Hochauflösende Beleuchtung des Erdinneren bis zum Kern des Planeten

Erdbeben bewirken mehr, als Straßen zu durchbrechen und Gebäude zum Einsturz zu bringen. Durch Erdbeben erzeugte seismische Wellen passieren die Erde, wirken wie ein riesiges MRT-Gerät und liefern Hinweise auf das, was sich im Inneren des Planeten befindet.

Seismologen haben Methoden entwickelt, um Wellensignale von den Netzwerken von Seismometern an der Erdoberfläche zu nehmen und Merkmale und Eigenschaften des Mediums, das sie durchlaufen, zurückzuentwickeln, ein Prozess, der als seismische Tomographie bekannt ist.

Jahrzehntelang basierte die seismische Tomographie auf der Strahlentheorie, und seismische Wellen wurden wie Lichtstrahlen behandelt. Dies diente als ziemlich gute Annäherung und führte zu wichtigen Entdeckungen über das Erdinnere. Aber um die Auflösung aktueller seismischer Tomographiemodelle zu verbessern, müssen Seismologen die volle Komplexität der Wellenausbreitung mit numerischen Simulationen berücksichtigen, die als Full-Waveform-Inversion bekannt sind, sagt Ebru Bozdag, Assistenzprofessor in der Abteilung für Geophysik an der Colorado School of Mines .

„Wir befinden uns in einem Stadium, in dem wir Annäherungen und Korrekturen in unseren Bildgebungsverfahren vermeiden müssen, um diese Modelle des Erdinneren zu konstruieren“, sagte sie.

Bozdag war der Hauptautor des ersten Vollwellenform-Inversionsmodells, GLAD-M15 im Jahr 2016, basierend auf vollständigen 3D-Wellensimulationen und 3D-Datenempfindlichkeiten auf globaler Ebene. Das Modell verwendete den Open-Source-3D-Solver für globale Wellenausbreitung SPECFEM3D_GLOBE und wurde in Zusammenarbeit mit Forschern der Princeton University, der Universität Marseille, der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) erstellt. Die Arbeit wurde in der Presse gelobt. Sein Nachfolger, GLAD-M25 (Lei et al. 2020), kam 2020 heraus und brachte markante Merkmale wie Subduktionszonen, Mantelfahnen und Hotspots für weitere Diskussionen über die Manteldynamik ins Blickfeld.

„Wir haben in unseren Veröffentlichungen von 2016 und 2020 gezeigt, dass es möglich ist, vollständige 3D-Wellensimulationen und Datenempfindlichkeiten gegenüber seismischen Parametern auf globaler Ebene zu verwenden. Jetzt ist es an der Zeit, eine bessere Parametrisierung zu verwenden, um die Physik des Erdinneren im inversen Problem zu beschreiben.“ Sie sagte.

Auf dem Herbsttreffen der American Geophysical Union im Dezember 2021 haben Bozdag, Postdoktorand Ridvan Örsvuran, Ph.D. Der Student Armando Espindola-Carmona und der Computerseismologe Daniel Peter von KAUST und Mitarbeiter präsentierten die Ergebnisse ihrer Bemühungen, eine globale vollständige Wellenforminversion durchzuführen, um die Dämpfung – ein Maß für den Energieverlust bei der Ausbreitung seismischer Wellen innerhalb der Erde – und die azimutale Anisotropie zu modellieren. einschließlich der Art und Weise, wie Wellengeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung azimutal variieren, zusätzlich zur radialen Anisotropie, die in den GLAD-Modellen der ersten Generation berücksichtigt wurde.

Sie verwendeten Daten von 300 Erdbeben, um die neuen globalen Vollwelleninversionsmodelle zu konstruieren. „Wir aktualisieren diese Erdmodelle so, dass der Unterschied zwischen Beobachtungs- und simulierten Daten iterativ minimiert wird“, sagte sie. „Und wir versuchen zu verstehen, wie unsere Modellparameter, elastisch und unelastisch, miteinander in Konflikt geraten, was eine herausfordernde Aufgabe ist.“

Die Forschung wird durch einen CAREER-Preis der National Science Foundation (NSF) unterstützt und durch den Frontera-Supercomputer im Texas Advanced Computing Center – den schnellsten aller Universitäten und den 13. schnellsten Gesamtwert der Welt – sowie das Marconi100-System bei Cineca ermöglicht , dem größten Rechenzentrum Italiens.

„Mit dem Zugang zu Frontera, öffentlich zugänglichen Daten aus der ganzen Welt und der Leistungsfähigkeit unserer Modellierungswerkzeuge haben wir begonnen, uns in unseren globalen Vollwellen-Inversionsmodellen der Auflösung im kontinentalen Maßstab anzunähern“, sagte sie.

Bozdag hofft, bessere Einschränkungen für den Ursprung von Mantelplumes und den Wassergehalt des oberen Mantels liefern zu können. „Um Erdbeben und andere seismische Quellen genau zu lokalisieren, Erdbebenmechanismen zu bestimmen und sie besser mit der Plattentektonik zu korrelieren, braucht man hochauflösende Krusten- und Mantelmodelle“, sagte sie.

Von den tiefsten Ozeanen bis ins Weltall

Bozdags Arbeit ist nicht nur auf der Erde relevant. Als Teil des Wissenschaftsteams zur Modellierung des Inneren des Mars teilt sie ihre Expertise in numerischen Simulationen auch mit der InSight-Mission der NASA.

Vorläufige Details der Marskruste, die erstmals durch seismische Daten eingeschränkt wurden, wurden in veröffentlicht Wissenschaft im September 2021. Bozdag analysiert zusammen mit dem InSight-Team weiterhin die Marsbebendaten und löst mithilfe von 3D-Wellensimulationen, die auf Frontera durchgeführt werden, Details des Planeteninneren von der Kruste bis zum Kern auf.

Die Mars-Arbeit relativierte den Mangel an Daten in einigen Teilen der Erde, insbesondere unter den Ozeanen. „Wir haben jetzt Daten von anderen Planeten, aber es ist immer noch schwierig, hochauflösende Bilder unter den Ozeanen zu haben, weil es an Instrumenten mangelt“, sagte Bozdag.

Um dem entgegenzuwirken, arbeitet sie im Rahmen ihres NSF CAREER Award daran, Daten von neuen Instrumenten in ihre Modelle zu integrieren, beispielsweise von schwimmenden akustischen Robotern, die als MERMAIDs (Mobile Earthquake Recording in Marine Areas by Independent Divers) bekannt sind. Diese autonomen U-Boote können seismische Aktivitäten im Ozean erfassen und an die Oberfläche steigen, um diese Daten an Wissenschaftler zu liefern.

Seismischer Community-Zugang

Im September 2021 war Bozdag Teil eines Teams, das mit einem NSF-Preis in Höhe von 3,2 Millionen US-Dollar ausgezeichnet wurde, um in Zusammenarbeit mit Carl Tape (University of Alaska-Fairbanks) eine Computerplattform für die Seismologie-Community zu schaffen, die als SCOPED (Seismic COmputational Platform for Empowering Discovery) bekannt ist. , Marine Denolle (University of Washington), Felix Waldhauser (Columbia University) und Ian Wang (TACC).

„Das SCOPED-Projekt wird eine von Frontera unterstützte Computerplattform einrichten, die Daten, Berechnungen und Dienste für die seismologische Gemeinschaft bereitstellt, um Bildung, Innovation und Entdeckung zu fördern“, sagte Wang, wissenschaftlicher Mitarbeiter von TACC und Co-Hauptprüfer des Projekts . „TACC wird sich auf die Entwicklung der Kern-Cyberinfrastruktur konzentrieren, die sowohl rechen- als auch datenintensiver Forschung dient, einschließlich seismischer Bildgebung, Wellenformmodellierung, Seismologie von Umgebungsgeräuschen und präziser seismischer Überwachung.“

Ein weiteres gemeinschaftsorientiertes Projekt aus Bozdags Gruppe ist Ph.D. Die kürzlich veröffentlichten SphGLLTools von Student Caio Ciardelli: eine Visualisierungs-Toolbox für große seismische Modelldateien. Die auf der Toolbox basierende erleichtert das einfache Plotten und Teilen von globalen Adjoint-Tomographie-Modellen mit der Community. Das Team beschrieb die Toolbox in Computer & Geowissenschaften im Februar 2022.

„Wir bieten einen vollständigen Satz von Berechnungswerkzeugen zur Visualisierung unserer globalen Adjoint-Modelle“, sagte Bozdag. „Jemand kann unsere auf HPC-Simulationen basierenden Modelle nehmen und sie in ein Format konvertieren, das es ermöglicht, sie auf PCs zu visualisieren und kollaborative Notebooks zu verwenden, um jeden Schritt zu verstehen.“

Robin Reichlin, Direktor des Geophysics Program bei NSF, sagt: „Mit neuen, verbesserten Vollwellenformmodellen, Tools, um die Messlatte für den Datenzugriff und die Analyse der Gemeinschaft zu senken, und einer Supercomputing-basierten Plattform, die es Seismologen ermöglicht, die Geheimnisse der Erde zu entdecken und anderen planetarischen Tiefen im Innern treibt Bozdag das Feld in ein präziseres und offeneres Gebiet.“