Hoge resolutie verlichting van het binnenste van de aarde tot aan de kern van de planeet met behulp van 3D globale numerieke simulatie – ScienceDaily

Seismologen hebben methoden ontwikkeld om golfsignalen van netwerken van seismometers aan het aardoppervlak te nemen en de eigenschappen en kenmerken van het medium waar ze doorheen gaan, weer te geven, een proces dat seismische tomografie wordt genoemd.

Decennialang was seismische tomografie gebaseerd op stralingstheorie en werden seismische golven behandeld als lichtstralen. Dit was een zeer goede benadering en leidde tot grote ontdekkingen over het binnenste van de aarde. Maar om de nauwkeurigheid van de huidige seismische tomografiemodellen te verbeteren, moeten seismologen rekening houden met de volledige complexiteit van golfvoortplanting met behulp van numerieke simulaties, bekend als volledige golfvorminversie, zegt Ebru Bozdag, universitair hoofddocent bij de afdeling Geofysica van het Colorado College of Mines. .

“We bevinden ons op een punt waarop we benaderingen en correcties in onze beeldvormingstechnieken moeten vermijden om deze modellen uit de grond te bouwen,” zei ze.

Bozdag was de hoofdauteur van het eerste volledige golfreflectiemodel, GLAD-M15 in 2016, gebaseerd op 3D volledige golfsimulatie en 3D-gegevensgevoeligheden op wereldschaal. Het open source-model van 3D-oplossingen voor globale golfvoortplanting maakte gebruik van SPECFEM3D_GLOBE (gratis verkrijgbaar bij de Geodynamic Computational Infrastructure) en is gemaakt in samenwerking met onderzoekers van Princeton University, University of Marseille, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en Oak Ridge National Laboratorium (ORNL). Het werk werd geprezen in de pers. De opvolger, GLAD-M25 (Lei et al. 2020), verscheen in 2020 en vertoonde prominente kenmerken zoals subductiezones, mantelpluimen en hotspots voor verdere discussies over manteldynamiek.

“We hebben in onze papers van 2016 en 2020 de haalbaarheid aangetoond van het gebruik van volledige 3D-golfsimulaties en gegevensgevoeligheden voor seismische normen op mondiaal niveau. Nu is het tijd om betere normen te gebruiken om de fysica van het binnenste van de aarde in het omgekeerde probleem te beschrijven”, ze zei.

Tijdens de bijeenkomst van de American Geophysical Union in de herfst van december 2021 presenteerden Bozdag, postdoctoraal onderzoeker Redvan Ursvoran, doctoraalstudent Armando Espindola Carmona, computationeel seismoloog Daniel Peter van KAUST, en medewerkers de resultaten van hun inspanningen om een ​​wereldwijde volledige golfomkering uit te voeren in de model. Verzwakking – een maatstaf voor energieverlies met de voortplanting van seismische golven binnen de aarde – en azimutvariantie – inclusief de manier waarop golfsnelheden variëren als een functie van de azimutale voortplantingsrichting en radiale variantie beschouwd in GLAD-modellen van de eerste generatie.

Ze gebruiken gegevens van 300 aardbevingen om nieuwe wereldwijde full-wave reflectiemodellen te bouwen. “We werken deze aardmodellen bij, zodat de variatie van observatie- en simulatiegegevens vaak wordt verminderd”, zei ze. “En we proberen te begrijpen hoe onze modellen, elastisch en niet-elastisch, met elkaar in wisselwerking staan, wat een moeilijke taak is.”

Het onderzoek wordt ondersteund door een CAREER-prijs van de National Science Foundation (NSF) en wordt mogelijk gemaakt door de Frontera-supercomputer van het Center for Advanced Computing in Texas – de snelste als elke universiteit en de 13e snelste ter wereld – evenals de Marconi100 systeem. In Cineca, het grootste rekencentrum van Italië.

“Door toegang te krijgen tot Frontera, openbaar beschikbare gegevens van over de hele wereld en de kracht van onze modelleringstools, beginnen we dichter bij de nauwkeurigheid op continentaal niveau te komen in wereldwijde full-wave reflectiemodellen”, zei ze.

Bozdag hoopt de oorsprong van mantelpluimen en het watergehalte in de bovenmantel beter te kunnen beperken. Bovendien, “om aardbevingslocaties en andere aardbevingsbronnen nauwkeurig te lokaliseren, aardbevingsmechanismen te identificeren en ze beter te relateren aan platentektoniek, heb je modellen met een hoge resolutie van de korst en de mantel nodig”, zegt ze.

Van de diepten van de oceanen naar de ruimte

Het werk van Bozdag beperkt zich niet alleen tot land. Ze deelt ook haar expertise in numerieke simulaties met NASA’s InSight-missie als onderdeel van het wetenschappelijke team dat het interieur van Mars ontwerpt.

De eerste details van de korst van Mars, beperkt door seismische gegevens, werden voor het eerst gepubliceerd in weten September 2021. Bozdag blijft, samen met het InSight-team, moerasgegevens analyseren en de details van het binnenste van de planeet van korst tot kern oplossen met behulp van 3D-golfsimulaties die op Frontera worden uitgevoerd.

Het werk van Mars hield rekening met de schaarste aan gegevens in sommige delen van de aarde, met name onder de oceanen. “We hebben nu gegevens van andere planeten, maar het is nog steeds moeilijk om afbeeldingen met een hoge resolutie onder de oceanen te krijgen vanwege het gebrek aan hulpmiddelen”, zei Bozdag.

Om dit aan te pakken, integreert het gegevens van opkomende instrumenten in zijn modellen als onderdeel van de NSF CAREER-prijs, zoals die van drijvende akoestische robots die bekend staan ​​als MERMAID’s (Marine Portable Seismic Recording by Autonomous Divers). Deze autonome onderzeeërs kunnen seismische activiteit in de oceaan opvangen en naar de oppervlakte stijgen om die gegevens aan wetenschappers door te geven.

Toegang tot de seismische gemeenschap

In september 2021 maakte Bozdag deel uit van een NSF-bekroond team van $ 3,2 miljoen om een ​​computerplatform voor de seismologiegemeenschap te creëren, bekend als SCOPED (Seismic Platform for Strengthening Detection), in samenwerking met Carl Tape (University of Alaska-Fairbanks), Marine Dinnell (Universiteit van Washington)), Felix Waldhauser (Columbia University) en Ian Wang (TACC).

“Het SCOPED-project zal een computerplatform creëren, ondersteund door Frontera, dat gegevens, berekeningen en diensten levert aan de seismologische gemeenschap om onderwijs, innovatie en ontdekking te bevorderen”, zegt Wang, een projectonderzoeksmedewerker en co-hoofdonderzoeker op de projecteren. . “TACC zal zich richten op het ontwikkelen van kritieke elektronische infrastructuur die zowel computer- als datagestuurd onderzoek dient, inclusief seismische beeldvorming, golfmodellering, omgevingsgeluidseismologie en nauwkeurige seismische monitoring.”

Een ander gemeenschapsgericht project van de Bozdag-groep is het onlangs uitgebrachte SphGLLTools van promovendus Caio Ciardelli: een visuele toolbox voor grote seismische modelbestanden. Een toolkit gebaseerd maakt het gemakkelijk om wereldwijde CT-modellen te plannen en te delen met de gemeenschap. Beschrijving van de tools van het team in Computers en aardwetenschappen In februari 2022.

“We bieden een volledige reeks rekenhulpmiddelen om onze aanvullende wereldwijde modellen te visualiseren”, aldus Bozdag. “Iedereen kan onze modellen gebruiken op basis van HPC-simulaties en ze converteren naar een formaat om visualisatie op pc’s mogelijk te maken en collaboratieve laptops gebruiken om elke stap te begrijpen.”

“Met nieuwe en verbeterde full-wave modellen; tools om het niveau van toegang en analyse van gemeenschapsgegevens te verlagen; en een supercomputer-aangedreven platform om seismologen in staat te stellen de mysteries van de aarde en andere diepe binnenplaneten te ontdekken, duwt Bozdag het veld in een regio Nauwkeuriger en opener.

Video: https://youtu.be/ilna9RAX6r8