МРТ планетарного масштаба: просвечивание недр Земли вплоть до ядра планеты

Землетрясения - это не просто смятие улиц и опрокидывание зданий. Сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, проходят сквозь Землю, действуя как гигантский аппарат МРТ и давая подсказки о том, что находится внутри планеты.

Сейсмологи разработали методы получения волновых сигналов от сетей сейсмометров на поверхности Земли и обратного проектирования особенностей и характеристик среды, через которую они проходят, процесс, известный как сейсмическая томография.

В течение десятилетий сейсмическая томография основывалась на теории лучей, и сейсмические волны рассматривались как световые лучи. Это было довольно хорошим приближением и привело к крупным открытиям о недрах Земли. Но чтобы улучшить разрешение современных сейсмических томографических моделей, сейсмологам необходимо учесть всю сложность распространения волн с помощью численного моделирования, известного как инверсия полной формы волны, говорит Эбру Боздаг, доцент кафедры геофизики в Колорадской школе горного дела.

"Мы находимся на том этапе, когда нам необходимо избежать приближений и поправок в наших методах визуализации для построения этих моделей земных недр", - сказала она.

Боздаг была ведущим автором первой модели инверсии полной формы волн, GLAD-M15 в 2016 году, основанной на полном 3D моделировании волн и чувствительности 3D данных в глобальном масштабе. В модели использовался решатель распространения глобальных 3D-волн с открытым исходным кодом SPECFEM3D_GLOBE, и она была создана в сотрудничестве с исследователями из Принстонского университета, Марсельского университета, Университета науки и технологии имени короля Абдаллы (KAUST) и Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL). Эта работа получила высокую оценку в прессе. Его преемник, GLAD-M25 (Lei et al. 2020), вышел в 2020 году и позволил увидеть такие важные особенности, как зоны субдукции, мантийные плюмы и горячие точки для дальнейшего обсуждения динамики мантии.

"Мы показали возможность использования полного трехмерного волнового моделирования и чувствительность данных к сейсмическим параметрам в глобальном масштабе в наших работах 2016 и 2020 годов. Теперь пришло время использовать лучшую параметризацию для описания физики недр Земли в обратной задаче", - сказала она.

На осенней встрече Американского геофизического союза в декабре 2021 года Боздаг, постдокторский исследователь Ридван Орсвуран, доктор философии Армандо Эспиндола-Карм. Студент Армандо Эспиндола-Кармона и вычислительный сейсмолог Дэниел Питер из KAUST, а также их коллеги представили результаты своих усилий по проведению глобальной инверсии полной формы волны для моделирования затухания - меры потери энергии при распространении сейсмических волн внутри Земли - и азимутальной анизотропии - включая то, как скорость волн меняется в зависимости от направления распространения в азимутальном направлении в дополнение к радиальной анизотропии, учитываемой в моделях GLAD первого поколения.

Они использовали данные 300 землетрясений для построения новых глобальных моделей полной инверсии волн. "Мы обновляем эти модели Земли таким образом, чтобы итеративно минимизировать разницу между данными наблюдений и смоделированными данными", - сказала она. "И мы стремимся понять, как параметры нашей модели, упругие и неупругие, сочетаются друг с другом, что является сложной задачей".

Исследование поддерживается премией CAREER Национального научного фонда (NSF) и проводится с помощью суперкомпьютера Frontera в Техасском центре перспективных вычислений - самого быстрого среди всех университетов и 13-го по скорости в мире - а также системы Marconi100 в Cineca, крупнейшем итальянском вычислительном центре.

"Благодаря доступу к Frontera, общедоступным данным со всего мира и мощности наших инструментов моделирования мы начали приближаться к разрешению континентального масштаба в наших глобальных моделях полной инверсии волн", - сказала она.

Боздаг надеется получить более точные данные о происхождении мантийных плюмов и содержании воды в верхней мантии. Кроме того, "для точного определения местоположения землетрясений и других сейсмических источников, определения механизмов землетрясений и более точной корреляции их с тектоникой плит необходимо иметь модели коры и мантии с высоким разрешением", - сказала она.

От самых глубоких океанов до космоса

Марсотрясение - событие Cerberus Fossae (Mw 3.1). Визуализация показывает скорость сейсмических волн (вертикальная составляющая). Исследователи использовали программу Frontera для моделирования этого события в сотрудничестве с миссией NASA InSight. Кредит: Дэниел Питер, KAUST

Работа Боздаг актуальна не только на Земле. Она также делится своим опытом численного моделирования с миссией НАСА InSight в составе научной группы по моделированию внутреннего пространства Марса.

Предварительные данные о марсианской коре, впервые ограниченные сейсмическими данными, были опубликованы в журнале Science в сентябре 2021 года. Боздаг вместе с командой InSight продолжает анализировать данные марсотрясений и выяснять детали интерьера планеты от коры до ядра с помощью трехмерного волнового моделирования, выполненного на Frontera.

Работа на Марсе показала в перспективе нехватку данных в некоторых частях Земли, в частности, под океанами. "Сейчас у нас есть данные с других планет, но получить изображения высокого разрешения под океанами по-прежнему сложно из-за отсутствия приборов", - говорит Боздаг.

Чтобы решить эту проблему, она работает над интеграцией в свои модели данных от новых инструментов в рамках своей премии NSF CAREER, например, данных от плавучих акустических роботов, известных как MERMAIDs (Mobile Earthquake Recording in Marine Areas by Independent Divers). Эти автономные подводные лодки могут фиксировать сейсмическую активность в океане и подниматься на поверхность, чтобы передать эти данные ученым.

Доступ сейсмического сообщества

В сентябре 2021 года Боздаг был частью команды, получившей награду NSF в размере 3,2 миллиона долларов на создание вычислительной платформы для сообщества сейсмологов, известной как SCOPED (Seismic COmputational Platform for Empowering Discovery), в сотрудничестве с Карлом Тейпом (Университет Аляски-Фэрбенкс), Марин Денолле (Университет Вашингтона), Феликсом Вальдхаузером (Колумбийский университет) и Яном Вангом (TACC).

"В рамках проекта SCOPED будет создана вычислительная платформа, поддерживаемая Frontera, которая будет предоставлять данные, вычисления и услуги сейсмологическому сообществу для развития образования, инноваций и открытий", - сказал Ванг, научный сотрудник TACC и со-главный исследователь проекта. "TACC сосредоточится на развитии основной киберинфраструктуры, которая будет обслуживать как вычислительные исследования, так и исследования, требующие больших объемов данных, включая сейсмическую визуализацию, моделирование формы волны, сейсмологию окружающего шума и точный сейсмический мониторинг".

Еще одним проектом группы Боздага, ориентированным на сообщество, является недавно выпущенный аспирантом Кайо Чиарделли проект SphGLLTools: набор инструментов визуализации для больших файлов сейсмических моделей. Основанный на этом инструментарии пакет облегчает построение графиков и обмен глобальными томографическими моделями с точкой привязки с сообществом. Команда описала инструментарий в журнале Computers & Geosciences в феврале 2022 года.

"Мы предоставляем полный набор вычислительных инструментов для визуализации наших глобальных аджойнт-моделей", - сказал Боздаг. "Кто-то может взять наши модели, основанные на высокопроизводительном моделировании, и преобразовать их в формат, позволяющий визуализировать их на персональных компьютерах и использовать блокноты для совместной работы, чтобы понять каждый шаг".

Робин Райхлин, директор программы геофизики NSF, говорит, что "с новыми, улучшенными моделями полных волн; инструментами, снижающими планку доступа и анализа данных для сообщества; и платформой на базе суперкомпьютеров, позволяющей сейсмологам открыть тайны глубинных недр Земли и других планет, Боздаг продвигает эту область на более точную и открытую территорию".