De vulkanen van Hawaï staan ​​als stille schildwachten. Ze bewaken het geheim van hoe ze gevormd zijn, duizenden mijlen verwijderd van waar de randen van tektonische platen botsen en magma genereren voor de meeste vulkanen. een 2017 Natuur studie van Jones et al. vond de beste aanwijzingen tot nu toe van de oorsprong van de vulkanen van Hawaï door middel van simulatie van een verschuiving in de Pacifische plaat drie miljoen jaar geleden. Wat ongrijpbaar blijft, is overtuigend bewijs dat mantelpluimen bestaan.

De pluimen worden verondersteld, paddenstoelvormige opwellingen van heet gesteente uit de diepe aarde. Er wordt verondersteld dat ze zich vormen binnen de thermische grenslaag aan de basis van de mantel en er wordt gedacht dat ze warmte transporteren van de kern van de aarde die het magma van een vulkaan genereert. Wetenschappers hebben nu de beste computationele modellering gemaakt van mantelpluimen, volgens een studie die in januari 2018 online beschikbaar is gesteld, voorafgaand aan de peer-review en publicatie in november 2017 in de American Geophysical Union's Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek, vaste aarde .

Het internationale wetenschappelijke team toonde door middel van supercomputersimulaties, Voor de eerste keer, details over hoe pluimen seismische golven vertragen en hoe pluimen verschijnen in seismische tomografische beelden van de aardmantel, de laag onder de korst. Bovendien, de onderzoekers zeggen dat hun werk toekomstige experimenten op de oceaanbodem kan helpen begeleiden met diepe beeldvorming van de aarde en kan helpen bij het doorgronden van mysteries zoals de oorsprong van de vulkanen van Hawaï.

"We ontdekten dat mantelpluimen waarschijnlijk een grotere uitdaging zijn om seismisch in beeld te brengen dan we eerder dachten, " zei hoofdauteur Ross Maguire, voorheen een promovendus die onlangs is afgestudeerd aan de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen van de Universiteit van Michigan. "Ons huidige beeld van diepe mantelpluimen kan ontbreken, " zei Maguire, wijzend op een gebrek aan seismische gegevensdekking.

Seismische beeldvorming kan rotsstructuren duizenden kilometers onder de grond zien door te luisteren naar de echo's van aardbevingen. Netwerken van seismische stations zitten op de oceaanbodem en meten verschillen in de reistijd van seismische golven door rots, in wezen een CT-scan van de diepe aarde maken.

"Om de rol van mantelpluimen in de dynamiek van de aarde te beperken en om de oorzaken van vulkanisme met hotspots te begrijpen, we moeten ons concentreren op het vergroten van de wereldwijde dekking van seismische sensoren, vooral in de oceanen, die momenteel slechts een beperkte dekking hebben, "Zei Maguire. Oceanische implementaties van seismische sensoren zijn duur en moeilijk te plannen en uit te voeren, hij voegde toe.

"In onze studie we gebruikten computermodellering om optimale beeldscenario's te vinden, zodat we de meest gedetailleerde mantelpluimen kunnen herstellen tegen de laagste kosten, "Zei Maguire. "We hopen dat onze resultaten zullen helpen bij het ontwerpen van toekomstige seismische implementaties die gericht zijn op het in beeld brengen van de mantel onder hotspots."

"Wat waarschijnlijk nieuw is in dit werk, is dat we combineren, misschien voor de eerste keer, werkelijke numerieke modellen van hoe pluimen zich vormen en hoe ze in de aarde stijgen met schattingen van hun seismische structuur ", zei co-auteur van het onderzoek Jeroen Ritsema, een professor in de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen aan de Universiteit van Michigan.

"Ten tweede, " hij voegde toe, "We hebben ook onderzocht hoe verschillende netwerkconfiguraties de manier kunnen veranderen waarop we pluimen in beeld brengen. We hebben uitgebreide tests gedaan om de optimale configuraties van seismometers op aarde te achterhalen om pluimen te zien. Dit is vooral belangrijk voor Hawaï, "Zei Ritsema. "Hawaii is een plaats waar we denken dat er een pluim is die verantwoordelijk is voor vulkanisme op de Hawaiiaanse eilanden. We hebben bepaald wat de optimale offshore-inzet op de zeebodem zou kunnen zijn die zou kunnen leiden tot de beste beelden van de diepe mantel onder Hawaï."

"Het is een grote rekenkundige uitdaging om golfvoortplanting door mantelpluimen te simuleren, Ze hadden numerieke codes nodig die de elastische golfvergelijking in de aardmantel oplossen bij hoge frequenties en in drie dimensies. "Wat dat doet, is dat het ons in staat stelt om nauwkeurig rekening te houden met de effecten van golfvoortplantingsverschijnselen zoals golfdiffractie rond pluimstaarten , wat erg belangrijk is voor het in beeld brengen van pluimen, ' zei Maguire.

XSEDE, de eXtreme Science and Engineering Discovery-omgeving, gefinancierd door de National Science Foundation, voorzag het wetenschappelijke team van computerbronnen door toegang tot supercomputers en experts over hoe ze het beste kunnen worden gebruikt. "We zouden dit soort werk niet kunnen doen zonder supercomputerbronnen zoals die worden geleverd door XSEDE, "Ze stelden ons in staat om onze golfvoortplantingssimulaties parallel uit te voeren op honderden of soms duizenden computerkernen."

Het wetenschappelijke team ging de uitdagingen aan die werden opgelegd door hun modelleringsvereisten en gebruikte een seismologiesoftwarepakket genaamd SPECFEM 3D (GLOBE), dat is een spectrale elementcode ontwikkeld door Jeroen Tromp van Princeton en zijn team die golfvoortplanting in het binnenste van de aarde simuleert. Ze gebruikten de Stampede1-supercomputer van het Texas Advanced Computing Center via een XSEDE-toewijzing die meer dan 1,2 miljoen core-uren draaide op Stampede1 en verder gaat met het Stampede2-systeem. "We hebben die code meestal op Stampede1 uitgevoerd, en het was eigenlijk vrij eenvoudig om de code op Stampede1 te configureren, aangezien alle modules en tools die we nodig hadden om het te compileren onmiddellijk beschikbaar waren, ' zei Maguire.

Het workflowbeheer bleek ontmoedigend, met veel simulaties die honderden gigabytes aan gegevens produceerden. "Het XSEDE-team was erg behulpzaam bij het beantwoorden van al mijn vragen over hoe ik mijn workflow kan optimaliseren, bijvoorbeeld hoe ik zo min mogelijk tijd in de wachtrij kan doorbrengen om mijn taken uit te voeren; of hoe ik efficiënt grote hoeveelheden van Stampede naar mijn lokale machine kan overbrengen, ' zei Maguire.

De onderzoekers maakten ook gebruik van het XSEDE Campus Champions-programma, campus informatietechnologie docenten en medewerkers die zijn opgeleid door en nauwe banden onderhouden met XSEDE. "XSEDE Campuskampioen Brock Palen van de Universiteit van Michigan hielp ons vragen te beantwoorden over wat voor soort bronnen beschikbaar zijn via XSEDE, en hoe we er toegang toe kunnen krijgen, ' zei Maguire.

Nog een nuttige bron, zei Maguire, kreeg toegang tot een toewijzing op XSEDE Science Gateways via de Computational Infrastructure for Geodynamics met de hulp van Lorraine Wang. "Science Gateways stelden ons in staat om onze code te testen en er echt achter te komen hoe rekenkundig ons project zou zijn, ' zei Maguire.

De onderzoekers gebruikten een rekenkundig veeleisende techniek genaamd synthetische tomografie, die Maguire uitlegde, was in wezen een betrouwbaarheidstest van hoe goed wetenschappers de nauwkeurigheid van afbeeldingen van het binnenste van de aarde kunnen vertrouwen. "Wat we doen, is dat we de voortplanting van seismische golven simuleren via een digitaal aardemodel, die in ons geval een mantelpluim bevat, " zei Maguire. Dat doen ze met virtuele seismogrammen, die worden verwerkt als werkelijke seismische gegevens om een ​​beeld te krijgen van de herstelde pluimstructuur. "Het stelt ons echt in staat om te testen hoe een mantelpluim tomografisch zou worden afgebeeld en hoe zijn kenmerken wazig of vervormd zouden zijn, afhankelijk van de beeldconfiguratie, ' zei Maguire.

"Onze studie richt zich voornamelijk op lagere mantelpluimen, omdat het echt een van de weinige manieren is om het debat over het bestaan ​​van mantelpluimen te beslechten, " zei Maguire. Dit heeft betrekking op het vulkanisme van de hotspot, veroorzaakt door een abnormaal hete mantel weg van plaatgrenzen. Mantelpluimen die opstijgen uit de kerngrens interesseren geowetenschappers omdat ze een rol spelen in het totale warmtebudget van de aarde door warmte van de kern naar het oppervlak te verplaatsen.

"Hele mantelpluimen, wat betekent pluimen die opstijgen uit de kern-mantelgrens, zijn ook de meest uitdagende om seismisch in beeld te brengen, omdat onze resolutie erg slecht is in de diepe mantel en diepe pluimleidingen waarschijnlijk dun zijn, ' zei Maguire.

Supercomputers kunnen eindelijk beginnen met het inhalen van al lang bestaande wetenschappelijke vragen en helpen nieuwe vragen op te roepen. "Ik denk dat de uitdaging blijft om precies te begrijpen wat we zoeken, " zei Ritsema. "In het werk van Maguire, we hebben een mantelpluim gedefinieerd als een puur thermische opwelling in de diepe aarde. In dit specifieke geval, de pluim is een vrij smalle structuur - hij heeft een vrij smalle staart, met zijn complicaties in beeldvorming. Maar er is ander werk gedaan door andere groepen die in feite hebben beweerd dat pluimen veel dikker kunnen zijn dan wat we in ons werk hebben onderzocht. De aard van pluimen, of pluimen puur thermisch of temperatuurgestuurd zijn, of er ook een compositorische component aan hun vorming is, zijn problemen die nu worden aangepakt in de geofysica, ' zei Ritsema.

De computationele eisen van simulaties in deze studie van golfvoortplanting beperkten het aantal pluimstructuren, die gevarieerder van vorm kunnen zijn, maat, samenstelling, en temperatuur dan de uitsluitend thermische pluimgevallen die ze beschouwden.

"Onze studie is ook de eerste die golfvoortplanting modelleert door pluimen met frequenties zo hoog als een tiende van een hertz, "Zei Maguire. "Maar we zouden dat nog verder willen pushen om naar hogere frequenties te gaan. En dat betekent dat het een nog grotere rekenkundige uitdaging wordt. Naarmate de numerieke tools die we gebruiken efficiënter worden, en naarmate er meer krachtige computerclusters beschikbaar komen, dat is iets dat we in de toekomst misschien kunnen bereiken."

Said Maguire:"Het begrijpen van de dynamiek van de aarde is van fundamenteel belang, omdat we hier allemaal wonen en worden beïnvloed door wat zich onder onze voeten afspeelt. Het bestaan ​​van mantelpluimen en de rol die ze spelen in onze planeet is nog een groot vraagteken. Aanvullend, pluimen zijn in verband gebracht met enkele van de grootste vulkaanuitbarstingen in de geschiedenis van de aarde. En men denkt dat ze mogelijk een rol spelen in de grootste massale uitstervingsgebeurtenissen die we hebben op geologisch record. Er is nog veel dat we niet van hen begrijpen. Onderzoek doen naar de aard van mantelpluimen is van fundamenteel belang."

De studie, "Evaluatie van de resolutie van diepe mantelpluimen in teleseismische reistijdtomografie, " werd in januari 2018 gepubliceerd in het tijdschrift van de American Geophysical Union Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek : vaste aarde .