Illumination haute résolution de l’intérieur de la Terre jusqu’au noyau de la planète

Les tremblements de terre font plus que boucler les rues et renverser les bâtiments. Les ondes sismiques générées par les tremblements de terre traversent la Terre, agissant comme une machine IRM géante et fournissant des indices sur ce qui se trouve à l’intérieur de la planète.

Les sismologues ont développé des méthodes pour prendre les signaux d’ondes des réseaux de sismomètres à la surface de la Terre et inverser les caractéristiques et les caractéristiques du milieu qu’ils traversent, un processus connu sous le nom de tomographie sismique.

Pendant des décennies, la tomographie sismique était basée sur la théorie des rayons et les ondes sismiques étaient traitées comme des rayons lumineux. Cela a servi d’assez bonne approximation et a conduit à des découvertes majeures sur l’intérieur de la Terre. Mais pour améliorer la résolution des modèles tomographiques sismiques actuels, les sismologues doivent prendre en compte toute la complexité de la propagation des ondes à l’aide de simulations numériques, connues sous le nom d’inversion de forme d’onde complète, explique Ebru Bozdag, professeur adjoint au département de géophysique de la Colorado School of Mines. .

« Nous sommes à un stade où nous devons éviter les approximations et les corrections dans nos techniques d’imagerie pour construire ces modèles de l’intérieur de la Terre », a-t-elle déclaré.

Bozdag était l’auteur principal du premier modèle d’inversion de forme d’onde complète, GLAD-M15 en 2016, basé sur des simulations d’ondes 3D complètes et des sensibilités de données 3D à l’échelle mondiale. Le modèle a utilisé le solveur de propagation d’ondes global 3D open-source SPECFEM3D_GLOBE et a été créé en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Princeton, de l’Université de Marseille, de l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) et du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL). Le travail a été salué dans la presse. Son successeur, GLAD-M25 (Lei et al. 2020), est sorti en 2020 et a mis en évidence des caractéristiques importantes telles que les zones de subduction, les panaches du manteau et les points chauds pour des discussions plus approfondies sur la dynamique du manteau.

« Nous avons montré la faisabilité d’utiliser des simulations d’ondes 3D complètes et des sensibilités des données aux paramètres sismiques à l’échelle mondiale dans nos articles de 2016 et 2020. Il est maintenant temps d’utiliser une meilleure paramétrisation pour décrire la physique de l’intérieur de la Terre dans le problème inverse. » dit-elle.

Lors de la réunion d’automne de l’American Geophysical Union en décembre 2021, Bozdag, chercheur post-doctoral Ridvan Örsvuran, Ph.D. l’étudiant Armando Espindola-Carmona et le sismologue informatique Daniel Peter de KAUST, et leurs collaborateurs ont présenté les résultats de leurs efforts pour effectuer une inversion globale de forme d’onde complète pour modéliser l’atténuation – une mesure de la perte d’énergie lorsque les ondes sismiques se propagent dans la Terre – et l’anisotropie azimutale – y compris la façon dont les vitesses des ondes varient en fonction de la direction de propagation en azimut en plus de l’anisotropie radiale prise en compte dans les modèles GLAD de première génération.

Ils ont utilisé les données de 300 tremblements de terre pour construire les nouveaux modèles mondiaux d’inversion pleine onde. « Nous mettons à jour ces modèles de la Terre de manière à ce que la différence entre les observations et les données simulées soit minimisée de manière itérative », a-t-elle déclaré. « Et nous cherchons à comprendre comment nos paramètres de modèle, élastiques et anélastiques, s’échangent les uns avec les autres, ce qui est une tâche difficile. »

La recherche est soutenue par un prix CAREER de la National Science Foundation (NSF) et rendue possible par le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center, le plus rapide de toutes les universités et le 13e plus rapide au monde, ainsi que le système Marconi100 de Cineca. , le plus grand centre informatique italien.

« Grâce à l’accès à Frontera, aux données accessibles au public du monde entier et à la puissance de nos outils de modélisation, nous avons commencé à approcher la résolution à l’échelle continentale dans nos modèles mondiaux d’inversion pleine onde », a-t-elle déclaré.

Bozdag espère fournir de meilleures contraintes sur l’origine des panaches du manteau et la teneur en eau du manteau supérieur. De plus, « pour localiser avec précision les tremblements de terre et autres sources sismiques, déterminer les mécanismes sismiques et mieux les corréler à la tectonique des plaques, vous devez disposer de modèles de croûte et de manteau à haute résolution », a-t-elle déclaré.

Des océans les plus profonds à l’espace extra-atmosphérique

Le travail de Bozdag n’est pas seulement pertinent sur Terre. Elle partage également son expertise en simulation numérique avec la mission InSight de la NASA au sein de l’équipe scientifique chargée de modéliser l’intérieur de Mars.

Les détails préliminaires de la croûte martienne, contraints pour la première fois par des données sismiques, ont été publiés dans La science en septembre 2021. Bozdag, en collaboration avec l’équipe InSight, continue d’analyser les données du tremblement de terre et de résoudre les détails de l’intérieur de la planète de la croûte au noyau à l’aide de simulations d’ondes 3D effectuées sur Frontera.

Les travaux de Mars ont mis en perspective le manque de données dans certaines parties de la Terre, en particulier sous les océans. « Nous avons maintenant des données d’autres planètes, mais il est toujours difficile d’avoir des images haute résolution sous les océans en raison du manque d’instruments », a déclaré Bozdag.

Pour y remédier, elle travaille sur l’intégration de données d’instruments émergents dans ses modèles dans le cadre de son prix NSF CAREER, comme ceux de robots acoustiques flottants connus sous le nom de MERMAIDs (Mobile Earthquake Recording in Marine Areas by Independent Divers). Ces sous-marins autonomes peuvent capturer l’activité sismique dans l’océan et remonter à la surface pour fournir ces données aux scientifiques.

Accès à la communauté sismique

En septembre 2021, Bozdag faisait partie d’une équipe récompensée par un prix NSF de 3,2 millions de dollars pour créer une plate-forme informatique pour la communauté de la sismologie, connue sous le nom de SCOPED (Seismic COmputational Platform for Empowering Discovery), en collaboration avec Carl Tape (Université d’Alaska-Fairbanks) , Marine Denolle (Université de Washington), Felix Waldhauser (Université Columbia) et Ian Wang (TACC).

« Le projet SCOPED établira une plate-forme informatique, soutenue par Frontera, qui fournira des données, des calculs et des services à la communauté sismologique pour promouvoir l’éducation, l’innovation et la découverte », a déclaré Wang, associé de recherche TACC et co-chercheur principal du projet. . « TACC se concentrera sur le développement de la cyberinfrastructure de base qui sert à la fois la recherche intensive en calcul et en données, y compris l’imagerie sismique, la modélisation des formes d’onde, la sismologie du bruit ambiant et la surveillance sismique de précision. »

Un autre projet communautaire du groupe de Bozdag est le doctorat. SphGLLTools de l’étudiant Caio Ciardelli a récemment publié : une boîte à outils de visualisation pour les fichiers de modèles sismiques volumineux. La boîte à outils basée facilite le traçage et le partage de modèles de tomographie adjoints globaux avec la communauté. L’équipe a décrit la boîte à outils dans Informatique & Géosciences en février 2022.

« Nous fournissons un ensemble complet d’outils de calcul pour visualiser nos modèles adjoints globaux », a déclaré Bozdag. « Quelqu’un peut prendre nos modèles basés sur des simulations HPC et les convertir dans un format permettant de les visualiser sur des ordinateurs personnels et d’utiliser des cahiers collaboratifs pour comprendre chaque étape. »

Robin Reichlin, directeur du programme de géophysique à la NSF, a déclaré qu’« avec de nouveaux modèles de forme d’onde complets améliorés ; des outils pour abaisser la barre de l’accès et de l’analyse des données communautaires ; et une plate-forme alimentée par des supercalculateurs pour permettre aux sismologues de découvrir les mystères de la Terre et d’autres profondeurs intérieures planétaires, Bozdag pousse le champ vers un territoire plus précis et plus ouvert. »