Hawaiis vulkaner står som tysta vaktposter. De bevakar hemligheten om hur de bildades, tusentals mil bort från där kanterna på tektoniska plattor kolliderar och genererar magma för de flesta vulkaner. A 2017 Natur studie av Jones et al. hittade de bästa ledtrådarna hittills om ursprunget till Hawaiis vulkaner genom simulering av ett skifte i Stillahavsplattan för tre miljoner år sedan. Det som fortfarande är svårfångat är avgörande bevis för att mantelplymer existerar.

Plymer är hypoteser, svampformade uppvallningar av het berg från den djupa jorden. De antas bildas inom det termiska gränsskiktet vid basen av manteln och tros bära värme från jordens kärna som genererar en vulkans magma. Forskare har nu gjort den bästa beräkningsmodelleringen hittills av mantelplymer, enligt en studie som gjordes tillgänglig online i januari 2018 före dess referentgranskning och publicering i november 2017 i American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research, Fast jord .

Det internationella vetenskapsteamet visade genom superdatorsimuleringar, för första gången, detaljer om hur plymer bromsar seismiska vågor och hur plymer uppträder i seismiska tomografiska bilder av jordens mantel, lagret under skorpan. Vad mer, forskarna säger att deras arbete skulle kunna hjälpa till att vägleda framtida experiment på havsbotten med djup jordavbildning och hjälpa till att komma till botten med mysterier som ursprunget till Hawaiis vulkaner.

"Vi fann att mantelplymer sannolikt kommer att vara mer utmanande att seismiskt avbilda än vi tidigare känt igen, " sade studiens huvudförfattare Ross Maguire, tidigare doktorand som nyligen tagit examen från institutionen för geo- och miljövetenskaper vid University of Michigan. "Vår nuvarande bild av djupa mantelplymer kanske saknas, Maguire sa, pekar på en brist på seismisk datatäckning.

Seismisk avbildning kan se stenstrukturer tusentals kilometer under marken genom att lyssna på ekon från jordbävningar. Nätverk av seismiska stationer sitter på havsbotten och mäter skillnader i färdtiden för seismiska vågor genom berg, i huvudsak ta en datortomografi av den djupa jorden.

"För att begränsa rollen av mantelplymer i jordens dynamik såväl som för att förstå orsakerna till hot spot vulkanism, vi måste fokusera på att öka den globala täckningen av seismiska sensorer, särskilt i haven, som för närvarande bara har sparsam täckning, ", sa Maguire. Oceaniska utbyggnader av seismiska sensorer är kostsamma och svåra att planera och utföra, han lade till.

"I vår studie, vi använde datormodellering för att hitta optimala bildscenarier, så att vi kan återställa de mest detaljerade mantelplymer till lägsta kostnad, ", sa Maguire. "Vi hoppas att våra resultat kommer att hjälpa till att styra utformningen av framtida seismiska utbyggnader som syftar till att avbilda manteln under hotspots."

"Det som förmodligen är nytt i det här arbetet är att vi kombinerar, kanske för första gången, faktiska numeriska modeller av hur plymer bildas och hur de stiger i jorden med uppskattningar av deras seismiska struktur, säger studiens medförfattare Jeroen Ritsema, professor vid institutionen för geo- och miljövetenskaper vid University of Michigan.

"För det andra, " han lade till, "Vi har också undersökt hur olika nätverkskonfigurationer kan förändra hur vi avbildar plymer. Vi har gjort omfattande tester för att ta reda på de optimala konfigurationerna av seismometrar på jorden för att se plymer. Detta är särskilt viktigt för Hawaii, ", sade Ritsema. "Hawaii är en plats där vi tror att det finns en plym som är ansvarig för vulkanismen på Hawaiiöarna. Vi har bestämt vad som kan vara optimala offshore-utbyggnader på havsbotten som kan leda till bästa bilder av den djupa manteln under Hawaii."

"Det är en stor beräkningsutmaning att simulera vågutbredning genom mantelplymer, ", sa Maguire. De behövde numeriska koder som löser den elastiska vågekvationen i jordens mantel vid höga frekvenser och i tre dimensioner. "Vad det gör är att det tillåter oss att exakt redogöra för effekterna av vågutbredningsfenomen som vågdiffraktion runt plymens svansar. , vilket är mycket viktigt för att avbilda plymer, sa Maguire.

XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, finansierat av National Science Foundation, tillhandahållit beräkningsresurser till vetenskapsteamet genom tillgång till superdatorer och experter på hur man använder dem bäst. "Vi skulle inte kunna utföra den här typen av arbete utan superdatorresurser som de som tillhandahålls av XSEDE, Maguire sa. "De tillät oss att köra våra vågutbredningssimuleringar på hundratals eller ibland tusentals datorkärnor parallellt."

Forskarteamet tacklade de utmaningar som deras modelleringskrav medför och använde ett programvarupaket för seismologi som heter SPECFEM 3D (GLOBE), som är en spektral elementkod utvecklad av Jeroen Tromp från Princeton och hans team som simulerar vågutbredning i jordens inre. De använde superdatorn Stampede1 från Texas Advanced Computing Center genom en XSEDE-tilldelning som körde över 1,2 miljoner kärntimmar på Stampede1 och fortsätter med Stampede2-systemet. "Vi körde den koden mest på Stampede1, och det var faktiskt ganska lätt att få koden konfigurerad på Stampede1, eftersom alla moduler och verktyg vi behövde för att kompilera det var omedelbart tillgängliga, sa Maguire.

Arbetsflödeshanteringen visade sig vara skrämmande, med många simuleringar som producerade hundratals gigabyte data. "XSEDE-teamet var verkligen hjälpsamma med att svara på alla mina frågor om hur jag kan optimera mitt arbetsflöde, till exempel hur jag kan spendera minst tid på att vänta i kön på att mina jobb ska köras; eller hur jag effektivt kan överföra stora mängder från Stampede till min lokala dator, sa Maguire.

Forskarna utnyttjade också XSEDE Campus Champions-programmet, campus IT-fakultet och personal som utbildas av och upprätthåller nära band till XSEDE. "XSEDE Campus Champion Brock Palen från University of Michigan hjälpte oss att svara på frågor om vilken typ av resurser som finns tillgängliga via XSEDE, och hur vi kan få tillgång till dem, sa Maguire.

En annan användbar resurs, sa Maguire, var tillgång till en tilldelning på XSEDE Science Gateways genom Computational Infrastructure for Geodynamik med hjälp av Lorraine Wang. "Science Gateways gjorde det möjligt för oss att testa vår kod och verkligen ta reda på hur beräkningskrävande vårt projekt skulle vara, sa Maguire.

Forskarna använde en beräkningskrävande teknik som kallas syntetisk tomografi, som Maguire förklarade var i huvudsak ett tillförlitlighetstest av hur väl forskare kan lita på riktigheten av bilder av jordens inre. "Vad vi gör är att vi simulerar seismisk vågutbredning genom en digital jordmodell, som i vårt fall innehåller en mantelplym, " sa Maguire. De gör det med virtuella seismogram, som behandlas som faktiska seismiska data för att få en bild av återvunnen plymstruktur. "Det låter oss verkligen testa hur en mantelplym skulle avbildas tomografiskt och hur dess egenskaper antingen skulle bli suddiga eller förvrängda, beroende på bildkonfigurationen, sa Maguire.

"Vår studie fokuserar främst på nedre mantelplymsvansar eftersom det verkligen är en av de enda vägarna framåt när det gäller att lösa debatten om förekomsten av mantelplymer, ", sa Maguire. Detta gäller hotspot-vulkanism, orsakad av en onormalt het mantel borta från plattgränser. Mantelplymer som reser sig från kärngränsen intresserar geoforskare eftersom de spelar en roll i jordens totala värmebudget genom att flytta värme från kärnan till ytan.

"Hela mantelplymer, vilket betyder plymer som stiger från gränsen mellan kärnan och manteln, är också de mest utmanande att avbilda seismiskt eftersom vår upplösning är mycket dålig i den djupa manteln och djupa plymkanaler kommer sannolikt att vara tunna, sa Maguire.

Superdatorer kan äntligen börja komma ikapp med långvariga vetenskapliga frågor och hjälpa till att provocera fram nya frågor. "Jag tror att utmaningen kvarstår i att förstå exakt vad vi letar efter, sade Ritsema. I Maguires verk, vi har definierat en mantelplym som en rent termisk uppströmning i den djupa jorden. I detta speciella fall, plymen är en ganska smal struktur - den har en ganska smal svans, med dess komplikationer vid bildbehandling. Men det har funnits annat arbete av andra grupper som faktiskt har hävdat att plymer kan vara mycket tjockare än vad vi har undersökt i vårt arbete. Själva naturen hos plymer, om plymer är rent termiska eller temperaturdrivna, eller om det också finns en kompositionskomponent i deras bildande, är frågor som nu tas upp inom geofysik, sa Ritsema.

Beräkningskraven för simuleringar i denna studie av vågutbredning begränsade antalet plymstrukturer, som kan vara mer varierande i form, storlek, sammansättning, och temperatur än de uteslutande termiska plymfallen de övervägde.

"Vår studie är också den första som modellerar vågutbredning genom plymer vid frekvenser så höga som en tiondels hertz, ", sa Maguire. "Men vi skulle vilja kunna driva det ännu längre för att gå till högre frekvenser. Och det betyder att det kommer att bli ännu mer av en beräkningsutmaning. När de numeriska verktygen som vi använder blir effektivare, och när fler högpresterande datorkluster blir tillgängliga, det är något som vi kanske kan uppnå i framtiden."

Sa Maguire:"Att förstå jordens dynamik är av grundläggande betydelse, eftersom vi alla bor här och påverkas av vad som händer under våra fötter. Förekomsten av mantelplymer och den roll de spelar på vår planet är fortfarande ett stort frågetecken. Dessutom, plymer har kopplats till några av de största vulkanutbrotten i jordens historia. Och de tros potentiellt spela en roll i de största massutrotningshändelserna som vi har på geologiska rekord. Det är fortfarande mycket vi inte förstår om dem. Att forska i att undersöka naturen hos mantelplymer är av grundläggande betydelse."

Studien, "Utvärdering av upplösningen av djupa mantelplymer i teleseismisk restidstomografi, " publicerades i januari 2018 i American Geophysical Union's Journal of Geophysical Research : Fast jord .