Les volcans d'Hawaï sont des sentinelles silencieuses. Ils gardent le secret de leur formation, à des milliers de kilomètres de là où les bords des plaques tectoniques se heurtent et génèrent du magma pour la plupart des volcans. Un 2017 La nature étude de Jones et al. a trouvé les meilleurs indices à ce jour sur l'origine des volcans d'Hawaï grâce à la simulation d'un déplacement de la plaque Pacifique il y a trois millions d'années. Ce qui reste insaisissable, ce sont des preuves concluantes de l'existence de panaches du manteau.

Les panaches sont hypothétiques, upwellings en forme de champignon de roches chaudes provenant des profondeurs de la Terre. On suppose qu'ils se forment dans la couche limite thermique à la base du manteau et qu'ils transportent la chaleur du noyau terrestre qui génère le magma d'un volcan. Les scientifiques ont maintenant réalisé la meilleure modélisation informatique à ce jour des panaches du manteau, selon une étude mise en ligne en janvier 2018 avant son examen par les pairs et sa publication en novembre 2017 dans l'American Geophysical Union's Journal de recherche géophysique, Terre solide .

L'équipe scientifique internationale a montré à travers des simulations de superordinateurs, pour la première fois, des détails sur la façon dont les panaches décélèrent les ondes sismiques et comment les panaches apparaissent dans les images tomographiques sismiques du manteau terrestre, la couche sous la croûte. Quoi de plus, les chercheurs disent que leur travail pourrait aider à guider les futures expériences sur le fond de l'océan avec l'imagerie de la Terre profonde et aider à percer des mystères comme l'origine des volcans d'Hawaï.

« Nous avons constaté que les panaches du manteau sont probablement plus difficiles à imager sismiquement que nous ne le pensions auparavant, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Ross Maguire, ancien doctorant récemment diplômé du département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'Université du Michigan. "Notre image actuelle des panaches profonds du manteau pourrait faire défaut, " Maguire a dit, indiquant un manque de couverture des données sismiques.

L'imagerie sismique permet de voir des structures rocheuses à des milliers de kilomètres sous terre en écoutant les échos des tremblements de terre. Des réseaux de stations sismiques se trouvent au fond de l'océan et mesurent les différences de temps de trajet des ondes sismiques à travers la roche, essentiellement en prenant une tomodensitométrie de la Terre profonde.

"Afin de contraindre le rôle des panaches du manteau dans la dynamique de la Terre ainsi que de comprendre les causes du volcanisme des points chauds, nous devons nous concentrer sur l'augmentation de la couverture mondiale des capteurs sismiques, en particulier dans les océans, qui n'ont actuellement qu'une couverture clairsemée, " a déclaré Maguire. Les déploiements océaniques de capteurs sismiques sont coûteux et difficiles à planifier et à exécuter, il ajouta.

« Dans notre étude, nous avons utilisé la modélisation informatique pour trouver des scénarios d'imagerie optimaux, afin que nous puissions récupérer le plus de détails des panaches du manteau au moindre coût, " a déclaré Maguire. "Nous espérons que nos résultats aideront à guider la conception de futurs déploiements sismiques visant à imager le manteau sous les points chauds."

"Ce qui est probablement nouveau dans ce travail, c'est que nous combinons, peut-être pour la première fois, des modèles numériques réels de la formation des panaches et de leur ascension dans la Terre avec des estimations de leur structure sismique ", a déclaré le co-auteur de l'étude, Jeroen Ritsema, professeur au Département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'Université du Michigan.

"Deuxièmement, " il ajouta, "Nous avons également exploré comment diverses configurations de réseau pourraient changer la façon dont nous imaginons les panaches. Nous avons effectué des tests approfondis pour déterminer les configurations optimales des sismomètres sur Terre pour voir les panaches. Ceci est particulièrement important pour Hawaï, ", a déclaré Ritsema. "Hawaï est un endroit où nous pensons qu'il existe un panache responsable du volcanisme sur les îles hawaïennes. Nous avons déterminé quels pourraient être les déploiements offshore optimaux sur le fond marin qui pourraient conduire aux meilleures images du manteau profond sous Hawaï."

"C'est un grand défi informatique de simuler la propagation des ondes à travers les panaches du manteau, " a déclaré Maguire. Ils avaient besoin de codes numériques qui résolvent l'équation d'onde élastique dans le manteau terrestre à hautes fréquences et en trois dimensions. , ce qui est très important pour l'imagerie des panaches, " dit Maguire.

XSEDE, l'environnement de découverte scientifique et technique extrême, financé par la National Science Foundation, fourni des ressources informatiques à l'équipe scientifique grâce à l'accès à des superordinateurs et à des experts sur la meilleure façon de les utiliser. "Nous ne serions pas en mesure de faire ce type de travail sans des ressources de supercalcul comme celles qui sont fournies par XSEDE, " a déclaré Maguire. " Ils nous ont permis d'exécuter nos simulations de propagation d'ondes sur des centaines, voire des milliers de cœurs d'ordinateurs en parallèle. "

L'équipe scientifique a relevé les défis imposés par leurs exigences de modélisation et a utilisé un progiciel de sismologie appelé SPECFEM 3D (GLOBE), qui est un code d'élément spectral développé par Jeroen Tromp de Princeton et son équipe qui simule la propagation des ondes à l'intérieur de la Terre. Ils ont utilisé le supercalculateur Stampede1 du Texas Advanced Computing Center via une allocation XSEDE qui a exécuté plus de 1,2 million d'heures de base sur Stampede1 et continue avec le système Stampede2. "Nous avons exécuté ce code principalement sur Stampede1, et il était en fait assez facile de configurer le code sur Stampede1, puisque tous les modules et outils dont nous avions besoin pour le compiler étaient immédiatement disponibles, " dit Maguire.

La gestion du workflow s'est avérée intimidante, avec de nombreuses simulations qui ont produit des centaines de gigaoctets de données. "L'équipe XSEDE a été très utile pour répondre à toutes mes questions sur la façon dont je peux optimiser mon flux de travail, par exemple comment je peux passer le moins de temps possible à attendre dans la file d'attente pour que mes travaux s'exécutent ; ou comment je peux transférer efficacement de grandes quantités de Stampede sur ma machine locale, " dit Maguire.

Les chercheurs ont également profité du programme XSEDE Campus Champions, les professeurs et le personnel des technologies de l'information du campus qui sont formés par et entretiennent des liens étroits avec XSEDE. "XSEDE Campus Champion Brock Palen de l'Université du Michigan nous a aidés à répondre aux questions sur le type de ressources disponibles via XSEDE, et comment y accéder, " dit Maguire.

Une autre ressource utile, dit Maguire, était l'accès à une allocation sur les passerelles scientifiques XSEDE via l'infrastructure de calcul pour la géodynamique avec l'aide de Lorraine Wang. « Science Gateways nous a permis de tester notre code et de vraiment comprendre à quel point notre projet serait exigeant en termes de calcul, " dit Maguire.

Les chercheurs ont utilisé une technique exigeante en calcul appelée tomographie synthétique, ce que Maguire a expliqué était essentiellement un test de fiabilité de la confiance des scientifiques dans l'exactitude des images de l'intérieur de la Terre. "Ce que nous faisons, c'est simuler la propagation des ondes sismiques à travers un modèle numérique de la Terre, qui dans notre cas contient un panache de manteau, " dit Maguire. Ils font ça avec des sismogrammes virtuels, qui sont traitées comme de véritables données sismiques pour obtenir une image de la structure du panache récupéré. "Cela nous permet vraiment de tester comment un panache du manteau serait imagé tomographiquement et comment ses caractéristiques seraient soit floues soit déformées, selon la configuration d'imagerie, " dit Maguire.

"Notre étude se concentre principalement sur les queues de panache du manteau inférieur, car c'est vraiment l'un des seuls moyens d'avancer en termes de règlement du débat sur l'existence des panaches du manteau, " a déclaré Maguire. Cela concerne le volcanisme du point chaud, causé par un manteau anormalement chaud loin des limites des plaques. Les panaches du manteau qui s'élèvent de la frontière du noyau intéressent les géoscientifiques car ils jouent un rôle dans le bilan thermique total de la Terre en déplaçant la chaleur du noyau vers la surface.

"Les panaches du manteau entier, c'est-à-dire des panaches qui s'élèvent de la limite noyau-manteau, sont également les plus difficiles à imager sismiquement car notre résolution est très faible dans le manteau profond et les conduits de panache profond sont susceptibles d'être minces, " dit Maguire.

Les superordinateurs pourraient enfin commencer à rattraper les questions scientifiques de longue date et contribuer à susciter de nouvelles questions. « Je pense que le défi reste de comprendre exactement ce que nous recherchons, " dit Ritsema. " Dans le travail de Maguire, nous avons défini un panache mantellique comme un upwelling purement thermique dans les profondeurs de la Terre. Dans ce cas particulier, le panache est une structure assez étroite-il a une queue assez étroite, avec ses complications en imagerie. Mais il y a eu d'autres travaux par d'autres groupes qui ont en fait soutenu que les panaches pourraient être beaucoup plus épais que ce que nous avons étudié dans notre travail. La nature même des panaches, si les panaches sont purement thermiques ou thermiques, ou s'il y a aussi un composant de composition à leur formation, sont des problèmes qui sont maintenant traités en géophysique, " dit Ritsema.

Les exigences de calcul des simulations dans cette étude de la propagation des ondes ont limité le nombre de structures de panache, qui peut être de forme plus variée, Taille, composition, et la température que les cas de panache uniquement thermique qu'ils ont considérés.

"Notre étude est également la première à modéliser la propagation des ondes à travers les panaches à des fréquences aussi élevées qu'un dixième de hertz, " a déclaré Maguire. "Mais nous aimerions pouvoir pousser cela encore plus loin pour aller à des fréquences plus élevées. Et cela signifie que ce sera encore plus un défi informatique. Au fur et à mesure que les outils numériques que nous utilisons deviennent plus efficaces, et à mesure que de plus en plus de clusters de calcul haute performance deviennent disponibles, c'est quelque chose que nous pourrons peut-être réaliser à l'avenir."

Maguire a déclaré : « La compréhension de la dynamique de la Terre est d'une importance fondamentale, parce que nous vivons tous ici et sommes affectés par ce qui se passe sous nos pieds. L'existence des panaches du manteau et le rôle qu'ils jouent dans notre planète est encore un grand point d'interrogation. En outre, Les panaches ont été liés à certaines des plus grandes éruptions volcaniques de l'histoire de la Terre. Et on pense qu'ils jouent potentiellement un rôle dans les plus grands événements d'extinction de masse que nous ayons jamais enregistrés en géologie. Il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas à leur sujet. Faire des recherches pour sonder la nature des panaches du manteau est d'une importance fondamentale."

L'étude, "Évaluer la résolution des panaches du manteau profond dans la tomographie télésismique du temps de déplacement, " a été publié en janvier 2018 dans la revue American Geophysical Union Journal de recherche géophysique : Terre solide .