Använda seismiska data och superdatorer, Rice University geofysiker har genomfört en massiv seismisk datortomografi av den övre manteln under den tibetanska platån och kommit fram till att den södra halvan av "Världens tak" bildades på mindre än en fjärdedel av tiden sedan början av Indien-Eurasien kontinentala kollision.

Forskningen, som visas online denna vecka i tidskriften Naturkommunikation , finner att den höga höjden av södra Tibet till stor del uppnåddes inom 10 miljoner år. Kontinental Indiens tektoniska kollision med Asien började för cirka 45 miljoner år sedan.

"De egenskaper som vi ser i vår tomografiska bild skiljer sig mycket från vad som har setts innan med traditionella seismiska inversionstekniker, sa Min Chen, risforskaren som ledde projektet. "Eftersom vi använde full vågformsinversion för att assimilera en stor seismisk datamängd, vi kunde tydligare se hur övermantellitosfären under södra Tibet skiljer sig från den omgivande regionen. Vår seismiska bild tyder på att den tibetanska litosfären tjocknade och bildade en tätare rot som bröt sig loss och sjönk djupare in i manteln. Vi drar slutsatsen att det mesta av höjningen över södra Tibet troligen inträffade när denna litosfäriska rot bröt sig loss."

Forskningen kan hjälpa till att svara på långvariga frågor om Tibets bildande. Känd som "Världens tak, " den tibetanska platån står mer än tre mil över havet. Grundhistorien bakom dess skapelse - den tektoniska kollisionen mellan de indiska och eurasiska kontinenterna - är välkänd för skolbarn över hela världen, men de specifika detaljerna har förblivit svårfångade. Till exempel, vad får platån att resa sig och hur påverkar dess höga höjd jordens klimat?

"Den ledande teorin säger att platån steg kontinuerligt när den kontinentala kollisionen mellan Indien och Eurasien började, och att platån upprätthålls av den nordliga rörelsen av den indiska plattan, vilket tvingar platån att förkortas horisontellt och samtidigt röra sig uppåt, " sade studiens medförfattare Fenglin Niu, professor i geovetenskap vid Rice. "Våra resultat stöder ett annat scenario, en snabbare och mer pulserande upphöjning av södra Tibet."

Det tog tre år för Chen och kollegor att färdigställa sin tomografiska modell av skorpan och övermantelstrukturen under Tibet. Modellen är baserad på avläsningar från tusentals seismiska stationer i Kina, Japan och andra länder i Östasien. Seismometrar registrerar ankomsttiden och amplituden för seismiska vågor, pulser av energi som frigörs av jordbävningar och som färdas genom jorden. Ankomsttiden för en seismisk våg vid en viss seismometer beror på vilken typ av sten den har passerat genom. Att arbeta baklänges från instrumentavläsningar för att beräkna faktorerna som producerade dem är något som forskare kallar ett omvänt problem, och seismologiska omvända problem med helvågformer som innehåller alla typer av användbara seismiska vågor är några av de mest komplexa omvända problemen att lösa.

Chen och kollegor använde en teknik som kallas full vågformsinversion, "en iterativ fullvågformsmatchningsteknik som använder en komplicerad numerisk kod som kräver parallell beräkning på superdatorer, " Hon sa.

"Tekniken tillåter oss verkligen att använda alla vickningar på ett stort antal seismografer för att bygga upp en mer realistisk 3D-modell av jordens inre, ungefär på samma sätt som valar eller fladdermöss använder ekolokalisering, " sa hon. "De seismiska stationerna är som djurets öron, men ekot som de hör är en seismisk våg som antingen har sänts genom eller studsat av underjordiska särdrag inuti jorden."

Den tomografiska modellen inkluderar funktioner till ett djup av cirka 500 miles under Tibet och Himalayabergen. Modellen beräknades på Rices DAVinCI-beräkningskluster och på superdatorer vid University of Texas som ingår i National Science Foundations Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

"Mekanismen som ledde till uppkomsten av södra Tibet kallas litosfärisk förtjockning och grundande, ", sa Chen. "Detta hände på grund av konvergens mellan två kontinentalplattor, som var och en är flytande och inte lätt att dra under den andra plattan. En av tallrikarna, i det här fallet på den tibetanska sidan, var mer deformerbar än den andra, och den började deformeras för cirka 45 miljoner år sedan när kollisionen började. Skorpan och det stela locket på den övre manteln - litosfären - deformerades och förtjockades, och den tätare nedre delen av denna förtjockade litosfär grundades så småningom, eller bröts av från resten av litosfären. I dag, i vår modell, vi kan se en T-formad sektion av denna grundade litosfär som sträcker sig från ett djup av cirka 250 kilometer till minst 660 kilometer."

Chen sa att efter att den tätare litosfäriska roten bröt bort, den återstående litosfären under södra Tibet upplevde en snabb höjning som svar.

"Den T-formade biten av grundad litosfär sjönk djupare in i manteln och inducerade även het uppsvällning av astenosfären, som leder till ytmagmatism i södra Tibet, " Hon sa.

Sådan magmatism finns dokumenterad i klippregistret för regionen, som började för cirka 30 miljoner år sedan i en epok som kallas Oligocen.

"Den rumsliga korrelationen mellan vår tomografiska modell och oligocen magmatism tyder på att den södra tibetanska upphöjningen ägde rum under ett relativt kort geologiskt spann som kunde ha varit så kort som 5 miljoner år, " sa Chen.