Fanger kappefaner ved deres magmahaler

Hawaiis vulkaner står som tavse vagtposter. De vogter hemmeligheden om, hvordan de blev dannet, tusinder af miles væk fra, hvor kanterne af tektoniske plader støder sammen og genererer magma til de fleste vulkaner. A 2017 Natur undersøgelse af Jones et al. fandt de hidtil bedste spor om oprindelsen af ​​Hawaiis vulkaner gennem simulering af et skift i Stillehavspladen for tre millioner år siden. Det, der forbliver uhåndgribeligt, er afgørende bevis for, at der findes kappefaner.

Der er en hypotese om fanerne, svampeformede opstrømninger af varm sten fra den dybe Jord. De antages at dannes inden for det termiske grænselag ved bunden af ​​kappen og menes at transportere varme fra Jordens kerne, der genererer en vulkans magma. Forskere har nu lavet den bedste beregningsmodellering til dato af kappefaner, ifølge en undersøgelse, der blev gjort tilgængelig online i januar 2018 forud for sin peer-review og offentliggørelse i november 2017 i American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research, Fast jord .

Det internationale videnskabshold viste gennem supercomputersimuleringer, for første gang, detaljer om, hvordan faner decelererer seismiske bølger, og hvordan faner optræder i seismiske tomografiske billeder af jordens kappe, laget under skorpen. Hvad mere er, forskerne siger, at deres arbejde kan hjælpe med at guide fremtidige eksperimenter på havbunden med dyb jordafbildning og hjælpe med at komme til bunds i mysterier som oprindelsen af ​​Hawaiis vulkaner.

"Vi fandt ud af, at kappefaner sandsynligvis vil være mere udfordrende at seismisk afbilde, end vi tidligere har erkendt, " sagde studielederforfatter Ross Maguire, tidligere ph.d.-studerende, der for nylig er uddannet fra afdelingen for Jord- og miljøvidenskab ved University of Michigan. "Vores nuværende billede af dybe kappefaner mangler muligvis, " sagde Maguire, peger på manglende seismisk datadækning.

Seismisk billeddannelse kan se klippestrukturer tusindvis af kilometer under jorden ved at lytte til ekkoet af jordskælv. Netværk af seismiske stationer sidder på havbunden og måler forskelle i seismiske bølgers rejsetid gennem sten, i det væsentlige at tage en CT-scanning af den dybe jord.

"For at begrænse kappefanernes rolle i jordens dynamik såvel som for at forstå årsagerne til hot spot vulkanisme, vi skal fokusere på at øge den globale dækning af seismiske sensorer, især i havene, som i øjeblikket kun har sparsom dækning, " sagde Maguire. Oceaniske udrulninger af seismiske sensorer er dyre og svære at planlægge og udføre, han tilføjede.

"I vores undersøgelse, vi brugte computermodellering til at finde optimale billeddannelsesscenarier, så vi kan genvinde de fleste detaljer af kappefaner til den laveste pris, " sagde Maguire. "Vi håber, at vores resultater vil hjælpe med at guide udformningen af ​​fremtidige seismiske implementeringer med det formål at afbilde kappen under hotspots."

"Det, der nok er nyt i dette arbejde, er, at vi kombinerer, måske for første gang, faktiske numeriske modeller af, hvordan faner dannes, og hvordan de stiger i Jorden med estimater af deres seismiske struktur," sagde studiets medforfatter Jeroen Ritsema, en professor ved Institut for Jord- og Miljøvidenskab ved University of Michigan.

"For det andet " han tilføjede, "Vi har også undersøgt, hvordan forskellige netværkskonfigurationer kan ændre den måde, vi afbilder faner på. Vi har lavet omfattende test for at finde ud af de optimale konfigurationer af seismometre på Jorden til at se faner. Dette er især vigtigt for Hawaii, " Sagde Ritsema. "Hawaii er et sted, hvor vi mener, at der er en fane, der er ansvarlig for vulkanisme på Hawaii-øerne. Vi har bestemt, hvad der kan være optimale offshore-udlægninger på havbunden, der kan føre til de bedste billeder af den dybe kappe under Hawaii."

"Det er en stor beregningsmæssig udfordring at simulere bølgeudbredelse gennem kappefaner, " sagde Maguire. De havde brug for numeriske koder, der løser den elastiske bølgeligning i Jordens kappe ved høje frekvenser og i tre dimensioner. "Det, der gør, er, at det giver os mulighed for præcist at redegøre for virkningerne af bølgeudbredelsesfænomener såsom bølgediffraktion omkring fanehaler , hvilket er meget vigtigt for billeddannelse af faner, " sagde Maguire.

XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation, leverede beregningsressourcer til videnskabsteamet gennem adgang til supercomputere og eksperter i, hvordan de bedst bruges. "Vi ville ikke være i stand til at udføre denne type arbejde uden supercomputing-ressourcer som dem, der leveres af XSEDE, " sagde Maguire. "De tillod os at køre vores bølgeudbredelsessimuleringer på hundredvis eller nogle gange tusindvis af computerkerner parallelt."

Videnskabsholdet tacklede de udfordringer, der blev pålagt af deres modelleringskrav og brugte en seismologisoftwarepakke kaldet SPECFEM 3D (GLOBE), som er en spektral elementkode udviklet af Jeroen Tromp fra Princeton og hans team, der simulerer bølgeudbredelse i Jordens indre. De brugte Stampede1-supercomputeren fra Texas Advanced Computing Center gennem en XSEDE-allokering, der kørte over 1,2 millioner kernetimer på Stampede1 og fortsætter med Stampede2-systemet. "Vi kørte den kode for det meste på Stampede1, og det var faktisk ret nemt at få koden konfigureret på Stampede1, da alle de moduler og værktøjer, vi havde brug for til at kompilere det, var tilgængelige med det samme, " sagde Maguire.

Workflow-styringen viste sig at være skræmmende, med mange simuleringer, der producerede hundredvis af gigabyte data. "XSEDE-teamet var virkelig hjælpsomme med at besvare alle mine spørgsmål om, hvordan jeg kan optimere min arbejdsgang, for eksempel hvordan jeg kan bruge mindst mulig tid på at vente i køen på, at mine job kører; eller hvordan jeg effektivt kan overføre store mængder fra Stampede til min lokale maskine, " sagde Maguire.

Forskerne benyttede sig også af XSEDE Campus Champions-programmet, campus informationsteknologifakultet og personale, der er uddannet af og opretholder tætte bånd til XSEDE. "XSEDE Campus Champion Brock Palen fra University of Michigan hjalp os med at besvare spørgsmål om, hvilken type ressourcer der er tilgængelige gennem XSEDE, og hvordan vi kan få adgang til dem, " sagde Maguire.

En anden nyttig ressource, sagde Maguire, var adgang til en tildeling på XSEDE Science Gateways gennem Computational Infrastructure for Geodynamik med hjælp fra Lorraine Wang. "Science Gateways gjorde det muligt for os at teste vores kode og virkelig finde ud af, hvor beregningsmæssigt krævende vores projekt ville være, " sagde Maguire.

Forskerne brugte en beregningskrævende teknik kaldet syntetisk tomografi, som Maguire forklarede i det væsentlige var en pålidelighedstest af, hvor godt videnskabsmænd kan stole på nøjagtigheden af ​​billeder af Jordens indre. "Det, vi gør, er, at vi simulerer seismisk bølgeudbredelse gennem en digital jordmodel, som i vores tilfælde indeholder en kappefane, " sagde Maguire. Det gør de med virtuelle seismogrammer, som behandles som faktiske seismiske data for at få et billede af genvundet fanestruktur. "Det giver os virkelig mulighed for at teste, hvordan en kappefane ville blive afbildet tomografisk, og hvordan dens funktioner enten ville blive sløret eller forvrænget, afhængigt af billedkonfigurationen, " sagde Maguire.

"Vores undersøgelse fokuserer primært på nedre kappefaner, fordi det virkelig er en af ​​de eneste veje frem i forhold til at afgøre debatten om eksistensen af ​​kappefaner, " sagde Maguire. Dette vedrører hotspot vulkanisme, forårsaget af en unormalt varm kappe væk fra pladegrænserne. Mantelfaner, der rejser sig fra kernegrænsen, interesserer geovidenskabsfolk, fordi de spiller en rolle i Jordens samlede varmebudget ved at flytte varme fra kernen til overfladen.

"Hele kappe faner, hvilket betyder faner, der stiger fra kerne-kappegrænsen, er også de mest udfordrende at afbilde seismisk, fordi vores opløsning er meget dårlig i den dybe kappe, og dybe fanekanaler vil sandsynligvis være tynde, " sagde Maguire.

Supercomputere begynder måske endelig at indhente langvarige videnskabelige spørgsmål og hjælper med at fremprovokere nye spørgsmål. "Jeg tror, ​​at udfordringen består i at forstå præcis, hvad vi leder efter, sagde Ritsema. I Maguires arbejde, vi har defineret en kappefane som en rent termisk opstrømning i den dybe Jord. I dette særlige tilfælde, fanen er en ret smal struktur – den har en ret smal hale, med dets komplikationer i billeddiagnostik. Men der har været andet arbejde fra andre grupper, som faktisk har argumenteret for, at faner kan være meget tykkere end det, vi har undersøgt i vores arbejde. Selve naturen af ​​faner, om fanerne er rent termiske eller temperaturdrevne, eller om der også er en kompositorisk komponent i deres dannelse, er problemer, der nu behandles inden for geofysik, " sagde Ritsema.

De beregningsmæssige krav til simuleringer i denne undersøgelse af bølgeudbredelse begrænsede antallet af fanestrukturer, som kan være mere varieret i form, størrelse, sammensætning, og temperatur end de udelukkende termiske fane tilfælde, de overvejede.

"Vores undersøgelse er også den første til at modellere bølgeudbredelse gennem faner ved frekvenser så høje som en tiendedel af en hertz, " sagde Maguire. "Men vi vil gerne være i stand til at skubbe det endnu længere for at gå til højere frekvenser. Og det betyder, at det bliver endnu mere af en beregningsmæssig udfordring. Efterhånden som de numeriske værktøjer, vi bruger, bliver mere effektive, og efterhånden som flere højtydende computerklynger bliver tilgængelige, det er noget, vi måske kan opnå i fremtiden."

Maguire sagde:"Forståelse af jordens dynamik er af fundamental betydning, fordi vi alle bor her og er påvirket af det, der foregår under vores fødder. Eksistensen af ​​kappefaner og den rolle, de spiller på vores planet, er stadig et stort spørgsmålstegn. Derudover faner er blevet forbundet med nogle af de største vulkanudbrud i Jordens historie. Og de menes potentielt at spille en rolle i de største masseudryddelsesbegivenheder, som vi har på geologisk rekord. Der er stadig meget, vi ikke forstår ved dem. At forske i at undersøge arten af ​​kappefaner er af fundamental betydning."

Studiet, "Evaluering af opløsningen af ​​dybe kappefaner i teleseismisk rejsetidstomografi, " blev offentliggjort i januar 2018 i American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research : Fast jord .