Penerangan resolusi tinggi dari interior bumi hingga ke inti planet

Gempa bumi lebih dari sekadar membuat jalan kusut dan meruntuhkan bangunan. Gelombang seismik dari gempa bumi melewati Bumi, bertindak seperti mesin MRI raksasa dan memberikan petunjuk tentang apa yang ada di dalam planet ini.

Seismolog telah mengembangkan metode untuk mengambil sinyal gelombang dari jaringan seismometer di permukaan bumi dan mencerminkan sifat dan karakteristik media yang dilaluinya, sebuah proses yang dikenal sebagai tomografi seismik.

selama beberapa dekade, tomografi seismik Itu didasarkan pada teori sinar, dan gelombang seismik diperlakukan seperti sinar cahaya. Ini adalah perkiraan yang sangat baik dan menyebabkan penemuan besar tentang interior bumi. Tetapi untuk meningkatkan akurasi model tomografi seismik saat ini, ahli seismologi perlu mempertimbangkan kompleksitas penuh dari perambatan gelombang menggunakan simulasi numerik, yang dikenal sebagai inversi gelombang penuh, kata Ebru Bozdag, profesor di Departemen Geofisika di Kolese Pertambangan Colorado. .

“Kami berada pada titik di mana kami perlu menghindari perkiraan dan koreksi dalam teknik pencitraan kami untuk membangun model ini dari dasar,” katanya.

Bozdag adalah penulis utama refleksi gelombang penuh pertama Model, GLAD-M15 pada tahun 2016, berdasarkan simulasi gelombang 3D penuh dan sensitivitas data 3D dalam skala global. Model 3D SPECFEM3D_GLOBE open source digunakan untuk memecahkan perambatan gelombang global dan dibuat bekerja sama dengan para peneliti dari Universitas Princeton, Universitas Marseille, Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah (KAUST) dan Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL). Pekerjaan dipuji di pers. Penggantinya, GLAD-M25 (Lei et al. 2020), muncul pada tahun 2020 dan menunjukkan fitur yang menonjol seperti zona subduksi, bulu mantel, dan titik panas untuk diskusi lebih lanjut tentang dinamika mantel.

“Kami mendemonstrasikan kelayakan menggunakan simulasi gelombang 3D penuh dan sensitivitas data untuk standar seismik di tingkat global dalam makalah kami tahun 2016 dan 2020. Sekarang, saatnya menggunakan standar yang lebih baik untuk menggambarkan fisika interior Bumi dalam masalah kebalikannya,” dia berkata.

Pada pertemuan musim gugur American Geophysical Union pada bulan Desember 2021, Bozdag, peneliti postdoctoral Ridvan rsvuran, Ph.D. Mahasiswa Armando Espindola Carmona, komputasi seismolog Daniel Peter dari KAUST, dan kolaborator mempresentasikan hasil upaya mereka untuk melakukan model redaman refleksi gelombang global penuh—ukuran kehilangan energi selama perambatan gelombang seismik di dalam Bumi—dan anisotropi azimut—termasuk cara kecepatan gelombang bervariasi Sebagai fungsi dari arah propagasi azimut serta varians radial yang diperhitungkan dalam model GLAD generasi pertama.

Mereka menggunakan data dari 300 gempa bumi untuk membangun model refleksi gelombang penuh global baru. “Kami memperbarui model Bumi ini sehingga variasi dari data pengamatan dan simulasi sering berkurang,” katanya. “Dan kami berusaha memahami bagaimana model kami bertukar, elastis dan tidak elastis, satu sama lain, yang merupakan tugas yang sulit.”

Penelitian ini didukung oleh CAREER Award dari National Science Foundation (NSF), yang diaktifkan oleh superkomputer Frontera di Center for Advanced Computing di Texas – tercepat di antara universitas mana pun dan tercepat ke-13 di dunia – serta sistem Marconi100 di Cineca, pusat komputasi terbesar Italia.

“Dengan mengakses Frontera, data yang tersedia untuk umum dari seluruh dunia, dan kekuatan alat pemodelan kami, kami mulai mendekati akurasi tingkat benua dalam model refleksi gelombang penuh global,” katanya.

Bozdag berharap dapat memberikan batasan yang lebih baik tentang asal mula bulu mantel dan kandungan air di mantel atas. Selanjutnya, “untuk secara akurat menentukan lokasi gempa dan sumber gempa lainnya, mengidentifikasi mekanisme gempa dan menghubungkannya dengan lebih baik dengan lempeng tektonik, Anda perlu memiliki model kerak dan mantel beresolusi tinggi,” katanya.

Dari kedalaman lautan hingga luar angkasa

Karya Bozdag tidak sebatas lahan saja. Dia juga berbagi pengalamannya dalam simulasi numerik Dengan misi InSight NASA sebagai bagian dari tim sains untuk merancang interior Mars.

Detail awal kerak Mars dibatasi oleh data seismik Untuk pertama kalinya diterbitkan di untuk mengetahui September 2021. Bozdag, bersama dengan tim InSight, terus menganalisis data rawa dan menyelesaikan detail interior planet dari kerak hingga inti dengan bantuan simulasi gelombang 3D yang dilakukan di Frontera.

Pekerjaan Mars mempertimbangkan kurangnya data di beberapa bagian Bumi, khususnya di bawah lautan. “Kami sekarang memiliki data dari planet lain, tetapi masih sulit untuk mendapatkan gambar beresolusi tinggi di bawah lautan karena kurangnya alat,” kata Bozdag.

Untuk mengatasi hal ini, ia mengintegrasikan data dari instrumen yang muncul ke dalam modelnya sebagai bagian dari penghargaan NSF CAREER, seperti yang berasal dari robot akustik terapung yang dikenal sebagai MERMAID (Perekaman Seismik Portabel Kelautan oleh Penyelam Otonom). Kapal selam otonom ini dapat menangkap aktivitas seismik di dalam lautan dan naik ke permukaan untuk mengomunikasikan data tersebut kepada para ilmuwan.

Akses komunitas seismik

Pada September 2021, Bozdag adalah bagian dari tim pemenang penghargaan NSF senilai $3,2 juta untuk membuat platform komputasi bagi komunitas seismologi, yang dikenal sebagai SCOPED (Platform Seismik untuk Deteksi Penguatan), bekerja sama dengan Carl Tape (University of Alaska-Fairbanks), Marine Dinnell (University of Washington) ), Felix Waldhauser (Columbia University), dan Ian Wang (TACC).

“Proyek SCOPED akan menciptakan platform komputasi, didukung oleh Frontera, yang menyediakan data, komputasi, dan layanan kepada komunitas seismologi untuk memajukan pendidikan, inovasi, dan penemuan,” kata Wang, rekan peneliti proyek dan penyelidik utama di proyek. . “TACC akan fokus pada pengembangan infrastruktur elektronik penting yang melayani komputasi dan penelitian berbasis data, termasuk pencitraan seismik, pemodelan gelombang, seismologi kebisingan sekitar, dan pemantauan seismik presisi.”

Proyek berorientasi komunitas lainnya dari grup Bozdag adalah Ph.D. Mahasiswa Caio Ciardelli baru-baru ini meluncurkan SphGLLTools: toolkit visualisasi untuk file model seismik besar. Berbasis toolkit memudahkan untuk merencanakan dan berbagi model CT global dengan komunitas. Deskripsi alat tim di Komputer dan ilmu bumi Pada Februari 2022.

“Kami menyediakan rangkaian lengkap alat komputasi untuk memvisualisasikan model global tambahan kami,” kata Bozdag. “Siapa pun dapat mengambil model kami berdasarkan simulasi HPC dan mengubahnya menjadi format untuk memungkinkan visualisasi mereka di PC dan menggunakan laptop kolaboratif untuk memahami setiap langkah.”

Robin Reichlin, Direktur Program Geofisika di NSF mengatakan, “Dengan model gelombang penuh yang baru dan lebih baik; alat untuk mengurangi akses dan analisis data komunitas; dan platform bertenaga superkomputer untuk memungkinkan seismolog menemukan misteri Bumi dan kedalaman lainnya. planet bagian dalam, Bozdag mendorong lapangan ke wilayah yang lebih akurat dan terbuka.