Geoforskare vid University of Texas i Dallas använde nyligen enorma mängder jordbävningsdata och superdatorer för att generera högupplösta, 3D-bilder av de dynamiska geologiska processer som äger rum långt under jordens yta.

I en studie publicerad 29 april i Naturkommunikation , UT Dallas forskarteam beskrev hur det skapade bilder av mantelflöden i en subduktionsregion under Centralamerika och Karibiska havet med hjälp av en beräkningsintensiv teknik som kallas en full vågformsinversion (FWI).

"Detta är den första omfattande seismiska studien för att direkt avbilda 3D-mantelflödesfält i faktiska subduktionsmiljöer med hjälp av avancerad FWI-teknik, " sa Dr Hejun Zhu, motsvarande författare till studien och biträdande professor i geovetenskap vid Institutionen för naturvetenskap och matematik. Dr Jidong Yang, som tog sin Ph.D. i geovetenskap från UT Dallas i maj, och Dr Robert Stern, professor i geovetenskap, är studiens medförfattare.

En dynamisk jord

Mellan det relativt tunna lagret av jordskorpan och dess inre kärna ligger den tjockaste delen av planeten, manteln. Under korta tidsperioder, manteln kan betraktas som fast sten, men på den geologiska tidsskalan av miljoner år, manteln flyter som en viskös vätska.

Jordskorpan bryts i bitar som kallas tektoniska plattor. Dessa plattor rör sig över och in i manteln mycket långsamt - ungefär lika snabbt som naglarna växer. I regioner som kallas subduktionszoner, en platta går ner under en annan i manteln.

"Sjunken av oceaniska plattor i jordens mantel vid subduktionszoner är det som får jordens tektoniska plattor att röra sig och är en av de viktigaste processerna som äger rum på vår planet, " sade Zhu. "Subduktionszoner är också källan till många naturliga faror, som jordbävningar, vulkaner och tsunamier. Men mönstret av mantelflöde och deformation runt fallande plattor är fortfarande dåligt förstått. Den information som våra tekniker ger är avgörande för att förstå vår dynamiska planet."

Dataintensiv forskning

Zhu och hans kollegor tacklade problemet med en geofysisk mätning som kallas seismisk anisotropi, som mäter skillnaden i hur snabbt mekaniska vågor som genereras av jordbävningar färdas i olika riktningar inuti jorden. Seismisk anisotropi kan avslöja hur manteln rör sig runt den subdukterande plattan. Liknande teknik används också av energiindustrin för att lokalisera olje- och gasresurser.

"När en dykare dyker ner i vatten, vattnet separerar, och att separationen i sin tur påverkar hur vattnet rör sig runt simmaren, " sa Zhu. "Det är liknande med oceaniska plattor:När de dyker in i heta manteln, den verkan inducerar mantelseparation och flöde runt plattorna."

Forskargruppen skapade bilderna med hjälp av högtrohetsdata som registrerats under en 10-årsperiod från 180 jordbävningar av cirka 4, 500 seismiska stationer placerade i ett rutnät över hela USA. De numeriska beräkningarna för FWI-algoritmen utfördes på högpresterande datorkluster vid National Science Foundation (NSF)-stödda Texas Advanced Computing Center vid UT Austin, liksom på superdatorer på UT Dallas.

"Tidigare kunde vi inte 'se' under jordens yta, men genom att använda denna teknik och denna mycket underbara datamängd, vi kan avgränsa 3D-fördelningen av olika seismiska fenomen och berätta på vilket djup de uppstår, " sa Zhu.

Borta till bitar

Bilderna bekräftade att plattorna i studieregionen inte är stora, fasta bitar utan är snarare fragmenterade till mindre plattor.

"Detta ser annorlunda ut från lärobokens skildringar av tektoniska plattor som går samman, med en solid bit av oceanisk platta som sjunker ner under en annan solid bit, " sa Zhu. "Vissa forskare har antagit att denna fragmentering inträffar, och vår avbildning och modellering ger bevis som stöder den uppfattningen."

Zhus 3D-modell visar komplexa mantelflödesmönster runt ett antal fallande fragment och i luckorna mellan plattorna. Så tjusig, fragmenterade bitar ses i regioner över hela världen, sa Zhu.

I nordvästra USA, till exempel, Juan de Fuca -plattan är också fragmenterad i två delar där den sjunker under den nordamerikanska plattan i Cascadia subduktionszon, ett område där kraftiga jordbävningar har inträffat genom århundradena.

"Vi vet att de flesta jordbävningar sker i gränsytan mellan en platta och manteln. Om det finns ett gap mellan dessa fragment, vad som kallas ett fönsterområde, du skulle inte förvänta dig jordbävningar där, ", sa Zhu. "Om du tittar på jordbävningsfördelningen längs Cascadia subduktionszon, det finns ett spann där man inte har jordbävningar. Det är förmodligen en region där det finns ett gap i den subducerande oceaniska plattan.

"Mellanamerikagraven som vi studerade har sin egen unika, dynamiska egenskaper. I framtiden, vi planerar att flytta vår uppmärksamhet till andra subduktionszoner, inklusive Kermadec-Tonga-subduktionszonen i regionen för Australiens och Stillahavsplattorna."