Вулканы Гавайев стоят как безмолвные часовые. Они хранят тайну того, как они образовались, за тысячи миль от того места, где края тектонических плит сталкиваются и генерируют магму для большинства вулканов. Исследование Nature 2017 года, проведенное Jones et al. нашел лучшие подсказки о происхождении гавайских вулканов путем моделирования сдвига Тихоокеанской плиты три миллиона лет назад. Что остается неуловимым, так это убедительные доказательства существования мантийных плюмов.
Шлейфы - это гипотетические грибовидные выбросы горячих пород из недр Земли. Предполагается, что они образуются в тепловом пограничном слое у основания мантии и, как считается, переносят тепло от ядра Земли, которое генерирует вулканическую магму. Согласно исследованию, опубликованному в Интернете в январе 2018 года, ученым удалось создать лучшее компьютерное моделирование мантийных плюмов до его рецензирования и публикации в ноябре 2017 года в Журнале геофизических исследований Американского геофизического союза, Solid Earth.
Международная научная группа впервые показала с помощью суперкомпьютерного моделирования детали того, как шлейфы замедляют сейсмические волны и как шлейфы появляются на сейсмических томографических изображениях мантии Земли, слоя под корой. Более того, исследователи говорят, что их работа может помочь в будущих экспериментах на дне океана с глубокой визуализацией Земли и поможет разобраться в таких загадках, как происхождение вулканов на Гавайях.
«Мы обнаружили, что мантийные шлейфы, вероятно, будут более сложными для сейсмического изображения, чем мы считали ранее», - сказал ведущий автор исследования Росс Магуайр, бывший аспирант, недавно окончивший факультет наук о Земле и окружающей среде в Мичиганский университет. «Наша текущая картина глубинных мантийных плюмов может отсутствовать», - сказал Магуайр, указывая на недостаток охвата сейсмическими данными.
Сейсмическая визуализация позволяет увидеть горные породы за тысячи километров под землей, слушая эхо землетрясений. Сети сейсмических станций располагаются на дне океана и измеряют разницу во времени прохождения сейсмических волн через горные породы, по сути выполняя компьютерную томографию недр Земли.
Чтобы ограничить роль мантийных плюмов в динамике Земли, а также понять причины вулканизма в горячих точках, нам необходимо сосредоточиться на расширении глобального охвата сейсмическими датчиками, особенно в океанах, которые в настоящее время имеют лишь скудное освещение», - сказал Магуайр. Он добавил, что развертывание сейсмических датчиков в океане является дорогостоящим и сложным в планировании и реализации.
«В нашем исследовании мы использовали компьютерное моделирование, чтобы найти оптимальные сценарии визуализации, чтобы мы могли восстановить большинство деталей мантийных плюмов с наименьшими затратами», - сказал Магуайр. «Мы надеемся, что наши результаты помогут в планировании будущих сейсмических исследований, направленных на визуализацию мантии под горячими точками».
«Что, вероятно, является новым в этой работе, так это то, что мы объединяем, возможно, впервые, фактические численные модели того, как формируются шлейфы и как они поднимаются в Земле, с оценками их сейсмической структуры», - сказал исследователь. - автор Джероен Рицема, профессор кафедры наук о Земле и окружающей среде Мичиганского университета.
«Во-вторых, - добавил он, - мы также изучили, как различные конфигурации сети могут изменить то, как мы получаем изображения шлейфов. Мы провели обширные тесты, чтобы определить оптимальные конфигурации сейсмометров на Земле, чтобы перья. Это особенно важно для Гавайев», - сказал Рицема. «Гавайи - это место, где, как мы полагаем, есть шлейф, ответственный за вулканизм на Гавайских островах. Мы определили, что может быть оптимальным развертыванием на морском дне, чтобы получить наилучшие изображения глубоководной мантии под Гавайями».
«Моделирование распространения волн через мантийные шлейфы представляет собой сложную вычислительную задачу, - сказал Магуайр. Им нужны были числовые коды, решающие уравнение упругих волн в мантии Земли на высоких частотах и в трех измерениях. «Это позволяет нам точно учитывать эффекты явлений распространения волн, таких как дифракция волн вокруг хвостов шлейфов, что очень важно для визуализации шлейфов», - сказал Магуайр..
XSEDE, экстремальная среда научных и инженерных открытий, финансируемая Национальным научным фондом, предоставила вычислительные ресурсы научной группе через доступ к суперкомпьютерам и экспертам в том, как их лучше всего использовать.«Мы не смогли бы выполнять такую работу без суперкомпьютерных ресурсов, подобных тем, которые предоставляет XSEDE», - сказал Магуайр. «Они позволили нам параллельно запускать наши симуляции распространения волн на сотнях, а иногда и тысячах вычислительных ядер».
Научная группа решила проблемы, связанные с их требованиями к моделированию, и использовала пакет программного обеспечения для сейсмологии под названием SPECFEM 3D (GLOBE), который представляет собой код спектральных элементов, разработанный Джероеном Тромпом из Принстона и его командой, который моделирует распространение волн в Интерьер Земли. Они использовали суперкомпьютер Stampede1 Техасского центра передовых вычислений через выделение XSEDE, которое отработало более 1,2 миллиона часов ядер на Stampede1 и продолжается с системой Stampede2. «Мы запускали этот код в основном на Stampede1, и на самом деле было довольно легко настроить код на Stampede1, поскольку все модули и инструменты, необходимые для его компиляции, были сразу доступны», - сказал Магуайр.
Управление рабочим процессом оказалось сложной задачей, поскольку многие симуляции производили сотни гигабайт данных. «Команда XSEDE очень помогла, ответив на все мои вопросы о том, как я могу оптимизировать свой рабочий процесс, например, как я могу потратить наименьшее количество времени на ожидание в очереди для выполнения моих заданий или как я могу эффективно передавать большие объемы данных. из Stampede на мою локальную машину», - сказал Магуайр.
Исследователи также воспользовались преимуществами программы XSEDE Campus Champions, факультета информационных технологий кампуса и сотрудников, которые прошли обучение и поддерживают тесные связи с XSEDE. «Чемпион кампуса XSEDE Брок Пален из Мичиганского университета помог нам ответить на вопросы о том, какие ресурсы доступны через XSEDE и как мы можем получить к ним доступ», - сказал Магуайр.
Другим полезным ресурсом, по словам Магуайра, был доступ к распределению на XSEDE Science Gateways через вычислительную инфраструктуру для геодинамики с помощью Lorraine Wang.«Научные шлюзы позволили нам протестировать наш код и выяснить, насколько требовательным к вычислительным ресурсам будет наш проект», - сказал Магуайр.
Исследователи использовали требовательную к вычислительным ресурсам технику, называемую синтетической томографией, которая, как объяснил Магуайр, была, по сути, проверкой надежности того, насколько хорошо ученые могут доверять точности изображений недр Земли. «Что мы делаем, так это моделируем распространение сейсмических волн через цифровую модель Земли, которая в нашем случае содержит мантийный шлейф», - сказал Магуайр. Они делают это с помощью виртуальных сейсмограмм, которые обрабатываются как реальные сейсмические данные, чтобы получить изображение восстановленной структуры шлейфа. «Это действительно позволяет нам проверить, как мантийный шлейф будет изображен на томографическом изображении и как его черты будут либо размыты, либо искажены, в зависимости от конфигурации изображения», - сказал Магуайр..
«Наше исследование сосредоточено в первую очередь на хвостах мантийных плюмов, потому что это действительно один из единственных способов продвинуться вперед с точки зрения разрешения споров о существовании мантийных плюмов», - сказал Магуайр. Это относится к точечному вулканизму, вызванному аномально горячей мантией вдали от границ плит. Мантийные плюмы, которые поднимаются от границы ядра, интересны геологам, потому что они играют роль в общем тепловом балансе Земли, перемещая тепло от ядра к поверхности.
«Плюмы всей мантии, то есть плюмы, которые поднимаются от границы между ядром и мантией, также являются наиболее сложными для сейсмического изображения, потому что наше разрешение очень плохое в глубокой мантии, а каналы глубоких плюмов, вероятно, будут тонкими», - сказал Магуайр.
Суперкомпьютеры, возможно, наконец-то начинают решать давние научные вопросы и помогают провоцировать новые вопросы. «Я думаю, что проблема заключается в том, чтобы точно понять, что мы ищем», - сказал Рицема. «В работе Магуайра мы определили мантийный плюм как чисто термальный апвеллинг в недрах Земли. В данном конкретном случае плюм представляет собой довольно узкую структуру - у него довольно узкий хвост, что затрудняет визуализацию. Но были и другие работы других групп, которые на самом деле утверждали, что шлейфы могут быть намного толще, чем то, что мы исследовали в нашей работе. Сама природа плюмов, независимо от того, являются ли плюмы чисто тепловыми или обусловленными температурой, или же в их формировании присутствует композиционный компонент, - это вопросы, которые сейчас решаются в геофизике», - сказал Рицема.
Вычислительные требования моделирования в этом исследовании распространения волн ограничили количество структур шлейфа, которые могут быть более разнообразными по форме, размеру, составу и температуре, чем рассмотренные ими случаи исключительно теплового шлейфа.
«Наше исследование также является первым, в котором моделируется распространение волн через шлейфы на частотах до одной десятой герца», - сказал Магуайр. «Но мы хотели бы продвинуться еще дальше, чтобы перейти к более высоким частотам. А это означает, что это будет еще более сложной вычислительной задачей. - становятся доступными высокопроизводительные вычислительные кластеры, это то, чего мы, возможно, сможем достичь в будущем."
Сказал Магуайр: «Понимание динамики Земли имеет фундаментальное значение, потому что мы все живем здесь и на нас влияет то, что происходит у нас под ногами. Существование мантийных плюмов и роль, которую они играют на нашей планете, все еще большой вопросительный знак. Кроме того, шлейфы были связаны с некоторыми из крупнейших извержений вулканов в истории Земли. И считается, что они потенциально играют роль в крупнейших событиях массового вымирания, которые мы знаем в геологической истории. мы многого о них не понимаем. Проведение исследований по изучению природы мантийных плюмов имеет фундаментальное значение».