I vulcani delle Hawaii stanno come sentinelle silenziose. Custodiscono il segreto di come si sono formati, migliaia di miglia di distanza da dove i bordi delle placche tettoniche si scontrano e generano magma per la maggior parte dei vulcani. Un 2017 Natura studio di Jones et al. trovato i migliori indizi finora sull'origine dei vulcani delle Hawaii attraverso la simulazione di uno spostamento nella placca del Pacifico tre milioni di anni fa. Ciò che rimane inafferrabile è la prova conclusiva che i pennacchi del mantello esistono.

I pennacchi sono ipotizzati, risorgive a forma di fungo di roccia calda dalle profondità della Terra. Si ipotizza che si formino all'interno dello strato limite termico alla base del mantello e che portino calore dal nucleo terrestre che genera il magma di un vulcano. Gli scienziati hanno ora realizzato la migliore modellazione computazionale dei pennacchi del mantello, secondo uno studio reso disponibile online nel gennaio del 2018 prima della sua revisione paritaria e della pubblicazione nel novembre del 2017 nell'American Geophysical Union Giornale di ricerca geofisica, Terra solida .

Il team scientifico internazionale ha mostrato attraverso simulazioni al supercomputer, per la prima volta, dettagli su come i pennacchi decelerano le onde sismiche e come i pennacchi appaiono nelle immagini tomografiche sismiche del mantello terrestre, lo strato sotto la crosta. Cosa c'è di più, i ricercatori affermano che il loro lavoro potrebbe aiutare a guidare futuri esperimenti sul fondo dell'oceano con l'imaging profondo della Terra e aiutare ad andare a fondo di misteri come l'origine dei vulcani delle Hawaii.

"Abbiamo scoperto che è probabile che i pennacchi del mantello siano più difficili da visualizzare sismicamente di quanto precedentemente riconosciuto, ", ha affermato l'autore principale dello studio Ross Maguire, ex studente di dottorato che si è recentemente laureato presso il dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente presso l'Università del Michigan. "La nostra immagine attuale dei pennacchi del mantello profondo potrebbe mancare, "Maguire ha detto, indicando una mancanza di copertura dei dati sismici.

L'imaging sismico può vedere le strutture rocciose a migliaia di chilometri sotto terra ascoltando gli echi dei terremoti. Reti di stazioni sismiche siedono sul fondo dell'oceano e misurano le differenze nel tempo di percorrenza delle onde sismiche attraverso la roccia, in sostanza, facendo una scansione TC della Terra profonda.

"Per vincolare il ruolo dei pennacchi del mantello nelle dinamiche della Terra e per comprendere le cause del vulcanismo degli hot spot, dobbiamo concentrarci sull'aumento della copertura globale dei sensori sismici, soprattutto negli oceani, che attualmente hanno solo una copertura scarsa, " Ha detto Maguire. Le implementazioni oceaniche di sensori sismici sono costose e difficili da pianificare ed eseguire, Ha aggiunto.

"Nel nostro studio, abbiamo utilizzato la modellazione al computer per trovare scenari di imaging ottimali, in modo che possiamo recuperare il più dettaglio dei pennacchi del mantello al minor costo, " Ha detto Maguire. "Speriamo che i nostri risultati aiutino a guidare la progettazione di futuri dispiegamenti sismici volti a visualizzare il mantello sotto i punti caldi".

"La cosa che probabilmente è nuova in questo lavoro è che combiniamo, forse per la prima volta, modelli numerici reali di come si formano i pennacchi e come si alzano nella Terra con stime della loro struttura sismica ", ha affermato il coautore dello studio Jeroen Ritsema, professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente dell'Università del Michigan.

"In secondo luogo, " Ha aggiunto, "Abbiamo anche esplorato come varie configurazioni di rete potrebbero cambiare il modo in cui immaginiamo i pennacchi. Abbiamo fatto test approfonditi per capire le configurazioni ottimali dei sismometri sulla Terra per vedere i pennacchi. Questo è particolarmente importante per le Hawaii, Ritsema ha detto. "Hawaii è un luogo dove crediamo che ci sia un pennacchio responsabile del vulcanismo sulle isole hawaiane. Abbiamo determinato quali potrebbero essere le distribuzioni offshore ottimali sul fondo del mare che potrebbero portare alle migliori immagini del mantello profondo sotto le Hawaii".

"È una grande sfida computazionale simulare la propagazione delle onde attraverso i pennacchi del mantello, " Ha detto Maguire. Avevano bisogno di codici numerici che risolvessero l'equazione delle onde elastiche nel mantello terrestre alle alte frequenze e in tre dimensioni. "Ciò che fa è che ci permette di spiegare con precisione gli effetti dei fenomeni di propagazione delle onde come la diffrazione delle onde attorno alle code dei pennacchi. , che è molto importante per l'imaging dei pennacchi, " disse Maguire.

XSEDE, l'ambiente di scoperta della scienza e dell'ingegneria eXtreme, finanziato dalla National Science Foundation, ha fornito risorse computazionali al team scientifico attraverso l'accesso a supercomputer ed esperti su come utilizzarli al meglio. "Non saremmo in grado di fare questo tipo di lavoro senza risorse di supercalcolo come quelle fornite da XSEDE, " Ha detto Maguire. "Ci hanno permesso di eseguire le nostre simulazioni di propagazione delle onde su centinaia o talvolta migliaia di core di computer in parallelo".

Il team scientifico ha affrontato le sfide imposte dai requisiti di modellazione e ha utilizzato un pacchetto software di sismologia chiamato SPECFEM 3D (GLOBE), che è un codice di elementi spettrali sviluppato da Jeroen Tromp di Princeton e dal suo team che simula la propagazione delle onde all'interno della Terra. Hanno utilizzato il supercomputer Stampede1 del Texas Advanced Computing Center attraverso un'allocazione XSEDE che ha eseguito oltre 1,2 milioni di ore core su Stampede1 e continua con il sistema Stampede2. "Abbiamo eseguito quel codice principalmente su Stampede1, ed in realtà è stato abbastanza facile ottenere il codice configurato su Stampede1, poiché tutti i moduli e gli strumenti necessari per compilarlo erano immediatamente disponibili, " disse Maguire.

La gestione del flusso di lavoro si è rivelata scoraggiante, con molte simulazioni che hanno prodotto centinaia di gigabyte di dati. "Il team XSEDE è stato davvero utile nel rispondere a tutte le mie domande su come ottimizzare il mio flusso di lavoro, ad esempio come posso trascorrere il minor tempo in attesa in coda per l'esecuzione dei miei lavori; o come posso trasferire in modo efficiente grandi quantità di Stampede sulla mia macchina locale, " disse Maguire.

I ricercatori hanno anche approfittato del programma XSEDE Campus Champions, docenti e personale di tecnologia dell'informazione del campus che sono formati e mantengono stretti legami con XSEDE. "XSEDE Campus Champion Brock Palen dell'Università del Michigan ci ha aiutato a rispondere a domande sul tipo di risorse disponibili tramite XSEDE, e come possiamo accedervi, " disse Maguire.

Un'altra risorsa utile, disse Maguire, era l'accesso a un'assegnazione su XSEDE Science Gateways attraverso l'infrastruttura di calcolo per la geodinamica con l'aiuto di Lorraine Wang. "Science Gateways ci ha permesso di testare il nostro codice e capire davvero quanto sarebbe stato impegnativo dal punto di vista computazionale il nostro progetto, " disse Maguire.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica computazionalmente impegnativa chiamata tomografia sintetica, che Maguire ha spiegato era essenzialmente un test di affidabilità di quanto gli scienziati possano fidarsi dell'accuratezza delle immagini dell'interno della Terra. "Quello che facciamo è simulare la propagazione delle onde sismiche attraverso un modello digitale della Terra, che nel nostro caso contiene un pennacchio di mantello, " disse Maguire. Lo fanno con i sismogrammi virtuali, che vengono elaborati come dati sismici reali per ottenere un'immagine della struttura del pennacchio recuperata. "Ci permette davvero di testare come un pennacchio del mantello verrebbe ripreso tomograficamente e come le sue caratteristiche sarebbero sfocate o distorte, a seconda della configurazione dell'immagine, " disse Maguire.

"Il nostro studio si concentra principalmente sulle code dei pennacchi del mantello inferiore perché è davvero uno degli unici modi per risolvere il dibattito sull'esistenza dei pennacchi del mantello, " Ha detto Maguire. Questo si riferisce al vulcanismo hotspot, causato da un mantello anormalmente caldo lontano dai confini delle placche. I pennacchi del mantello che salgono dal confine del nucleo interessano i geologi perché svolgono un ruolo nel bilancio termico totale della Terra spostando il calore dal nucleo alla superficie.

"Tutti i pennacchi del mantello, significa pennacchi che salgono dal confine nucleo-mantello, sono anche i più difficili da visualizzare sismicamente perché la nostra risoluzione è molto scarsa nel mantello profondo e i condotti dei pennacchi profondi sono probabilmente sottili, " disse Maguire.

I supercomputer potrebbero finalmente iniziare a mettersi al passo con questioni scientifiche di vecchia data e contribuire a provocare nuove domande. "Penso che la sfida rimanga nel capire esattamente cosa stiamo cercando, " ha detto Ritsema. "Nel lavoro di Maguire, abbiamo definito un pennacchio del mantello come una risalita puramente termica nelle profondità della Terra. In questo caso particolare, il pennacchio è una struttura abbastanza stretta, ha una coda abbastanza stretta, con le sue complicazioni nell'imaging. Ma c'è stato altro lavoro di altri gruppi che in effetti ha sostenuto che i pennacchi potrebbero essere molto più spessi di quello che abbiamo studiato nel nostro lavoro. La natura stessa dei pennacchi, se i pennacchi sono puramente termici o guidati dalla temperatura, o se c'è anche una componente compositiva nella loro formazione, sono questioni che vengono ora affrontate in geofisica, " ha detto Ritsema.

Le esigenze computazionali delle simulazioni in questo studio sulla propagazione delle onde hanno limitato il numero di strutture a pennacchio, che può essere di forma più varia, dimensione, composizione, e temperatura rispetto ai soli casi di pennacchio termico che hanno considerato.

"Il nostro studio è anche il primo a modellare la propagazione delle onde attraverso i pennacchi a frequenze fino a un decimo di hertz, "Maguire ha detto. "Ma vorremmo essere in grado di spingerci ancora oltre per andare a frequenze più alte. E questo significa che sarà ancora più una sfida computazionale. Man mano che gli strumenti numerici che utilizziamo diventano più efficienti, e man mano che diventano disponibili più cluster di calcolo ad alte prestazioni, questo è qualcosa che potremmo essere in grado di raggiungere in futuro".

Ha detto Maguire:"Comprendere le dinamiche della Terra è di fondamentale importanza, perché tutti noi viviamo qui e siamo influenzati da ciò che accade sotto i nostri piedi. L'esistenza dei pennacchi del mantello e il ruolo che svolgono nel nostro pianeta è ancora un grosso punto interrogativo. Inoltre, i pennacchi sono stati collegati ad alcune delle più grandi eruzioni vulcaniche nella storia della Terra. E si pensa che potenzialmente svolgano un ruolo nei più grandi eventi di estinzione di massa che abbiamo registrato in geologia. Ci sono ancora molte cose che non capiamo su di loro. Fare ricerche per sondare la natura dei pennacchi del mantello è di fondamentale importanza".

Lo studio, "Valutazione della risoluzione dei pennacchi del mantello profondo nella tomografia telesismica a tempo di viaggio, " è stato pubblicato nel gennaio del 2018 nell'American Geophysical Union's Giornale di ricerca geofisica : Terra solida .