Гавайско-Императорская цепь подводных гор простирается почти на четыре тысячи миль от Гавайских островов до подводной горы Детройт в северной части Тихого океана, образуя L-образную цепь, которая идет на запад, а затем резко на север. 60-градусный изгиб линии преимущественно подводных гор и вулканических островов озадачил ученых, поскольку он был впервые обнаружен в 1940-х годах по данным многочисленных эхолотов..
Группа ученых использовала суперкомпьютеры, выделенные Средой экстремальных наук и инженерных открытий (XSEDE), для моделирования и реконструкции динамики движения тектонических плит Тихого океана, которая могла бы объяснить таинственный изгиб горной цепи.
Основные выводы
«С помощью компьютерных моделей мы впервые показали, как Тихоокеанская плита может резко изменить направление с севера на запад», - сказал Майкл Гурнис, профессор геофизики Калифорнийского технологического института.
«Это был святой Грааль, чтобы понять, почему произошло это изменение», - сказал он. Гурнис является соавтором исследования о происхождении цепи подводных гор, которое было опубликовано в журнале Nature Geoscience в январе 2022 года.
Помимо Гурниса, в состав группы входили геофизики Цзяшунь Ху, аспирант Калифорнийского технологического института, и Дитмар Мюллер из Сиднейского университета в Австралии, а также ученые-вычислители Иоганн Руди из Аргоннской национальной лаборатории и Георг Стадлер из Нью-Йоркского университета..
Подсказки движения тарелки
Движение плит дает ключ к пониманию того, как цепь подводных гор отражает движение плит. Гигантские тектонические плиты в земной коре в основном движутся по горячим и слабым породам мантии.
Тихоокеанская плита - одна из крупнейших. Плита охватывает около 40 миллионов квадратных миль под водой, очерченные горами и вулканами «Огненного кольца», которые образовались в результате возвращения плит в мантию.
Но вулканы Гавайев и цепь подводных гор Гавайи-Император не были вызваны этим процессом. Вместо этого ученые предполагают, что шлейфы самой горячей породы Земли из ее ядра поднимаются вверх через мантию, образуя вулканическую горячую точку. И предполагается, что цепь подводных гор была создана плитой, движущейся по горячему шлейфу, что-то вроде следов ожогов на бумаге, движущейся над свечой.
Около 80 миллионов лет назад Тихоокеанская плита перемещалась в основном на север в течение примерно 30 миллионов лет, о чем свидетельствует линия подводных гор Императора. Но около 50 миллионов лет назад произошло нечто странное. Тихоокеанская плита, по-видимому, изменила направление, и мантийный плюм тоже сместился.
«Возможно, есть физическая причина, по которой они происходят одновременно», - сказал Гурнис.
Приз Гордона Белла
Он указал на предыдущую работу с использованием таких методов, как адаптивное уточнение сетки по динамике мантийной конвекции, вычислительная работа, которая хорошо масштабируется для большого количества ЦП, и использовал систему Stampede1 TACC, и заработал команда, возглавляемая Иоганном Руди. Премия Гордона Белла в 2015 году.
Более того, более ранняя работа с Мюллером, Гурнисом и другими показала, как физика плюмов может работать внутри мантии, так что может быть плюм, который быстро мигрировал на юг, а затем остановился на 50 миллионах лет. назад, - сказал Гурнис.
Эти два исследования дополняют друг друга, потому что при переходе к настоящему исследованию у нас фактически была модель, которая могла бы объяснить движение шлейфа на юг, а затем резко остановиться, но у нас не было модели, которая могла бы объяснить как тарелка могла изменить свое направление», - добавил он.
Вычисления физики тектонических плит, проведенные группой, должны были учитывать разломы на их границах, но при этом допускать движение плит.
Вычислительные задачи
Задача одновременного вычисления обеих этих частей физики означала, что им нужны вычислительные методы, которые могут обрабатывать огромные изменения механических свойств от одной пластины к другой, а также их неисправности.
Тем не менее, традиционные представления о движении платформ не дали достаточной силы в моделях, чтобы потянуть Тихоокеанскую плиту на запад и объяснить изгиб.
«Мы обнаружили, что в литературе существовала еще одна идея, но она не привлекала особого внимания», - сказал Гурнис.
Новый Фактор
Новым фактором, учитываемым в исследовании, была зона субдукции на Дальнем Востоке России, Кроноцкая дуга, которая закончилась около 50 миллионов лет назад. Они построили новые тектонические реконструкции плит с этими зонами субдукции.
Когда они поместили зоны в модели, они обнаружили, что могут заставить Тихоокеанскую плиту двигаться на север. И когда эта субдукция закончилась, Тихоокеанская плита начала двигаться на запад, медленно создавая другие зоны субдукции, которые со временем придавали больше силы, чтобы тянуть Тихоокеанскую плиту.
«Это новая гипотеза, которая намного прочнее с точки зрения физики, на которой она основана», - заключил Гурнис. «Это позволит другим ученым увидеть, выдержит ли он дальнейшую проверку и есть ли другие идеи, которые можно проверить на основе его предположений».
Вычислительные ресурсы
Для исследования Гурнис получил доступ к суперкомпьютеру Stampede2 в TACC через XSEDE, финансируемый Национальным научным фондом (NSF). Он также получил доступ к системе Frontera, финансируемой NSF, также в TACC, самом мощном суперкомпьютере в академических кругах и первом этапе программы NSF «На пути к вычислительному центру лидерского класса».
«И XSEDE, и Frontera абсолютно необходимы для нашего исследования», - сказал Гурнис.
«Эта вычислительная мощность очень важна», - добавил он. «В рамках этого сотрудничества мы запускаем проекты, которые будут значительно больше, чем этот, и для их вычислений потребуется что-то еще, кроме Frontera».
Это фундаментальное исследование направлено на изучение тайн динамики прошлого и настоящего Земли.
«Когда вы имеете дело с некоторыми из самых фундаментальных процессов на Земле, важно правильно понять, как они работают», - сказал Гурнис.
Новые направления
Он также подчеркнул взаимосвязь между предметной наукой и прикладной работой с учеными-вычислителями.
«Алгоритмы, разработанные нами для адаптивного уточнения сетки, могут быть применены ко многим чистым и прикладным задачам», - добавил Гурнис. «Это был огромный прорыв».
Гурнис сказал: «Теперь у нас есть алгоритмы, которые могут двигаться в новых направлениях. Когда мы начинали этот проект, я не думал о проблеме подводной горы Гавайи-Император. Но затем появились новые идеи и возможности. Внезапно могут возникнуть новые научные вопросы. Использование суперкомпьютеров, по сути, позволяет нам обнаруживать и раскрывать основные явления, которые управляют некоторыми из наиболее важных процессов, формирующих Землю».