Unterwassergeheimnis des hawaiianischen Kaisers mit Supercomputern gelüftet

Die Seamount-Kette Hawaiian-Emperor erstreckt sich über fast 4000 Meilen von den Hawaii-Inseln bis zum Detroit Seamount im Nordpazifik, eine L-förmige Kette, die nach Westen und dann abrupt nach Norden verläuft. Die 60-Grad-Krümmung in der Linie der meist unterseeischen Berge und Vulkaninseln hat Wissenschaftler verwirrt, seit sie erstmals in den 1940er Jahren anhand der Daten zahlreicher Echolotschiffe identifiziert wurde.

Ein Team von Wissenschaftlern hat nun Supercomputer verwendet, die von der Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) bereitgestellt wurden, um die Dynamik der pazifischen tektonischen Plattenbewegung zu modellieren und zu rekonstruieren, die die mysteriöse Biegung der Bergkette erklären könnte.

Wichtigsten Ergebnisse

„Wir haben erstmals mit Computermodellen gezeigt, wie die pazifische Platte abrupt ihre Richtung von Norden nach Westen ändern kann“, sagt Michael Gurnis, Professor für Geophysik am California Institute of Technology.

„Es war ein heiliger Gral, herauszufinden, warum diese Änderung passiert ist“, sagte er. Gurnis war Co-Autor der Studie über die Ursprünge der Seamount-Kette, die in veröffentlicht wurde Natur Geowissenschaften im Januar 2022.

Neben Gurnis bestand das Team aus den Geowissenschaftlern Jiashun Hu, einem Postdoktoranden am Caltech, und Dietmar Müller von der Sydney University in Australien sowie den Computerwissenschaftlern Johann Rudi vom Argonne National Laboratory und Georg Stadler von der New York University.

Hinweise auf Plattenbewegungen

Die Plattenbewegung liefert einen Schlüssel zum Verständnis, wie die Seamount-Kette Plattenbewegungen widerspiegelt. Gigantische tektonische Platten in der Erdkruste bewegen sich im Grunde über das heiße, schwache Gestein des Mantels.

Die Pazifische Platte ist eine der größten. Die Platte erstreckt sich über etwa 40 Millionen Quadratmeilen unter Wasser, umrissen von den Bergen und Vulkanen des „Ring of Fire“, die durch die Rückkehr der Platten in den Mantel entstehen.

Aber die Vulkane von Hawaii und die Seamount-Kette Hawaiian-Emperor wurden nicht durch diesen Prozess verursacht. Stattdessen vermuten Wissenschaftler, dass Federn des heißesten Gesteins der Erde von seinem Kern nach oben durch den Mantel wandern, um einen vulkanischen Hotspot zu erzeugen. Und es wird vermutet, dass die Seamount-Kette dadurch entstand, dass sich die Platte über die heiße Wolke bewegte, so etwas wie eine Spur von Brandspuren auf einem Papier, das über eine Kerze bewegt wurde.

Vor etwa 80 Millionen Jahren wanderte die pazifische Platte etwa 30 Millionen Jahre lang hauptsächlich nach Norden, wie die Reihe der Kaiser-Seamounts zeigt. Aber vor etwa 50 Millionen Jahren geschah etwas Seltsames. Die pazifische Platte änderte offenbar ihre Richtung, und auch der Mantelplume verschob sich.

„Vielleicht gibt es einen zugrunde liegenden physikalischen Grund, warum sie gleichzeitig auftreten würden“, sagte Gurnis.

Vorheriger Gordon-Bell-Preis

Er wies auf frühere Arbeiten hin, bei denen Techniken wie die adaptive Netzverfeinerung zur Dynamik der Mantelkonvektion, Rechenarbeiten, die sich gut auf eine große Anzahl von CPUs skalieren lassen, und das Stampede1-System von TACC verwendet wurden, und brachten dem Team unter der Leitung von Johann Rudi den Gordon Bell-Preis ein 2015.

„Darüber hinaus haben frühere Arbeiten mit Müller, Gurnis und anderen gezeigt, wie die Physik von Rauchfahnen innerhalb des Mantels funktionieren könnte, so dass man eine Wolke haben könnte, die schnell nach Süden wanderte und dann vor 50 Millionen Jahren stoppte“, sagte Gurnis.

„Diese beiden Studien ergänzen sich, weil wir zu Beginn der vorliegenden Studie tatsächlich ein Modell hatten, das die Bewegung der Wolke nach Süden erklären und dann abrupt stoppen könnte, aber wir hatten kein Modell, das erklären könnte, wie sich die Platte verändern könnte seine Richtung“, fügte er hinzu.

Die Berechnungen des Teams zur Physik tektonischer Platten mussten die Verwerfungen an ihren Grenzen berücksichtigen, aber dennoch die Bewegung der Platten zulassen.

Rechentechnische Herausforderungen

Die Herausforderung, diese beiden physikalischen Elemente gleichzeitig zu berechnen, bedeutete, dass sie Berechnungsmethoden benötigten, die große Änderungen der mechanischen Eigenschaften von einer Platte zur anderen Platte sowie deren Fehler bewältigen können.

Die traditionellen Vorstellungen von Plattenbewegungen ergaben in den Modellen jedoch nicht genügend Kraft, um die Pazifische Platte nach Westen zu ziehen und die Biegung zu erklären.

„Wir entdeckten, dass es in der Literatur eine andere Idee gab, die aber nicht viel Aufmerksamkeit erregte“, sagte Gurnis.

Neuer Faktor

Der neue Faktor, der in der Studie berücksichtigt wurde, war eine Subduktionszone im russischen Fernen Osten, ein Kronotsky-Bogen, der vor etwa 50 Millionen Jahren endete. Mit diesen Subduktionszonen bauten sie neue plattentektonische Rekonstruktionen.

Als sie die Zonen in die Modelle einfügten, entdeckten sie, dass sie die pazifische Platte nach Norden verschieben konnten. Und als diese Subduktion endete, begann sich die pazifische Platte nach Westen zu bewegen und baute langsam andere Subduktionszonen auf, die im Laufe der Zeit mehr Kraft lieferten, um die pazifische Platte zu ziehen.

„Es ist eine neue Hypothese, die in Bezug auf die Physik, auf der sie basiert, viel fester ist“, schloss Gurnis. „Es wird anderen Wissenschaftlern ermöglichen zu sehen, ob es einer weiteren Prüfung standhält und ob es andere Ideen gibt, die auf seinen Annahmen getestet werden können.“

Rechenressourcen

Für die Studie erhielt Gurnis über XSEDE, finanziert von der National Science Foundation (NSF), Zugang zum Supercomputer Stampede2 am TACC. Außerdem erhielt er Zugang zum NSF-finanzierten Frontera-System auch bei TACC, dem leistungsstärksten Supercomputer in der Wissenschaft und der ersten Phase des NSF-Programms „Towards a Leadership Class Computing Facility“.

„Sowohl XSEDE als auch Frontera sind für unsere Forschung absolut unverzichtbar“, sagte Gurnis.

„Dieses Capability Computing ist unerlässlich“, fügte er hinzu. „Wir entwickeln mit dieser Zusammenarbeit Projekte, die wesentlich größer sein werden als diese, die sogar noch mehr Rechenleistung als Frontera erfordern werden.“

Diese Grundlagenforschung zielt darauf ab, Geheimnisse über die Dynamik der vergangenen und gegenwärtigen Erde zu erforschen.

„Wenn Sie sich mit einigen der grundlegendsten Prozesse auf der Erde befassen, ist es wichtig, richtig herauszufinden, wie sie funktionieren“, sagte Gurnis.

Neue Richtungen

Er hob auch das Zusammenspiel zwischen Domänenwissenschaft und der angewandten Arbeit mit Computerwissenschaftlern hervor.

„Die Algorithmen, die wir für die adaptive Netzverfeinerung entwickelt haben, können auf viele reine und angewandte Probleme angewendet werden“, fügte Gurnis hinzu. „Das war ein riesiger Durchbruch.“

Gurnis sagte: „Wir haben jetzt Algorithmen, die uns in neue Richtungen führen könnten. Als wir mit diesem Projekt begannen, dachte ich nicht an das hawaiianisch-kaiserliche Seamount-Problem. Aber dann tauchten neue Ideen und Fähigkeiten auf. Plötzlich konnten neue wissenschaftliche Fragen auftauchen . Der Einsatz von Supercomputern ermöglicht es uns im Wesentlichen, die grundlegenden Phänomene zu entdecken und aufzudecken, die einige der wichtigsten Prozesse steuern, die die Erde formen.“