Geowetenschappers van de Universiteit van Texas in Dallas gebruikten onlangs enorme hoeveelheden aardbevingsgegevens en supercomputers om hoge resolutie, 3D-beelden van de dynamische geologische processen die ver onder het aardoppervlak plaatsvinden.

In een studie gepubliceerd op 29 april in Natuurcommunicatie , het onderzoeksteam van de UT Dallas beschreef hoe het afbeeldingen van mantelstromen in een subductiegebied onder Midden-Amerika en de Caribische Zee creëerde met behulp van een rekenintensieve techniek die een volledige golfvorminversie (FWI) wordt genoemd.

"Dit is de eerste uitgebreide seismische studie om 3D-mantelstroomvelden in werkelijke subductieomgevingen direct in beeld te brengen met behulp van geavanceerde FWI-technologie, " zei Dr. Hejun Zhu, corresponderende auteur van de studie en assistent-professor geowetenschappen aan de School of Natural Sciences and Mathematics. Dr. Jidong Yang, die zijn Ph.D. in geowetenschappen van UT Dallas in mei, en dr. Robert Stern, hoogleraar geowetenschappen, zijn de co-auteurs van de studie.

Een dynamische aarde

Tussen de relatief dunne laag van de aardkorst en de binnenste kern ligt het dikste deel van de planeet, de mantel. Over korte perioden, de mantel kan worden beschouwd als massief gesteente, maar op de geologische tijdschaal van miljoenen jaren, de mantel stroomt als een stroperige vloeistof.

De aardkorst wordt in stukken gebroken die tektonische platen worden genoemd. Deze platen bewegen heel langzaam over en in de mantel - ongeveer net zo snel als vingernagels groeien. In regio's die subductiezones worden genoemd, de ene plaat zakt onder de andere in de mantel.

"Het wegzinken van oceanische platen in de aardmantel in subductiezones zorgt ervoor dat de tektonische platen van de aarde bewegen en is een van de belangrijkste processen die op onze planeet plaatsvinden, "Zei Zhu. "Subductiezones zijn ook de bron van veel natuurlijke gevaren, zoals aardbevingen, vulkanen en tsunami's. Maar het patroon van mantelstroming en vervorming rond dalende platen is nog steeds slecht begrepen. De informatie die onze technieken opleveren, is cruciaal om onze dynamische planeet te begrijpen."

Data-intensief onderzoek

Zhu en zijn collega's hebben het probleem aangepakt met behulp van een geofysische meting genaamd seismische anisotropie, die het verschil meet in hoe snel mechanische golven gegenereerd door aardbevingen in verschillende richtingen binnen de aarde reizen. Seismische anisotropie kan onthullen hoe de mantel rond de subductieplaat beweegt. Soortgelijke technologie wordt ook gebruikt door de energie-industrie om olie- en gasbronnen te lokaliseren.

"Als een duiker in het water duikt, het water scheidt, en die scheiding beïnvloedt op zijn beurt de manier waarop het water rond de zwemmer beweegt, "Zei Zhu. "Het is vergelijkbaar met oceanische platen:wanneer ze in hete mantel duiken, die actie veroorzaakt mantelscheiding en stroming rond de platen."

Het onderzoeksteam heeft de beelden gemaakt met behulp van high-fidelity-gegevens die zijn opgenomen over een periode van 10 jaar vanaf 180 aardbevingen door zo'n 4, 500 seismische stations in een raster in de VS De numerieke berekeningen voor het FWI-algoritme werden uitgevoerd op de high-performance computing-clusters in het door de National Science Foundation (NSF) ondersteunde Texas Advanced Computing Center aan de UT Austin, evenals op supercomputers aan de UT Dallas.

"Vroeger konden we niet 'zien' onder het aardoppervlak, maar door deze technologie en deze prachtige dataset te gebruiken, we zijn in staat om de 3D-verdeling van verschillende seismische verschijnselen af ​​te bakenen en te vertellen op welke diepten ze zich voordoen, ' zei Zhu.

Gegaan aan stukken

De afbeeldingen bevestigden dat de platen in het studiegebied niet groot zijn, vaste stukken, maar zijn eerder gefragmenteerd in kleinere platen.

"Dit ziet er anders uit dan de tekstboekafbeeldingen van tektonische platen die samenkomen, met een massief stuk oceanische plaat dat afdaalt onder een ander massief stuk, "Zei Zhu. "Sommige onderzoekers hebben de hypothese geopperd dat deze fragmentatie optreedt, en onze beeldvorming en modellering levert bewijs dat die visie ondersteunt."

Zhu's 3D-model toont complexe mantelstroompatronen rond een aantal dalende fragmenten en in de openingen tussen platen. Zo dik, gefragmenteerde stukken worden gezien in regio's over de hele wereld, zei Zhu.

In het noordwesten van de V.S. bijvoorbeeld, de Juan de Fuca-plaat is ook gefragmenteerd in twee stukken waar hij afdaalt onder de Noord-Amerikaanse plaat in de Cascadia-subductiezone, een gebied waar door de eeuwen heen sterke aardbevingen hebben plaatsgevonden.

"We weten dat de meeste aardbevingen plaatsvinden op het grensvlak tussen een plaat en de mantel. Als er een opening is tussen deze fragmenten, wat een venstergebied wordt genoemd, je zou daar geen aardbevingen verwachten, "Zei Zhu. "Als je kijkt naar de verdeling van de aardbevingen langs de Cascadia-subductiezone, er is een overspanning waar je geen aardbevingen hebt. Dat is waarschijnlijk een gebied waar een gat zit in de zinkende oceanische plaat.

"De Trench in Midden-Amerika die we hebben bestudeerd, heeft zijn eigen unieke, dynamische eigenschappen. In de toekomst, we zijn van plan onze aandacht te verleggen naar andere subductiezones, inclusief de Kermadec-Tonga subductiezone in de regio van de Australische en Pacifische platen."