Python to simulate sequences of earthquakes and aseismic slip for simplified configurations. A rate-and-state friction law [2], [3] is considered and different adaptive time stepping algorithms inspired from the literature [4], [5], [6] are assessed. For the simplified case of a plane-strain loaded planar fault in an elastic media, the different solving methods are compared in terms of convergence, computational cost and versatility. Finally, the modeling of fluid effects during earthquake instability and their simulation using Fast BEMs are discussed.

[1] S. Chaillat, L. Desiderio, P. Ciarlet. Theory and implementation of -matrix based iterative and direct solvers for Helmoltz and elastodynamics oscillatory kernels, Journal of Computational Physics, 165-186, 2017.

[2] J. H. Dieterich. Time-Dependent Friction and the Mechanics of Stick-Slip, Rock Friction and Earthquake Prediction: Contributions to Current Research in Geophysics (CCRG), J. D. Byerlee and M. Wyss, 790-806, 1978.

[3] A. Ruina. Slip instability and state variable friction laws, Journal of Geophysical Research : Solid Earth, 10359-10370, 1983.

[4] N. Lapusta, J. Rice et al.. Elastodynamic analysis for slow tectonic loading with spontaneous rupture episodes on faults with rate- and state-dependent friction, Journal of Geophysical Research : Solid Earth, 23765-23789, 2000.

[5] P. Romanet, S. Ozawa. Fully Dynamic Earthquake Cycle Simulations on a Nonplanar Fault Using the Spectral Boundary Integral Element Method (sBIEM), Bulletin of the Seismological Society of America, 2021.

[6] S. Ozawa, A. Ida, T. Hoshino, R. Ando Large-scale earthquake sequence simulations on 3D nonplanar faults using the boundary element method accelerated by lattice H-matrices., Geophysical Journal International, 232(3), 1471-1481., 2022

Modélisation des dommages sismiques et des débris à l'échelle des bâtiments à Beyrouth (Liban) dans un contexte de données parcellaires - Cécile Cornou

L'estimation des dommages sismiques et des débris à l'échelle urbaine restent un défi. En effet, les méthodes couramment utilisées pour l'estimation des dommages sismiques prennent rarement en compte les effets de site à l’échelle du bâtiment, en particulier les coïncidences de fréquences entre le sol et le bâtiment. Par ailleurs, les quelques méthodes disponibles pour l'estimation des débris ne permettent pas d'estimer à la fois la quantité de débris générés par bâtiment en fonction de son niveau de dégâts et la distribution des débris (étendue et hauteur) autour des bâtiments. Enfin, dans certains territoires, le manque de données complètes sur le parc immobilier, les propriétés des bâtiments et leur taxonomie complexifie l'évaluation des conséquences possibles d'un séisme à l'échelle urbaine. Cette présentation propose des améliorations d'évaluation des dommages sismiques et des débris au niveau des bâtiments, ainsi que des méthodes d’estimation de la vulnérabilité des bâtiments à l’aide d’images satellites et de données statistiques parcellaires. Ces développements, appliqués à la ville de Beyrouth, au Liban, mettent en évidence le contrôle des effets du site sur la distribution spatiale des dommages sismiques dans la ville, ainsi que le volume important et l'étendue des débris auxquels s'attendre dans cette ville.

Présentation des intervenantes 

Fanny Lehmann est doctorante en 2ème année au Laboratoire de Mécanique Paris Saclay (Centrale Supélec, ENS Paris Saclay) et au CEA. Encadrée par Didier Clouteau, Filippo Gatti et Michaël Bertin, sa thèse a pour but de construire un jumeau numérique pour quantifier la réponse sismique d’un site d’intérêt. Fanny a été formée au département de mathématiques de l’ENS Paris Saclay où elle a reçu le Prix de l’interdisciplinarité au service des enjeux émergents. Elle a ensuite étudié à l’Université de Bristol (Royaume-Uni) où elle a appliqué des méthodes mathématiques pour l’analyse de l’impact du changement climatique sur le cycle de l’eau, travail qui a reçu le prix de la meilleure dissertation en Sciences de l’environnement du Met Office.

Laura Bagur est étudiante en troisième année de doctorat en modélisation numérique pour la mécanique des failles à l'ENSTA Paris,France, sous la direction de Stéphanie Chaillat, Jean-François Semblat, et Ioannis Stefanou. Elle est diplômée de l'Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (ENSPS), France, en 2020 et elle est titulaire d'un diplôme d'ingénieur en mécanique et d'un master en modélisation et simulation mécanique des structures et systèmes couplés. Elle est également titulaire d'un diplôme d'enseignement en sciences industrielles et en génie mécanique. Pendant ses études de Master, elle s’est concentrée sur l'amélioration des matrices hiérarchiques pour les problèmes d'élastodynamique 3D avec un nombre d'ondes complexe. Ses recherches actuelles portent sur la modélisation des effets de l'injection de fluide sur une faille unique pendant l'instabilité sismique à l'aide de méthodes d'éléments de frontière rapides (Fast BEMs). En particulier, sa thèse vise à pousser les capacités des BEM rapides à résoudre efficacement les problèmes de mécanique des failles incorporant des couplages hydro-mécaniques.

Cécile Cornou est directrice de recherche à l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD), affectée au laboratoire ISTerre au sein de l'Université Grenoble Alpes.  A l'issue de ses études en géophysique, Cécile Cornou a obtenu un doctorat en sismologie en 2002 à l'Université de Grenoble. Ses recherches portent principalement sur les effets de site et le risque sismique en milieu urbain, ses travaux abordant un large spectre de recherches depuis l'imagerie de la structure du sous-sol, la prédiction du mouvement sismique en milieu urbain, la prédiction des dommages aux bâtiments, jusqu'à l'évacuation des populations en cas de crise sismique incluant les comportements humains. Elle a participé à de nombreux projets nationaux et internationaux sur le risque sismique.

 

Pour en savoir plus :