Laboratoire des Sciences de l'Image de l'Informatique et

Marc Grunberg

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection UMR CNRS-ULP 7005 - Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre UMR 7516 Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : informatique par Marc Grunberg Titre Conception d'une méthode de maillage 3D parallèle pour la construction d'un modèle de Terre réaliste par la tomographie sismique. Soutenue publiquement le 29 septembre 2006 Membres du jury Directeurs : Mme Catherine Mongenet, professeur Université Louis Pasteur de Strasbourg M. Michel Granet, physicien Université Louis Pasteur de Strasbourg Rapporteur interne : M. Jean-Jacques Lévêque, directeur de recherche CNRS Université Louis Pasteur de Strasbourg Rapporteurs externes : M. Denis Trystram, professeur Institut National Polytechnique de Grenoble M. Thierry Priol, directeur de recherche INRIA Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires de Rennes Examinateur : M. Stéphane Genaud, maître de conférences Université Robert Schuman de Strasbourg

• nouvelles pistes de réflexion


• membres du jury directeurs


• maître de conférence des université


• équipe de l'icps pour l'excellente ambiance de travail


• systèmes aléatoires de rennes


• jury de thèse

Sujets

• École et observatoire des sciences de la Terre
• Louis Pasteur University
• Granet
• Grünberg
• Schuman
• Institut polytechnique de Grenoble
• Lévêque

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 septembre 2006
• Nombre de lectures: 138
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la Télédétection UMR CNRS-ULP 7005 - Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre UMR 7516

Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur Strasbourg I

Discipline : informatique par Marc Grunberg

Conception d’une méthodede maillage 3D parallèle pour la Titr construction d’un modèle de Terre réaliste par la tomographie sismique.

Soutenue publiquement le 29 septembre 2006

Directeurs :Mme Catherine Mongenet, professeur Université Louis Pasteur de Strasbourg M. Michel Granet, physicien Université Louis Pasteur de Strasbourg

Membres du jury

Rapporteur interne :M. Jean-Jacques Lévêque, directeur de recherche CNRS Université Louis Pasteur de Strasbourg

Rapporteurs externes :M. Denis Trystram, professeur Institut National Polytechnique de Grenoble M. Thierry Priol, directeur de recherche INRIA Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires de Rennes

Examinateur :M. Stéphane Genaud, maître de conférences Université Robert Schuman de Strasbourg

2

ii

Remerciements

En tout premier lieu, je tiens à remercier mes deux co-directeurs de Mongenet et Michel Granet, pour m’avoir dirigé et soutenu dans ce travail, aussi disponibles malgré leurs nombreuses activités.

thèse, Catherine et s’être montrés

Toute ma reconnaissance va à Stéphane Genaud, pour m’avoir encadré durant cette thèse, et avec qui j’ai eu énormément de plaisir à travailler.

Je suis très reconnaissant à Jean-Jacques Lévèque d’avoir accepté la tâche ardue de rapporter mon travail ainsi que de présider mon jury de thèse, ainsi qu’à Thierry Priol et Denis Trystram d’avoir également accepté d’être rapporteurs de ma thèse. Leurs commen- taires et leurs questions m’ont permis de clarifier certains points du manuscrit et m’ont donné de nouvelles pistes de réflexion.

Mes remerciements à toute l’équipe de l’ICPS pour l’excellente ambiance de travail et à mes collègues du ReNaSS, Christiane, Christophe, et les transfuges Alain et Thibaud.

Merci enfin à mes parents, ma grand-mère, toute ma famille, et notamment Isabelle et Rebecca, pour m’avoir encouragé inconditionnellement et aidé pendant toute cette période.

iii

iv

Résumé

Depuis 30 ans de nombreux travaux ont été menés en tomographie sismique, pour ima- ger la structure interne de la Terre. Les évolutions des moyens de calcul, tant en puissance des processeurs qu’en capacité mémoire, ont permis d’obtenir des images de plus en plus précises. Mais on sait depuis longtemps que la résolution des modèles tomographiques est limitée par un certain nombre de facteurs, notamment par les répartitions hétérogènes des séismes et des stations sismologiques. Ceci est dû aux différents contextes sismotectoniques qui font que certaines régions du globe sont plus sismiques que d’autres, ainsi qu’au place- ment des capteurs plutôt situés sur les continents que dans les océans. De cette répartition résulte une distribution hétérogène des rais sismiques à l’intérieur de la Terre, conduisant à un échantillonnage spatial du globe extrêmement variable. La conséquence directe est que les régions faiblement échantillonnées ont une résolution plus faible que les régions bien échantillonnées. L’idée développée ces dernières années est de construire unmodèle irrégulierqui puisse tirer parti au mieux des données disponibles en s’adaptant localement à la densité des informations sismiques, et ainsi avoir une résolution fine là où les données le permettent.

L’objectif du travail présenté dans cette thèse est de construire un maillage irrégulier afin de réaliser un modèle tomographique global. Ce maillage est constitué de cellules hexa- édriques dont la taille est adaptée localement à la quantité et à la qualité de l’information apportée par les rais sismiques. La construction d’un tel maillage nécessite l’utilisation de très nombreuses données qui proviennent de la sismicité mondiale des années 1964 à 1995. Ceci représente environ 82000 séismes et 12 millions de rais. L’exploitation d’une telle masse de données dans le cadre d’une modélisation adaptative de la Terre nous a conduit à proposer de nouveaux algorithmes, ainsi que leur parallélisation, pour faire face, d’une part aux besoins en ressources de calcul, et d’autre part à l’importante consommation en ressources mémoire. Afin d’évaluer les performances de ces algorithmes, des expérimentions sur différentes plates-formes parallèles (machine parallèle, cluster et grille de calcul) ont été menées sur les applications de tracé de rais sismiques et sur la construction du maillage irrégulier.

v

vi

Abstract

Since the last 30 years, many works have been conducted in seismic tomography to re- veal the structure of Earth interior. Because of the computer achitectures evolution, both in power of the processors and in memory size, it is possible to obtain increasingly precise images. However it is known for a long time that resolution of the tomographic models is limited by a certain number of factors, in particular by the heterogeneous distributions of the seisms and the seismological stations. This is due primary to the various sismotec- tonics contexts which make certain areas more seismic than others, and secondly to the placement of the sensors rather located on the continents than in the oceans. This implies an heterogeneous distribution of the seismic rays inside the Earth, leading to an extremely variable sampling of the Earth. The direct consequence is that the slightly sampled areas have a resolution weaker than the well sampled areas. The idea developed these last years is to build airregular modelwhich can, as well as possible, benefit from the available data, while adapting locally to the density of seismic information, and result in a fine resolution where the data allow it.

The objective of the work presented in this thesis is to build an irregular mesh in order to carry out a global tomographic model. This mesh consists of hexahedral cells whose size is adapted locally to the quantity and the quality of the information brought by the seismic rays. The construction of such a mesh requires a huge amount of data which comes from the seismicity of the world from the years 1964 to 1995. This represents approximately 82000 seisms and 12 millions of rays. Carrying out such huge data within the framework of an adaptive modeling of the Earth led us to propose new algorithms, and their parallelization, to face the requirements in CPU and memory resources. In order to evaluate their performances, we have tested the seismic ray tracing application and the irregular mesh construction on various parallel platforms (parallel machine, cluster and computational grid).

vii

viii

Tomographie à ondes de volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Les grilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

Régularisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1

2.1.7

2.1.6

Les architectures parallèles et les grilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1

Les maillages

Résolution du problème numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Classification des architectures parallèles . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1

2.3.2

2.3

21

Paramétrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

19

13

21

7

11

Définition d’un maillage en 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

26

27

26

Table

des

Méthodes de tracé de rais

23

19

matières

1 Introduction

La tomographie sismique à ondes de volume . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2Contexteduproblème

Solution tomographique

2.1.1

2.2

Programmation des applications parallèles . . . . . . . . . . . . . .

2.1.4

2.1.5

2.1.2

2.1.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1

2.2.2

2.2.3

Génération de maillage structuré

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .