Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuw adjoint-golfvormtomografiemodel gemaakt dat nauwkeuriger aardbewegingen van aardbevingen en explosies simuleert. Het artikel, gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research:Solid Earth , werd geselecteerd voor een Editor's Highlight.

Seismische tomografie is een methode om de ontoegankelijke driedimensionale (3D) seismische materiaaleigenschappen van de aarde te schatten, met name de snelheden van compressie- en schuifgolven-gerelateerde samenstelling en temperatuurvariaties. Het biedt afbeeldingen van 3D-structuren die betrekking hebben op plaattektonische processen, evenals modellen om de voortplanting van seismische golven door de complexe structuur van de aarde beter weer te geven.

In tegenstelling tot typische seismische tomografiemodellen, gebruikt dit model volledig driedimensionale simulaties van golfvoortplanting om de gevoeligheid van waargenomen seismogrammen voor de aardstructuur te berekenen, waardoor nauwkeurigere simulaties en betere schattingen van seismische broneigenschappen mogelijk worden.

In het nieuwe onderzoek creëerden wetenschappers een nieuw model van de 3D seismische structuur voor de bovenste 400 km van de aarde in het westen van de Verenigde Staten met behulp van adjoint waveform tomography (AWT). Het model wordt geproduceerd door een rekenintensief golfvorminversieproces dat het ondergrondse model bijwerkt om de overeenkomst met waargenomen seismogrammen te verbeteren. Om kenmerken in het model te trianguleren, is AWT ook data-intensief, waardoor er veel seismogrammen nodig zijn die het doelgebied doorkruisen.

Het team, bestaande uit wetenschappers van het Geophysical Monitoring Program (GMP) van LLNL en onderzoekers van Mondaic, een klein incubator-start-upbedrijf van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie, gebruikte meer dan 60.000 HPC-simulaties op de Lassen-supercomputer van LLNL om 256 modeliteraties uit te voeren voor 72 aardbevingen om bijna 100.000 seismogrammen te passen.

"Hoewel er andere modellen van de westelijke VS bestaan, is dit model uniek omdat het is gebaseerd op veel meer inversie-iteraties dan eerdere modellen en veel beter past bij geregistreerde seismogrammen", zegt LLNL-wetenschapper Artie Rodgers, hoofdauteur van het artikel. "Het kan ook nauwkeurigere schattingen geven van seismische bronkenmerken door vervorming als gevolg van onbekende 3D-aardstructuur in eerdere modellen te verwijderen."

Onderzoekers ontdekten dat de seismische structuur bestaat uit 3D-variaties in compressie- en shear seismische golfsnelheden en dichtheid, en dat horizontaal en verticaal gepolariseerde golven verschillende snelheden hebben.

Hoewel veel seismische tomografiestudies zich richten op beeldvorming van ondergrondse structuur, was de primaire motivatie in het nieuwe werk de ontwikkeling van een 3D-model voor verbeterde golfvormaanpassingen van perioden van 20 tot 120 seconden na een beweging van de aarde.

"We hebben een meer gedetailleerde 3D-structuur van de korst en de bovenmantel geproduceerd met het oog op het verbeteren van de voorspellende mogelijkheden van 3D-golfvormsimulaties voor toepassingen zoals bronkarakterisering en / of langdurige aardbevingssimulaties van grondbewegingen," zei Rodgers. "Golfvormpassingen zijn opmerkelijk beter met ons uiteindelijke model in vergelijking met eerdere modellen in dezelfde regio."

Methoden voor het bewaken van nucleaire explosies kunnen profiteren van 3D-modellen die nauwkeurig korte-periode-golfvormen (20 s) kunnen simuleren, die sterk worden beïnvloed door de structuur van de aardkorst en de bovenste mantel. Evenzo vereisen aardbevingsgevaar- en risicostudies simulaties van golfvormen met een veel kortere periode (minder dan 5-10 s) dan in het nieuwe model. Rodgers zei echter dat de grootschalige structuur eerst moet passen bij de gegevens over een langere periode voordat hij naar de golven met een kortere periode gaat. Er wordt gewerkt aan het oplossen van een fijnere structuur.

Met deze nieuwe methode kan LLNL meer seismische golfvorminformatie gebruiken om nationale en internationale monitoring van kernproeven te ondersteunen. UC Berkeley afgestudeerde student Claire Doody en LLNL-wetenschappers Andrea Chiang en Nathan Simmons hebben ook bijgedragen aan het onderzoek. + Verder verkennen

MRI op planeetschaal:verlichting met hoge resolutie van het binnenste van de aarde tot in de kern van de planeet