Wykraczanie poza tradycyjne procesory w dziedzinie geologii

Każdego roku ma miejsce około 1100 trzęsień ziemi, mogących spowodować potencjalne obrażenia lub skutki śmiertelne, a także uszkodzenia infrastruktury budowlanej. Zaprojektowanie środowiska życia człowieka o odpowiedniej odporności na trzęsienia ziemi stanowi jednak poważne wyzwanie naukowe i inżynieryjne. Główną trudność przedstawia złożoność procesów fizycznych zachodzących pod powierzchnią Ziemi.

Wiele wiadomo o procesach uskoków geologicznych na podstawie badań naukowych nad pomiarami ruchów ziemi. Korzystając z postępów w zakresie infrastruktury obliczeniowej, istnieje możliwość przeprowadzenia dokładnych symulacji liczbowych. Modele fizyczne pozwalają lepiej zrozumieć, w jaki sposób podpowierzchniowe struktury geologiczne wpływają na ruchy ziemi.

Celem finansowanego przez UE projektu HPC-GA (High performance computing for geophysics applications) było wykorzystanie i dostrojenie istniejącej infrastruktury obliczeniowej w placówkach europejskich do oceny zagrożenia wystąpienia trzęsienia ziemi. W tym celu powołano międzynarodowe multidyscyplinarne konsorcjum europejskich i południowoamerykańskich badaczy.

Zespół projektu dokonał oceny funkcji świadczonych przez istniejące systemy przetwarzania i sporządził spis ich ograniczeń. Symulacje ruchów ziemi powodujących trzęsienia ziemi muszą obejmować szereg podsystemów działających w różnych skalach. Modelowanie sprzężenia podsystemów jest niezbędne, jednak ogranicza je moc obliczeniowa wymagana do obsługi rosnącej ilości danych.

Dlatego też kolejnym krokiem było opracowanie nowych metod efektywnego szeregowania procesów i inteligentna dystrybucja danych w wielordzeniowych środowiskach obliczeniowych o wspólnej pamięci. Naukowcy wprowadzili ponadto algorytmy kształtowania wiązki umożliwiające dostosowanie danych w równoległej architekturze obliczeniowej, aby uzyskać przydatne informacje nawet na podstawie danych z zaszumionej fali sejsmicznej.

Opracowano specjalnie dedykowane algorytmy do trójwymiarowej łącznej inwersji danych sejsmicznych, magnetotellurowych i grawitacyjnych. Dane uzyskane w badaniach geologicznych zwykle ograniczają się do powierzchni Ziemi lub płytkiej podpowierzchni, często z dużym odstępem między miejscami pomiarowymi. Dzięki wspólnemu podejściu badacze dążą do opracowania modeli zdolnych do wyjaśnienia wszystkich danych jednocześnie.

Rezultatem projektu HPC-GA są liczne postępy w zakresie technologii obliczeniowej i metod liczbowych, które pozwolą na dalszy rozwój modeli geodynamiki i propagacji fali sejsmicznej w wyjątkowej rozdzielczości. Bardziej wiarygodne informacje pozwolą lepiej zrozumieć fizykę trzęsień ziemi i umożliwią prowadzenie dokładniejszej oceny ryzyka sejsmicznego w kontekście infrastruktury krytycznej.