Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har skapat en ny angränsande vågformstomografimodell som mer exakt simulerar jordbävnings- och explosionsrörelser på marken. Uppsatsen, publicerad i Journal of Geophysical Research:Solid Earth , valdes ut för en Editor's Highlight.

Seismisk tomografi är en metod för att uppskatta jordens otillgängliga tredimensionella (3D) seismiska materialegenskaper, särskilt hastigheterna för kompressions- och skjuvvågsrelaterade sammansättning och temperaturvariationer. Den tillhandahåller bilder av 3D-strukturer som relaterar till plattektoniska processer samt modeller för att bättre representera seismisk vågutbredning genom jordens komplexa struktur.

Till skillnad från typiska seismiska tomografimodeller använder denna modell helt tredimensionella vågutbredningssimuleringar för att beräkna känsligheten hos observerade seismogram för jordens struktur, vilket möjliggör mer exakta simuleringar och bättre uppskattningar av seismiska källegenskaper.

I den nya forskningen skapade forskare en ny modell av den 3D-seismiska strukturen för de övre 400 km av jorden i västra USA med hjälp av adjoint waveform tomography (AWT). Modellen produceras av en beräkningsintensiv vågformsinversionsprocess som uppdaterar sub-surface-modellen för att förbättra matchningen med observerade seismogram. För att triangulera funktioner i modellen är AWT också dataintensiv, vilket kräver många seismogram som korsar målområdet.

Teamet, bestående av forskare från LLNL:s Geophysical Monitoring Program (GMP) och forskare från Mondaic, ett litet inkubatorföretag från Swiss Federal Institute of Technology - använde mer än 60 000 HPC-simuleringar på LLNL:s Lassen superdator för att köra 256 modelliterationer för 72 jordbävningar för att passa nästan 100 000 seismogram.

"Medan det finns andra modeller i västra USA, är denna modell unik genom att den är baserad på många fler inversionsiterationer än tidigare modeller och ger mycket bättre passningar till inspelade seismogram", säger LLNL-forskaren Artie Rodgers, huvudförfattare till tidningen. "Det kan också ge mer exakta uppskattningar av seismiska källegenskaper genom att ta bort distorsion på grund av okänd 3D-jordstruktur i tidigare modeller."

Forskare fann att seismisk struktur består av 3D-variationer i kompressions- och skjuvseismiska våghastigheter och densitet, och horisontellt och vertikalt polariserade vågor har olika hastigheter.

Medan många studier av seismisk tomografi fokuserar på avbildning av struktur under ytan, var den primära motivationen i det nya arbetet utvecklingen av en 3D-modell för förbättrade vågformsanpassningar i perioder på 20 till 120 sekunder efter en jordrörelse.

"Vi producerade en mer detaljerad 3D-struktur av jordskorpan och den övre manteln i syfte att förbättra prediktiva möjligheter för 3D-vågformssimuleringar för applikationer som källkarakterisering och/eller jordbävningssimuleringar under långa perioder," sa Rodgers. "Vågformspassningar är anmärkningsvärt bättre med vår slutliga modell jämfört med tidigare modeller i samma region."

Metoder för övervakning av kärnexplosion kan dra nytta av 3D-modeller som exakt kan simulera kortperiodiska vågformer (20 s), som påverkas starkt av jordskorpan och den övre mantelstrukturen. På samma sätt kräver jordbävningsrisk- och riskstudier simuleringar av mycket kortare periodvågformer (mindre än 5–10 s) än vad som finns i den nya modellen. Rodgers sa dock att den storskaliga strukturen först måste passa data för längre period innan man borrar ner till de kortare periodvågorna. Arbete för att lösa en finare struktur pågår.

Denna nya metod gör det möjligt för LLNL att utnyttja mer seismisk vågformsinformation för att stödja nationell och internationell övervakning av kärnvapenprov. UC Berkeleys doktorand Claire Doody och LLNL-forskarna Andrea Chiang och Nathan Simmons bidrog också till forskningen. + Utforska vidare

MRI i planetskala:Högupplöst belysning av jordens inre ned till planetens kärna