Geoscientists skaber et dybere blik på processer under Jordens overflade med 3-D-billeder

Geovidenskabsmænd ved University of Texas i Dallas brugte for nylig enorme mængder jordskælvsdata og supercomputere til at generere høj opløsning, 3D-billeder af de dynamiske geologiske processer, der finder sted langt under jordens overflade.

I en undersøgelse offentliggjort 29. april i Naturkommunikation , UT Dallas forskergruppe beskrev, hvordan det skabte billeder af kappe -strømme i en subduktionsregion under Mellemamerika og Det Caribiske Hav ved hjælp af en beregningsmæssigt intens teknik kaldet en fuld bølgeforminversion (FWI).

"Dette er den første omfattende seismiske undersøgelse, der direkte afbilder 3-D mantelflowfelter i faktiske subduktionsmiljøer ved hjælp af avanceret FWI-teknologi, " sagde Dr. Hejun Zhu, tilsvarende forfatter til undersøgelsen og adjunkt i geovidenskab på Institut for Naturvidenskab og Matematik. Dr. Jidong Yang, der tjente sin ph.d. i geovidenskab fra UT Dallas i maj, og Dr. Robert Stern, professor i geovidenskab, er undersøgelsens medforfattere.

En dynamisk jord

Mellem det relativt tynde lag af jordskorpen og dens indre kerne ligger den tykkeste del af planeten, kappen. Over korte perioder, kappen kan betragtes som fast sten, men på den geologiske tidsskala af millioner af år, kappen flyder som en tyktflydende væske.

Jordskorpen er brudt i stykker kaldet tektoniske plader. Disse plader bevæger sig meget langsomt over og ind i kappen - omtrent lige så hurtigt som neglene vokser. I regioner kaldet subduktionszoner, en plade sænker sig under en anden ind i kappen.

"Sænkning af oceaniske plader i Jordens kappe ved subduktionszoner er det, der får Jordens tektoniske plader til at bevæge sig og er en af ​​de vigtigste processer, der finder sted på vores planet, " sagde Zhu. "Subduktionszoner er også kilden til mange naturlige farer, såsom jordskælv, vulkaner og tsunamier. Men mønsteret af kappestrømning og deformation omkring faldende plader er stadig dårligt forstået. Den information, vores teknikker giver, er afgørende for at forstå vores dynamiske planet."

Dataintensiv forskning

Zhu og hans kolleger tacklede problemet ved hjælp af en geofysisk måling kaldet seismisk anisotropi, som måler forskellen på, hvor hurtigt mekaniske bølger genereret af jordskælv bevæger sig i forskellige retninger inde i Jorden. Seismisk anisotropi kan afsløre, hvordan kappen bevæger sig rundt om den subdukterende plade. Lignende teknologi bruges også af energiindustrien til at lokalisere olie- og gasressourcer.

"Når en dykker dykker i vand, vandet skiller sig, og den adskillelse påvirker igen måden vandet bevæger sig rundt om svømmeren på, "Sagde Zhu." Det ligner oseaniske plader:Når de dykker ned i varm kappe, denne handling fremkalder kappeseparation og strømning rundt om pladerne. "

Forskergruppen skabte billederne ved hjælp af data i høj kvalitet, der er registreret over en 10-årig periode fra 180 jordskælv med omkring 4, 500 seismiske stationer placeret i et gitter på tværs af USA. De numeriske beregninger for FWI-algoritmen blev udført på højtydende computerklynger hos National Science Foundation (NSF)-støttede Texas Advanced Computing Center ved UT Austin, samt på supercomputere på UT Dallas.

"Tidligere kunne vi ikke 'se' under jordens overflade, men ved at bruge denne teknologi og dette meget vidunderlige datasæt, vi er i stand til at afgrænse 3D-fordelingen af ​​forskellige seismiske fænomener og fortælle i hvilke dybder de forekommer, " sagde Zhu.

Gået til stykker

Billederne bekræftede, at pladerne i undersøgelsesregionen ikke er store, massive stykker, men er snarere fragmenteret i mindre plader.

"Dette ser anderledes ud end lærebogens afbildninger af tektoniske plader, der samles, med et solidt stykke oceanisk plade faldende under et andet solidt stykke, "Zhu sagde." Nogle forskere har antaget, at denne fragmentering opstår, og vores billeddannelse og modellering giver beviser, der understøtter dette synspunkt."

Zhus 3-D model viser komplekse kappestrømningsmønstre omkring et antal faldende fragmenter og i mellemrummene mellem pladerne. Sådan tyk, fragmenterede stykker ses i regioner over hele verden, sagde Zhu.

I det nordvestlige USA, for eksempel, Juan de Fuca -pladen er også fragmenteret i to stykker, hvor den falder ned under den nordamerikanske plade i Cascadia -subduktionszonen, et område, hvor der er opstået kraftige jordskælv gennem århundreder.

"Vi ved, at de fleste jordskælv sker i grænsefladen mellem en plade og kappen. Hvis der er et hul mellem disse fragmenter, det der kaldes et vinduesområde, du ville ikke forvente jordskælv der, " sagde Zhu. "Hvis du ser på jordskælvsfordelingen langs Cascadia subduktionszonen, der er et spænd, hvor du ikke har jordskælv. Det er sandsynligvis et område, hvor der er et hul i den subducerende oceaniske plade.

"Den mellemamerikanske trench, som vi studerede, har sin egen unikke, dynamiske egenskaber. I fremtiden, vi planlægger at flytte vores opmærksomhed til andre subduktionszoner, herunder Kermadec-Tonga subduktionszonen i regionen på de australske og stillehavsplader. "