Los volcanes de Hawái se erigen como centinelas silenciosos. Guardan el secreto de cómo se formaron, a miles de millas de donde los bordes de las placas tectónicas chocan y generan magma para la mayoría de los volcanes. A 2017 Naturaleza estudio de Jones et al. encontró las mejores pistas hasta el momento del origen de los volcanes de Hawai a través de la simulación de un cambio en la placa del Pacífico hace tres millones de años. Lo que sigue siendo difícil de alcanzar es la evidencia concluyente de que existen plumas del manto.

Las plumas se hipotetizan, afloramientos en forma de hongo de roca caliente de las profundidades de la Tierra. Se supone que se forman dentro de la capa límite térmica en la base del manto y se cree que transportan calor desde el núcleo de la Tierra que genera el magma de un volcán. Los científicos han realizado el mejor modelo computacional hasta ahora de las plumas del manto, según un estudio disponible en línea en enero de 2018 antes de su revisión por pares y publicación en noviembre de 2017 en la publicación de la American Geophysical Union. Revista de investigación geofísica, Tierra solida .

El equipo científico internacional mostró a través de simulaciones de supercomputadoras, por primera vez, detalles de cómo las plumas desaceleran las ondas sísmicas y cómo aparecen las plumas en las imágenes tomográficas sísmicas del manto de la Tierra, la capa debajo de la corteza. Y lo que es más, los investigadores dicen que su trabajo podría ayudar a guiar futuros experimentos en el fondo del océano con imágenes de la Tierra profunda y ayudar a llegar al fondo de misterios como el origen de los volcanes de Hawái.

"Descubrimos que es probable que las plumas del manto sean más difíciles de obtener imágenes sísmicas de lo que reconocíamos anteriormente, "dijo el autor principal del estudio, Ross Maguire, ex estudiante de doctorado que se graduó recientemente del departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de la Universidad de Michigan. "Nuestra imagen actual de las plumas del manto profundo podría faltar, "Maguire dijo, apuntando a una falta de cobertura de datos sísmicos.

Las imágenes sísmicas pueden ver estructuras rocosas a miles de kilómetros bajo tierra al escuchar los ecos de los terremotos. Las redes de estaciones sísmicas se asientan en el fondo del océano y miden las diferencias en el tiempo de viaje de las ondas sísmicas a través de la roca. en esencia, tomando una tomografía computarizada de las profundidades de la Tierra.

"Con el fin de limitar el papel de las plumas del manto en la dinámica de la Tierra, así como para comprender las causas del vulcanismo de puntos calientes, debemos centrarnos en aumentar la cobertura global de sensores sísmicos, particularmente en los océanos, que actualmente solo tienen una cobertura escasa, ", Dijo Maguire. Los despliegues oceánicos de sensores sísmicos son costosos y difíciles de planificar y ejecutar, añadió.

"En nuestro estudio, utilizamos modelos informáticos para encontrar escenarios óptimos de imágenes, para que podamos recuperar el máximo detalle de las plumas del manto al menor costo, ", Dijo Maguire." Esperamos que nuestros resultados ayuden a guiar el diseño de futuros despliegues sísmicos destinados a obtener imágenes del manto debajo de los puntos calientes ".

"Lo que probablemente sea nuevo en este trabajo es que combinamos, tal vez por primera vez, modelos numéricos reales de cómo se forman las plumas y cómo se elevan en la Tierra con estimaciones de su estructura sísmica ", dijo el coautor del estudio, Jeroen Ritsema, profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Michigan.

"En segundo lugar, "añadió, "También hemos explorado cómo varias configuraciones de red podrían cambiar la forma en que obtenemos imágenes de las columnas. Hemos realizado pruebas exhaustivas para determinar las configuraciones óptimas de los sismómetros en la Tierra para ver las columnas. Esto es particularmente importante para Hawái, ", Dijo Ritsema." Hawai es un lugar donde creemos que hay una columna responsable del vulcanismo en las islas hawaianas. Hemos determinado cuáles podrían ser despliegues óptimos en alta mar en el lecho marino que podrían conducir a las mejores imágenes del manto profundo debajo de Hawai ".

"Es un gran desafío computacional simular la propagación de ondas a través de las plumas del manto, ", Dijo Maguire. Necesitaban códigos numéricos que resuelvan la ecuación de onda elástica en el manto de la Tierra a altas frecuencias y en tres dimensiones". Lo que hace es que nos permite explicar con precisión los efectos de los fenómenos de propagación de ondas, como la difracción de ondas alrededor de las colas de las plumas. , que es muy importante para la obtención de imágenes de penachos, "Dijo Maguire.

XSEDE, el eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, financiado por la National Science Foundation, proporcionó recursos computacionales al equipo científico a través del acceso a supercomputadoras y expertos en cómo usarlas mejor. "No podríamos hacer este tipo de trabajo sin recursos de supercomputación como los que proporciona XSEDE, ", Dijo Maguire." Nos permitieron ejecutar nuestras simulaciones de propagación de ondas en cientos o, a veces, miles de núcleos de computadora en paralelo ".

El equipo científico abordó los desafíos impuestos por sus requisitos de modelado y utilizó un paquete de software de sismología llamado SPECFEM 3D (GLOBE), que es un código de elemento espectral desarrollado por Jeroen Tromp de Princeton y su equipo que simula la propagación de ondas en el interior de la Tierra. Utilizaron la supercomputadora Stampede1 del Centro de Computación Avanzada de Texas a través de una asignación XSEDE que ejecutó más de 1.2 millones de horas centrales en Stampede1 y continúa con el sistema Stampede2. "Ejecutamos ese código principalmente en Stampede1, y en realidad fue bastante fácil configurar el código en Stampede1, dado que todos los módulos y herramientas que necesitábamos para compilarlo estaban disponibles de inmediato, "Dijo Maguire.

La gestión del flujo de trabajo resultó desalentadora, con muchas simulaciones que produjeron cientos de gigabytes de datos. "El equipo de XSEDE fue realmente útil al responder todas mis preguntas sobre cómo puedo optimizar mi flujo de trabajo, por ejemplo, cómo puedo pasar la menor cantidad de tiempo esperando en la cola para que se ejecuten mis trabajos; o cómo puedo transferir de manera eficiente grandes cantidades de Stampede a mi máquina local, "Dijo Maguire.

Los investigadores también aprovecharon el programa XSEDE Campus Champions, profesores y personal de tecnología de la información del campus que están capacitados y mantienen estrechos vínculos con XSEDE. "El campeón del campus de XSEDE, Brock Palen, de la Universidad de Michigan, nos ayudó a responder preguntas sobre qué tipo de recursos están disponibles a través de XSEDE, y cómo podemos acceder a ellos "Dijo Maguire.

Otro recurso útil, dijo Maguire, tuvo acceso a una asignación en XSEDE Science Gateways a través de la Infraestructura Computacional para Geodinámica con la ayuda de Lorraine Wang. "Science Gateways nos permitió probar nuestro código y realmente descubrir cuán exigente computacionalmente sería nuestro proyecto, "Dijo Maguire.

Los investigadores utilizaron una técnica computacionalmente exigente llamada tomografía sintética, lo que Maguire explicó era esencialmente una prueba de confiabilidad de qué tan bien los científicos pueden confiar en la precisión de las imágenes del interior de la Tierra. "Lo que hacemos es simular la propagación de ondas sísmicas a través de un modelo terrestre digital, que en nuestro caso contiene una pluma de manto, "Dijo Maguire. Lo hacen con sismogramas virtuales, que se procesan como datos sísmicos reales para obtener una imagen de la estructura de la pluma recuperada. "Realmente nos permite probar cómo se obtendría una imagen tomográfica de una pluma del manto y cómo sus características se verían borrosas o distorsionadas, dependiendo de la configuración de la imagen, "Dijo Maguire.

"Nuestro estudio se centra principalmente en las colas de las plumas del manto inferior porque en realidad es una de las únicas formas de avanzar en términos de resolver el debate sobre la existencia de las plumas del manto". ", Dijo Maguire. Esto se relaciona con el vulcanismo de puntos calientes, causado por un manto anormalmente caliente lejos de los límites de las placas. Las plumas del manto que se elevan desde el límite del núcleo interesan a los geocientíficos porque juegan un papel en el balance de calor total de la Tierra al mover el calor desde el núcleo a la superficie.

"Plumas de manto entero, lo que significa plumas que se elevan desde el límite entre el núcleo y el manto, también son los más desafiantes para obtener imágenes sísmicas porque nuestra resolución es muy pobre en el manto profundo y es probable que los conductos de la pluma profunda sean delgados, "Dijo Maguire.

Las supercomputadoras podrían finalmente estar comenzando a ponerse al día con preguntas científicas de larga data y ayudar a provocar nuevas preguntas. "Creo que el desafío sigue siendo comprender exactamente lo que estamos buscando, "dijo Ritsema." En el trabajo de Maguire, hemos definido un penacho del manto como un afloramiento puramente térmico en las profundidades de la Tierra. En este caso particular, la pluma es una estructura bastante estrecha, tiene una cola bastante estrecha, con sus complicaciones en la imaginología. Pero ha habido otros trabajos de otros grupos que de hecho han argumentado que las plumas pueden ser mucho más gruesas de lo que hemos investigado en nuestro trabajo. La propia naturaleza de las plumas, si los penachos son puramente térmicos o impulsados ​​por la temperatura, o si también hay un componente compositivo en su formación, son cuestiones que ahora se están abordando en geofísica, "Dijo Ritsema.

Las demandas computacionales de las simulaciones en este estudio de la propagación de ondas limitaron el número de estructuras de la pluma, que puede ser más variada en forma, Talla, composición, y temperatura que los casos de penacho exclusivamente térmico que consideraron.

"Nuestro estudio también es el primero en modelar la propagación de ondas a través de penachos a frecuencias tan altas como una décima parte de un hercio, ", Dijo Maguire." Pero nos gustaría poder empujar eso aún más para ir a frecuencias más altas. Y eso significa que será aún más un desafío computacional. A medida que las herramientas numéricas que utilizamos se vuelven más eficientes, y a medida que se disponga de más clústeres informáticos de alto rendimiento, eso es algo que podríamos lograr en el futuro ".

Maguire dijo:"Comprender la dinámica de la Tierra es de fundamental importancia, porque todos vivimos aquí y nos afecta lo que pasa bajo nuestros pies. La existencia de las plumas del manto y el papel que desempeñan en nuestro planeta sigue siendo un gran interrogante. Adicionalmente, las plumas se han relacionado con algunas de las erupciones volcánicas más grandes de la historia de la Tierra. Y se cree que potencialmente juegan un papel en los eventos de extinción masiva más grandes que tenemos en el registro geológico. Todavía hay muchas cosas que no entendemos sobre ellos. Investigar sobre la naturaleza de las plumas del manto es de fundamental importancia ".

El estudio, "Evaluación de la resolución de las plumas del manto profundo en la tomografía telesísmica en tiempo de viaje, "se publicó en enero de 2018 en la revista American Geophysical Union Revista de investigación geofísica : Tierra solida .