Vanwege de gelaagde samenstelling van de aarde, wetenschappers hebben de basisindeling van het interieur vaak vergeleken met dat van een ui. Er is de bekende dunne korst van continenten en oceaanbodems; de dikke mantel van hete, halfvaste rots; de gesmolten metalen buitenste kern; en de stevige ijzeren binnenkern.

Maar in tegenstelling tot een ui, de aardlagen afpellen om de planetaire dynamiek beter te onderzoeken is geen optie, wetenschappers dwingen om gefundeerde gissingen te maken over het innerlijke leven van onze planeet op basis van observaties aan de oppervlakte. Slimme beeldvormingstechnieken bedacht door computationele wetenschappers, echter, bieden de belofte van het verlichten van de ondergrondse geheimen van de aarde.

Met behulp van geavanceerde modellering en simulatie, seismische gegevens gegenereerd door aardbevingen, en een van 's werelds snelste supercomputers, een team onder leiding van Jeroen Tromp van Princeton University maakt een gedetailleerd 3D-beeld van het binnenste van de aarde. Momenteel, het team is gericht op het in beeld brengen van de hele wereld, van het oppervlak tot de kern-mantelgrens, een diepte van 1, 800 mijl.

Deze high-fidelity-simulaties voegen context toe aan lopende debatten over de geologische geschiedenis en dynamiek van de aarde, opvallende kenmerken zoals tektonische platen, magma pluimen, en hotspots in beeld. in 2016, het team heeft zijn wereldwijde model van de eerste generatie uitgebracht. Gemaakt met behulp van gegevens van 253 aardbevingen vastgelegd door seismogrammen verspreid over de hele wereld, het model van het team valt op door zijn wereldwijde reikwijdte en hoge schaalbaarheid.

"Dit is het eerste wereldwijde seismische model waarbij geen benaderingen - behalve de gekozen numerieke methode - werden gebruikt om te simuleren hoe seismische golven door de aarde reizen en hoe ze heterogeniteiten waarnemen, " zei Ebru Bozdag, een hoofdonderzoeker van het project en een assistent-professor geofysica aan de Universiteit van Nice Sophia Antipolis. "Dat is een mijlpaal voor de seismologische gemeenschap. Voor de eerste keer, we hebben mensen de waarde en haalbaarheid laten zien van dit soort tools voor wereldwijde seismische beeldvorming."

Het ontstaan ​​van het project kan worden herleid tot een seismische beeldvormingstheorie die voor het eerst werd voorgesteld in de jaren tachtig. Om hiaten in seismische datakaarten op te vullen, de theorie poneerde een methode genaamd adjoint tomography, een iteratieve full-waveform inversietechniek. Deze techniek maakt gebruik van meer informatie dan concurrerende methoden, met behulp van voorwaartse golven die reizen van de oorsprong van de aardbeving naar de seismische ontvanger en aangrenzende golven, dit zijn wiskundig afgeleide golven die van de ontvanger naar de aardbeving gaan.

Het probleem met het testen van deze theorie? "Je hebt echt grote computers nodig om dit te doen, "Bozdag zei, "omdat zowel voorwaartse als aangrenzende golfsimulaties numeriek in 3D worden uitgevoerd."

In 2012, zo'n machine arriveerde in de vorm van de Titan-supercomputer, een 27 petaflop Cray XK7 beheerd door de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een DOE Office of Science User Facility in het Oak Ridge National Laboratory van DOE. Na het uitproberen van de methode op kleinere machines, Tromp's team kreeg in 2013 toegang tot Titan via de Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, of INCITE, programma.

Werken met OLCF-medewerkers, het team blijft de grenzen van computationele seismologie naar diepere diepten verleggen.

Seismische plakjes aan elkaar naaien

Wanneer een aardbeving toeslaat, het vrijkomen van energie creëert seismische golven die vaak grote schade aanrichten aan het leven aan de oppervlakte. Diezelfde golven, echter, bieden wetenschappers de mogelijkheid om in de ondergrond te kijken door trillingen te meten die door de aarde gaan.

Terwijl seismische golven reizen, seismogrammen kunnen variaties in hun snelheid detecteren. Deze veranderingen geven aanwijzingen over de samenstelling, dichtheid, en temperatuur van het medium waar de golf doorheen gaat. Bijvoorbeeld, golven bewegen langzamer wanneer ze door heet magma gaan, zoals mantelpluimen en hotspots, dan wanneer ze door koudere subductiezones gaan, locaties waar de ene tektonische plaat onder de andere schuift.

Elk seismogram vertegenwoordigt een smal stukje van het binnenste van de planeet. Door veel seismogrammen aan elkaar te naaien, onderzoekers kunnen een 3D globaal beeld produceren, alles vastleggen, van magmapluimen die de Ring van Vuur voeden, naar de hotspots van Yellowstone, naar subductieplaten onder Nieuw-Zeeland.

Dit proces, seismische tomografie genoemd, werkt op een manier die vergelijkbaar is met beeldvormende technieken die in de geneeskunde worden gebruikt, waarbij 2D-röntgenfoto's die vanuit verschillende perspectieven zijn gemaakt, worden gecombineerd om 3D-beelden te maken van gebieden in het lichaam.

Vroeger, seismische tomografietechnieken zijn beperkt in de hoeveelheid seismische gegevens die ze kunnen gebruiken. Traditionele methoden dwongen onderzoekers om benaderingen te maken in hun golfsimulaties en observatiegegevens te beperken tot alleen belangrijke seismische fasen. Adjunct-tomografie op basis van 3D-numerieke simulaties die door het team van Tromp worden gebruikt, wordt op deze manier niet beperkt. "We kunnen alle gegevens gebruiken - van alles en nog wat, ' zei Bosdag.

De GPU-versie van de SPECFEM3D_GLOBE-code uitvoeren, Het team van Tromp gebruikte Titan om volledige golfvorminversie op wereldwijde schaal toe te passen. Het team vergeleek vervolgens deze "synthetische seismogrammen" met waargenomen seismische gegevens van de Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), het verschil berekenen en die informatie terugvoeren naar het model voor verdere optimalisatie. Elke herhaling van dit proces verbetert globale modellen.

"Dit is wat we de adjoint tomography workflow noemen, en op wereldschaal moet een supercomputer als Titan binnen een redelijke termijn worden uitgevoerd, " zei Bozdag. "Voor ons model van de eerste generatie, we hebben 15 iteraties voltooid, wat eigenlijk een klein aantal is voor dit soort problemen. Ondanks het kleine aantal iteraties, ons verbeterde globale model toont de kracht van onze aanpak. Dit is slechts het begin, echter."

Automatiseren om te vergroten

Voor zijn eerste globale model, Het team van Tromp selecteerde aardbevingsgebeurtenissen die tussen 5,8 en 7 op de schaal van Richter registreerden - een standaard voor het meten van de intensiteit van aardbevingen. Dat bereik kan enigszins worden uitgebreid tot meer dan 6, 000 aardbevingen in de IRIS-database - ongeveer 20 keer de hoeveelheid gegevens die in het oorspronkelijke model werd gebruikt.

Om het maximale uit alle beschikbare gegevens te halen, is een robuuste geautomatiseerde workflow nodig die het iteratieve proces van het team kan versnellen. Samenwerken met OLCF-medewerkers, Het team van Tromp heeft vooruitgang geboekt in de richting van dit doel.

Voor het model van de eerste generatie van het team, Bozdag voerde elke stap van de workflow handmatig uit, het duurt ongeveer een maand om één modelupdate te voltooien. Teamleden Matthieu Lefebvre, Wenjie Lei, en Youyi Ruan van Princeton University en Judy Hill van het OLCF ontwikkelden nieuwe geautomatiseerde workflowprocessen die de belofte inhouden die cyclus tot een kwestie van dagen terug te brengen.

"Automatisering zal het echt efficiënter maken, en het zal ook menselijke fouten verminderen, wat vrij eenvoudig te introduceren is, ' zei Bosdag.

Extra ondersteuning van OLCF-medewerkers heeft bijgedragen aan het efficiënte gebruik en de toegankelijkheid van projectgegevens. Al vroeg in het leven van het project, Het team van Tromp werkte samen met Norbert Podhorszki van het OLCF om de gegevensverplaatsing en flexibiliteit te verbeteren. Het eindresultaat, genaamd Adaptable Seismic Data Format (ASDF), maakt gebruik van de Adaptable I/O System (ADIOS) parallelle bibliotheek en geeft het team van Tromp een superieur bestandsformaat om op te nemen, reproduceren, en analyseer gegevens over grootschalige parallelle computerbronnen.

In aanvulling, David Pugmire van het OLCF hielp het team bij het implementeren van in-situ visualisatietools. Met deze tools konden teamleden hun werk gemakkelijker controleren vanaf lokale werkstations door visualisaties te produceren in combinatie met simulatie op Titan, het elimineren van de noodzaak voor dure bestandsoverdrachten.

"Soms zit de duivel in de details, dus je moet echt voorzichtig zijn en weten waar je naar kijkt, "Zei Bozdag. "Davids visualisatietools helpen ons om onze modellen te onderzoeken en te zien wat er is en wat niet."

Met visualisatie, de omvang van het project van het team komt aan het licht. De miljardjarige cyclus van gesmolten gesteente dat oprijst uit de kern-mantelgrens en uit de korst valt - niet anders dan de beweging van bolletjes in een lavalamp - krijgt vorm, net als andere interessante geologische kenmerken.

In dit stadium, de resolutie van het globale model van het team wordt geavanceerd genoeg om continentale studies te informeren, vooral in regio's met een dichte gegevensdekking. Het nuttig maken op regionaal niveau of kleiner, zoals de mantelactiviteit onder Zuid-Californië of de aardbevingsgevoelige korst van Istanbul, zal extra werk vergen.

"De meeste mondiale modellen in de seismologie komen op grote schaal overeen, maar verschillen aanzienlijk van elkaar op kleinere schaal, "Zei Bozdag. "Daarom is het cruciaal om een ​​nauwkeuriger beeld te hebben van het binnenste van de aarde. Door afbeeldingen met een hoge resolutie van de mantel te maken, kunnen we bijdragen aan deze discussies."

Dieper graven

Om de nauwkeurigheid en resolutie verder te verbeteren, Het team van Tromp experimenteert met modelparameters onder de meest recente INCITE-toewijzing. Bijvoorbeeld, het tweede-generatiemodel van het team introduceert anisotrope inversies, dat zijn berekeningen die de verschillende oriëntaties en beweging van gesteente in de mantel beter vastleggen. Deze nieuwe informatie moet wetenschappers een duidelijker beeld geven van de mantelstroom, samenstelling, en korst-mantel interacties.

Aanvullend, teamleden Dimitri Komatitsch van de Aix-Marseille Universiteit in Frankrijk en Daniel Peter van de King Abdullah Universiteit in Saoedi-Arabië leiden de inspanningen om SPECFEM3D_GLOBE te updaten met mogelijkheden zoals de simulatie van hoogfrequente seismische golven. De frequentie van een seismische golf, gemeten in Hertz, is gelijk aan het aantal golven dat in één seconde door een vast punt gaat. Bijvoorbeeld, de huidige minimale frequentie die in de simulatie van het team wordt gebruikt, is ongeveer 0,05 hertz (1 golf per 20 seconden), maar Bozdag zei dat het team ook seismische golven tot 1 hertz (1 golf per seconde) zou willen opnemen. Dit zou het team in staat stellen om fijnere details in de aardmantel te modelleren en zelfs de kern van de aarde in kaart te brengen.

Om deze sprong te maken, Het team van Tromp bereidt zich voor op Summit, de supercomputer van de OLCF van de volgende generatie. Gepland om in 2018 aan te komen, Summit levert minimaal vijf keer de rekenkracht van Titan. Als onderdeel van het OLCF Center for Accelerated Application Readiness, Het team van Tromp werkt samen met OLCF-medewerkers om bij aankomst te profiteren van de rekenkracht van Summit.

"Met Top, we zullen in staat zijn om de hele wereld in beeld te brengen, van korst tot aan het centrum van de aarde, inclusief de kern, " zei Bozdag. "Onze methoden zijn duur - we hebben een supercomputer nodig om ze uit te voeren - maar onze resultaten laten zien dat deze kosten gerechtvaardigd zijn, zelfs nodig."