Le mystère sous-marin de l’empereur hawaïen révélé avec des superordinateurs

La chaîne de monts sous-marins Hawaiian-Emperor s’étend sur près de quatre mille miles des îles hawaïennes au mont sous-marin de Détroit dans le Pacifique nord, une chaîne en forme de L qui va vers l’ouest puis brusquement vers le nord. La courbe à 60 degrés de la ligne de montagnes et d’îles volcaniques principalement sous-marines a intrigué les scientifiques depuis qu’elle a été identifiée pour la première fois dans les années 1940 à partir des données de nombreux navires de sondage par écho.

Une équipe de scientifiques a maintenant utilisé des superordinateurs alloués par l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) pour modéliser et reconstruire la dynamique du mouvement des plaques tectoniques du Pacifique qui pourrait expliquer la mystérieuse courbure de la chaîne de montagnes.

Découvertes majeures

« Nous avons montré pour la première fois avec des modèles informatiques comment la plaque du Pacifique peut brusquement changer de direction du nord vers l’ouest », a déclaré Michael Gurnis, professeur de géophysique au California Institute of Technology.

« Cela a été un Saint Graal de comprendre pourquoi ce changement s’est produit », a-t-il déclaré. Gurnis est co-auteur de l’étude sur les origines de la chaîne des monts sous-marins qui a été publiée dans Géoscience de la nature en janvier 2022.

Outre Gurnis, l’équipe était composée des géoscientifiques Jiashun Hu, chercheur postdoctoral à Caltech, et Dietmar Müller de l’Université de Sydney en Australie et des informaticiens Johann Rudi du Laboratoire national d’Argonne et Georg Stadler de l’Université de New York.

Indices de mouvement de plaque

Le mouvement de la plaque fournit une clé pour comprendre comment la chaîne du mont sous-marin reflète les mouvements de la plaque. De gigantesques plaques tectoniques dans la croûte terrestre se déplacent essentiellement sur la roche chaude et fragile du manteau.

La plaque du Pacifique est l’une des plus grandes. La plaque s’étend sur environ 40 millions de kilomètres carrés sous la mer, délimitée par les montagnes et les volcans de la « ceinture de feu » créés par le retour des plaques dans le manteau.

Mais les volcans d’Hawaï et la chaîne de monts sous-marins Hawaiian-Emperor n’ont pas été causés par ce processus. Au lieu de cela, les scientifiques théorisent que les panaches de la roche la plus chaude de la Terre, à partir de son noyau, se déplacent vers le haut à travers le manteau pour générer un point chaud volcanique. Et il est théorisé que la chaîne du mont sous-marin a été créée par la plaque se déplaçant sur le panache chaud, quelque chose comme une traînée de marques de brûlure sur un papier déplacé sur une bougie.

Il y a environ 80 millions d’années, la plaque du Pacifique a voyagé principalement vers le nord pendant environ 30 millions d’années, comme en témoigne la ligne des monts sous-marins de l’Empereur. Mais il y a environ 50 millions d’années, quelque chose d’étrange s’est produit. La plaque Pacifique a apparemment changé de direction et le panache du manteau s’est également déplacé.

« Peut-être qu’il y a une raison physique sous-jacente pour laquelle ils se produiraient simultanément », a déclaré Gurnis.

Avant le prix Gordon Bell

Il a souligné des travaux antérieurs utilisant des techniques telles que le raffinement de maillage adaptatif sur la dynamique de la convection du manteau, un travail de calcul qui s’adapte bien à un grand nombre de processeurs et a utilisé le système Stampede1 de TACC et a valu à l’équipe dirigée par Johann Rudi le prix Gordon Bell en 2015.

« De plus, des travaux antérieurs avec Müller, Gurnis et d’autres ont montré comment la physique des panaches pouvait fonctionner à l’intérieur du manteau de telle sorte que vous pourriez avoir un panache qui a rapidement migré vers le sud puis s’est arrêté il y a 50 millions d’années », a déclaré Gurnis.

« Ces deux études sont complémentaires car en entrant dans la présente étude, nous avions en fait un modèle qui pouvait expliquer le mouvement du panache vers le sud puis s’arrêter brusquement, mais nous n’avions pas de modèle qui pouvait expliquer comment la plaque pouvait changer. sa direction », a-t-il ajouté.

Les calculs de l’équipe sur la physique des plaques tectoniques devaient tenir compte des failles à leurs limites tout en permettant le mouvement des plaques.

Défis informatiques

Le défi de faire calculer simultanément ces deux éléments de physique signifiait qu’ils avaient besoin de méthodes de calcul capables de gérer de vastes changements dans les propriétés mécaniques d’une plaque à l’autre ainsi que leurs défauts.

Pourtant, les idées traditionnelles du mouvement des plaques n’ont pas réussi à ajouter suffisamment de force dans les modèles pour tirer la plaque du Pacifique vers l’ouest et expliquer la courbure.

« Nous avons découvert qu’il y avait une autre idée qui avait existé dans la littérature, mais elle n’attirait pas beaucoup d’attention », a déclaré Gurnis.

Nouveau facteur

Le nouveau facteur pris en compte dans l’étude était une zone de subduction dans l’Extrême-Orient russe, un arc de Kronotsky qui s’est terminé il y a environ 50 millions d’années. Ils ont construit de nouvelles reconstructions tectoniques des plaques avec ces zones de subduction.

Quand ils ont mis les zones dans les modèles, ils ont découvert qu’ils pouvaient faire aller la plaque Pacifique vers le nord. Et lorsque cette subduction s’est terminée, la plaque Pacifique a commencé à se déplacer vers l’ouest, construisant lentement d’autres zones de subduction qui, au fil du temps, ont fourni plus de force pour tirer la plaque Pacifique.

« C’est une nouvelle hypothèse qui est beaucoup plus ferme en termes de physique sur laquelle elle est basée », a conclu Gurnis. « Cela permettra à d’autres scientifiques de voir s’il résistera à un examen plus approfondi et s’il existe d’autres idées qui peuvent être testées sur ses hypothèses. »

Ressources informatiques

Pour l’étude, Gurnis a obtenu l’accès au supercalculateur Stampede2 au TACC via XSEDE financé par la National Science Foundation (NSF). Il a également obtenu l’accès au système Frontera financé par la NSF également au TACC, le supercalculateur le plus puissant du monde universitaire et la première phase du programme NSF « Towards a Leadership Class Computing Facility ».

« XSEDE et Frontera sont absolument vitaux pour notre recherche », a déclaré Gurnis.

« Cette capacité informatique est essentielle », a-t-il ajouté. « Nous lançons des projets avec cette collaboration qui seront beaucoup plus importants que cela, qui nécessiteront même quelque chose au-delà de Frontera pour le calcul. »

Cette recherche fondamentale vise à enquêter sur les mystères de la dynamique de la Terre passée et présente.

« Lorsque vous traitez certains des processus les plus fondamentaux de la Terre, il est important de comprendre correctement comment ils fonctionnent », a déclaré Gurnis.

Nouvelles directions

Il a également souligné l’interaction entre la science du domaine et le travail appliqué avec les informaticiens.

« Les algorithmes que nous avons développés pour le raffinement adaptatif du maillage peuvent être appliqués à de nombreux problèmes purs et appliqués », a ajouté Gurnis. « C’était une énorme percée. »

Dit Gurnis: « Nous avons maintenant des algorithmes qui pourraient nous faire avancer dans de nouvelles directions. Je ne pensais pas au problème des monts sous-marins Hawaiian-Emperor lorsque nous avons commencé ce projet. Mais ensuite, de nouvelles idées et capacités sont apparues. Soudain, de nouvelles questions scientifiques pourraient émerger. . L’utilisation de superordinateurs nous permet essentiellement de découvrir et de découvrir le phénomène de base qui régit certains des processus les plus importants qui façonnent la terre. »