I geoscienziati dell'Università del Texas a Dallas hanno recentemente utilizzato enormi quantità di dati sui terremoti e supercomputer per generare immagini ad alta risoluzione, Immagini 3D dei processi geologici dinamici che si svolgono molto al di sotto della superficie terrestre.

In uno studio pubblicato il 29 aprile in Comunicazioni sulla natura , il team di ricerca di UT Dallas ha descritto come ha creato immagini di flussi di mantello in una regione di subduzione sotto l'America centrale e il Mar dei Caraibi utilizzando una tecnica computazionalmente intensiva chiamata inversione della forma d'onda completa (FWI).

"Questo è il primo studio sismico completo per visualizzare direttamente i campi di flusso del mantello 3-D in ambienti di subduzione reali utilizzando la tecnologia FWI avanzata, " ha detto il dottor Hejun Zhu, autore corrispondente dello studio e assistente professore di geoscienze presso la Scuola di Scienze Naturali e Matematiche. Dottor Jidong Yang, che ha conseguito il dottorato di ricerca in geoscienze da UT Dallas a maggio, e il dottor Robert Stern, professore di geoscienze, sono i coautori dello studio.

Una Terra Dinamica

Tra lo strato relativamente sottile della crosta terrestre e il suo nucleo interno si trova la parte più spessa del pianeta, il mantello. In brevi periodi di tempo, il mantello può essere considerato roccia solida, ma sulla scala temporale geologica di milioni di anni, il mantello scorre come un fluido viscoso.

La crosta terrestre è rotta in pezzi chiamati placche tettoniche. Queste placche si muovono attraverso e dentro il mantello molto lentamente, più o meno alla stessa velocità con cui crescono le unghie. Nelle regioni chiamate zone di subduzione, un piatto scende sotto un altro nel mantello.

"L'affondamento delle placche oceaniche nel mantello terrestre nelle zone di subduzione è ciò che provoca il movimento delle placche tettoniche della Terra ed è uno dei processi più importanti che si verificano nel nostro pianeta, " Zhu ha detto. "Le zone di subduzione sono anche la fonte di molti pericoli naturali, come terremoti, vulcani e tsunami. Ma lo schema del flusso e della deformazione del mantello attorno alle placche discendenti è ancora poco compreso. Le informazioni fornite dalle nostre tecniche sono cruciali per comprendere il nostro pianeta dinamico".

Ricerca ad alta intensità di dati

Zhu e i suoi colleghi hanno affrontato il problema utilizzando una misurazione geofisica chiamata anisotropia sismica, che misura la differenza nella velocità con cui le onde meccaniche generate dai terremoti viaggiano in direzioni diverse all'interno della Terra. L'anisotropia sismica può rivelare come il mantello si muove attorno alla placca in subduzione. Una tecnologia simile viene utilizzata anche dall'industria energetica per localizzare le risorse di petrolio e gas.

"Quando un subacqueo si tuffa in acqua, l'acqua si separa, e quella separazione a sua volta influenza il modo in cui l'acqua si muove intorno al nuotatore, " Ha detto Zhu. "È simile con le placche oceaniche:quando si immergono nel mantello caldo, quell'azione induce la separazione del mantello e il flusso intorno alle placche."

Il team di ricerca ha creato le immagini utilizzando dati ad alta fedeltà registrati in un periodo di 10 anni da 180 terremoti di circa 4, 500 stazioni sismiche situate in una griglia negli Stati Uniti. I calcoli numerici per l'algoritmo FWI sono stati eseguiti sui cluster di calcolo ad alte prestazioni presso il Texas Advanced Computing Center della National Science Foundation (NSF) a UT Austin, così come sui supercomputer dell'UT Dallas.

"In precedenza non potevamo 'vedere' sotto la superficie terrestre, ma usando questa tecnologia e questo meraviglioso set di dati, siamo in grado di delineare la distribuzione 3D dei vari fenomeni sismici e dire a che profondità si verificano, " Disse Zhu.

Andato a pezzi

Le immagini hanno confermato che le lastre nella regione di studio non sono grandi, pezzi solidi ma piuttosto sono frammentati in lastre più piccole.

"Questo sembra diverso dalle rappresentazioni dei libri di testo delle placche tettoniche che si uniscono, con un pezzo solido di placca oceanica che scende sotto un altro pezzo solido, " Zhu ha detto. "Alcuni ricercatori hanno ipotizzato che si verifichi questa frammentazione, e le nostre immagini e modelli forniscono prove a sostegno di tale visione".

Il modello 3D di Zhu mostra complessi schemi di flusso del mantello attorno a un numero di frammenti discendenti e negli spazi tra le lastre. così grosso, pezzi frammentati si vedono nelle regioni di tutto il mondo, ha detto Zhu.

Negli Stati Uniti nordoccidentali, Per esempio, anche la placca Juan de Fuca è frammentata in due pezzi dove scende sotto la placca nordamericana nella zona di subduzione della Cascadia, una zona in cui si sono verificati forti terremoti nel corso dei secoli.

"Sappiamo che la maggior parte dei terremoti si verifica all'interfaccia tra una lastra e il mantello. Se c'è uno spazio tra questi frammenti, quella che viene chiamata una regione della finestra, non ti aspetteresti terremoti lì, " Ha detto Zhu. "Se si guarda alla distribuzione del terremoto lungo la zona di subduzione della Cascadia, c'è un arco in cui non ci sono terremoti. Questa è probabilmente una regione in cui c'è un vuoto nella placca oceanica in subduzione.

"La trincea dell'America centrale che abbiamo studiato ha il suo unico, proprietà dinamiche. Nel futuro, abbiamo in programma di spostare la nostra attenzione su altre zone di subduzione, compresa la zona di subduzione Kermadec-Tonga nella regione delle placche australiana e pacifica."