En seismisk kortlægning milepæl

På grund af Jordens lagdelte sammensætning, forskere har ofte sammenlignet det grundlæggende arrangement af dets indre med et løg. Der er den velkendte tynde skorpe på kontinenter og havbund; den tykke kappe af varmt, halvfast sten; den ydre kerne af smeltet metal; og den indvendige kerne af massivt jern.

Men i modsætning til et løg, at skrælle Jordens lag tilbage for bedre at udforske planetdynamikken er ikke en mulighed, tvinger forskere til at lave uddannede gæt om vores planets indre liv baseret på observationer på overfladeniveau. Smarte billedteknikker udtænkt af beregningsforskere, imidlertid, tilbyde løfte om at belyse Jordens underjordiske hemmeligheder.

Ved hjælp af avanceret modellering og simulering, seismiske data genereret af jordskælv, og en af ​​verdens hurtigste supercomputere, et team ledet af Jeroen Tromp fra Princeton University skaber et detaljeret 3D-billede af Jordens indre. I øjeblikket, teamet er fokuseret på at afbilde hele kloden fra overfladen til kernemantelgrænsen, en dybde på 1, 800 miles.

Disse high-fidelity-simuleringer tilføjer kontekst til igangværende debatter relateret til Jordens geologiske historie og dynamik, bringer fremtrædende træk som tektoniske plader, magma plumes, og hotspots i udsigt. I 2016, teamet frigav sin første generations globale model. Oprettet ved hjælp af data fra 253 jordskælv fanget af seismogrammer spredt rundt om i verden, teamets model er kendt for sit globale omfang og høje skalerbarhed.

"Dette er den første globale seismiske model, hvor ingen tilnærmelser - bortset fra den valgte numeriske metode - blev brugt til at simulere, hvordan seismiske bølger bevæger sig gennem Jorden, og hvordan de fornemmer heterogeniteter, "sagde Ebru Bozdag, en hovedforsker af projektet og en adjunkt i geofysik ved universitetet i Nice Sophia Antipolis. "Det er en milepæl for det seismologiske samfund. For første gang, vi viste mennesker værdien og gennemførligheden af ​​at køre denne slags værktøjer til global seismisk billeddannelse. "

Projektets tilblivelse kan spores til en seismisk billeddannelsesteori, der først blev foreslået i 1980'erne. For at udfylde huller inden for seismiske datakort, teorien udgjorde en metode kaldet adjoint tomografi, en iterativ fuldbølgeform inversionsteknik. Denne teknik udnytter mere information end konkurrerende metoder, ved hjælp af fremadgående bølger, der bevæger sig fra jordskælvets oprindelse til den seismiske modtager og tilstødende bølger, som er matematisk afledte bølger, der bevæger sig fra modtageren til skælvet.

Problemet med at teste denne teori? "Du har brug for virkelig store computere for at gøre dette, "Sagde Bozdag, "fordi både fremadgående og tilstødende bølgesimuleringer udføres i 3-D numerisk."

I 2012, netop sådan en maskine ankom i form af Titan -supercomputeren, en 27-petaflop Cray XK7 administreret af US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility placeret på DOE's Oak Ridge National Laboratory. Efter at have prøvet sin metode på mindre maskiner, Tromps team fik adgang til Titan i 2013 gennem den innovative og nye beregningseffekt på teori og eksperimenter, eller INCITE, program.

Arbejde med OLCF -personale, holdet fortsætter med at skubbe grænserne for beregningsmæssig seismologi til dybere dybder.

Syning af seismiske skiver

Når et jordskælv rammer, frigivelsen af ​​energi skaber seismiske bølger, der ofte skaber kaos for livet på overfladen. De samme bølger, imidlertid, give en mulighed for forskere til at kigge ind i undergrunden ved at måle vibrationer, der passerer gennem jorden.

Når seismiske bølger rejser, seismogrammer kan registrere variationer i deres hastighed. Disse ændringer giver spor om sammensætningen, massefylde, og temperaturen på mediet, bølgen passerer igennem. For eksempel, bølger bevæger sig langsommere, når de passerer gennem varm magma, såsom kappe fjer og hotspots, end de gør, når de passerer gennem koldere subduktionszoner, steder, hvor en tektonisk plade glider under en anden.

Hvert seismogram repræsenterer en smal skive af planetens indre. Ved at sy mange seismogrammer sammen, forskere kan producere et 3D-globalt image, fanger alt fra magmaplader, der fodrer Ring af Ild, til Yellowstones hotspots, til subducerede plader under New Zealand.

Denne proces, kaldet seismisk tomografi, arbejder på en måde, der ligner billeddannelsesteknikker, der anvendes inden for medicin, hvor 2-D røntgenbilleder taget fra mange perspektiver kombineres for at skabe 3D-billeder af områder inde i kroppen.

I fortiden, seismisk tomografiteknik har været begrænset i mængden af ​​seismiske data, de kan bruge. Traditionelle metoder tvang forskere til at foretage tilnærmelser i deres bølgesimuleringer og begrænse observationsdata til kun store seismiske faser. Adjoint tomografi baseret på 3D-numeriske simuleringer anvendt af Tromp's team er ikke begrænset på denne måde. "Vi kan bruge alle dataene - alt og alt, "Sagde Bozdag.

Kører sin GPU -version af SPECFEM3D_GLOBE -koden, Tromp's team brugte Titan til at anvende fuldbølgeform-inversion i global skala. Holdet sammenlignede derefter disse "syntetiske seismogrammer" med observerede seismiske data leveret af Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), beregning af forskellen og indføring af disse oplysninger tilbage i modellen for yderligere optimering. Hver gentagelse af denne proces forbedrer globale modeller.

"Det er det, vi kalder den tilhørende tomografi -arbejdsgang, og i en global skala kræver det, at en supercomputer som Titan udføres i rimelig tidsramme, "Sagde Bozdag." For vores første generations model, vi gennemførte 15 iterationer, hvilket faktisk er et lille antal til denne slags problemer. På trods af det lille antal gentagelser, vores forbedrede globale model viser kraften i vores tilgang. Dette er blot begyndelsen, imidlertid."

Automatisering til forstørrelse

For sin oprindelige globale model, Tromp's team valgte jordskælvshændelser, der registrerede mellem 5,8 og 7 på Richter -skalaen - en standard for måling af jordskælvets intensitet. Dette område kan udvides lidt til at omfatte mere end 6, 000 jordskælv i IRIS -databasen - cirka 20 gange mængden af ​​data, der blev brugt i den originale model.

For at få mest muligt ud af alle de tilgængelige data kræver en robust automatiseret arbejdsgang, der kan accelerere teamets iterative proces. Samarbejde med OLCF -medarbejdere, Tromps team har gjort fremskridt mod dette mål.

For teamets første generations model, Bozdag udførte hvert trin i arbejdsgangen manuelt, tager cirka en måned at fuldføre en modelopdatering. Teammedlemmer Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, og Youyi Ruan fra Princeton University og OLCF's Judy Hill udviklede nye automatiserede arbejdsgangsprocesser, der holder løftet om at reducere denne cyklus til et par dage.

"Automatisering vil virkelig gøre det mere effektivt, og det vil også reducere menneskelige fejl, hvilket er ret let at introducere, "Sagde Bozdag.

Yderligere støtte fra OLCF -personale har bidraget til effektiv brug og tilgængelighed af projektdata. Tidligt i projektets liv, Tromps team arbejdede sammen med OLCF's Norbert Podhorszki for at forbedre databevægelse og fleksibilitet. Slutresultatet, kaldet Adaptable Seismic Data Format (ASDF), udnytter det parallelle bibliotek Adaptable I/O System (ADIOS) og giver Tromp's team et overlegen filformat til at optage, reproducere, og analysere data om store parallelle databehandlingsressourcer.

Ud over, OLCF's David Pugmire hjalp teamet med at implementere in situ visualiseringsværktøjer. Disse værktøjer gjorde det muligt for teammedlemmer at kontrollere deres arbejde lettere fra lokale arbejdsstationer ved at tillade visualiseringer at blive produceret i forbindelse med simulering på Titan, eliminerer behovet for dyre filoverførsler.

"Nogle gange er djævelen i detaljerne, så du skal virkelig være forsigtig og vide, hvad du ser på, "Bozdag sagde." Davids visualiseringsværktøjer hjælper os med at undersøge vores modeller og se, hvad der er, og hvad der ikke er. "

Med visualisering, størrelsen af ​​teamets projekt kommer frem i lyset. Milliarder års cyklus af smeltet sten, der stiger fra kernemantelgrænsen og falder fra skorpen-ikke ulig bevægelsen af ​​kugler i en lavalampe-tager form, ligesom andre geologiske træk af interesse.

På dette tidspunkt, opløsningen af ​​teamets globale model er ved at blive avanceret nok til at informere kontinentale undersøgelser, især i regioner med tæt datadækning. Gør det nyttigt på regionalt plan eller mindre, såsom kappeaktiviteten under det sydlige Californien eller jordskælvs-tilbøjelige skorpe i Istanbul, vil kræve yderligere arbejde.

"De fleste globale modeller inden for seismologi er enige i store skalaer, men adskiller sig væsentligt fra hinanden på de mindre skalaer, "Bozdag sagde." Derfor er det afgørende at have et mere præcist billede af Jordens indre. Oprettelse af billeder i høj opløsning af kappen vil give os mulighed for at bidrage til disse diskussioner. "

Graver dybere

For at forbedre nøjagtigheden og opløsningen yderligere, Tromps team eksperimenterer med modelparametre under sin seneste INCITE -tildeling. For eksempel, teamets anden generations model vil introducere anisotrope inversioner, som er beregninger, der bedre fanger de forskellige orienteringer og bevægelse af sten i kappen. Disse nye oplysninger skulle give forskere et klarere billede af kappe strømning, sammensætning, og skorpe-kappe-interaktioner.

Derudover teammedlemmer Dimitri Komatitsch fra Aix-Marseille University i Frankrig og Daniel Peter fra King Abdullah University i Saudi-Arabien leder anstrengelser for at opdatere SPECFEM3D_GLOBE for at inkorporere funktioner som f.eks. simulering af seismiske bølger med højere frekvens. Frekvensen af ​​en seismisk bølge, målt i Hertz, svarer til antallet af bølger, der passerer gennem et fast punkt på et sekund. For eksempel, den nuværende mindste frekvens, der bruges i teamets simulering, er omkring 0,05 hertz (1 bølge pr. 20 sekunder), men Bozdag sagde, at holdet også gerne ville inkorporere seismiske bølger på op til 1 hertz (1 bølge pr. sekund). Dette ville give teamet mulighed for at modellere finere detaljer i Jordens kappe og endda begynde at kortlægge Jordens kerne.

For at gøre dette spring, Tromps team forbereder sig på topmøde, OLCF's næste generations supercomputer. Kommer til at ankomme i 2018, Summit vil give mindst fem gange computerkraften fra Titan. Som en del af OLCF's Center for Accelerated Application Readiness, Tromps team arbejder sammen med OLCF -personale for at drage fordel af Summits computerkraft ved ankomsten.

"Med topmøde, vi vil være i stand til at forestille hele kloden fra skorpe helt ned til Jordens centrum, herunder kernen, "Bozdag sagde." Vores metoder er dyre - vi har brug for en supercomputer til at udføre dem - men vores resultater viser, at disse udgifter er berettigede, endda nødvendigt. "