Но в отличие от лука, снимать слои Земли, чтобы лучше изучить планетную динамику, не вариант, заставляя ученых делать обоснованные предположения о внутренней жизни нашей планеты на основе наблюдений на уровне поверхности. Однако умные методы визуализации, разработанные учеными-компьютерщиками, обещают раскрыть подземные секреты Земли.Используя передовое моделирование и симуляцию, сейсмические данные, полученные в результате землетрясений, и один из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, команда под руководством Йеруна Тромпа из Принстонского университета создает подробную трехмерную картину недр Земли.
В настоящее время команда сосредоточена на создании изображений всего земного шара от поверхности до границы ядро-мантия на глубине 1800 миль.Эти высокоточные симуляции добавляют контекст текущим дебатам, связанным с геологической историей и динамикой Земли, позволяя увидеть такие важные особенности, как тектонические плиты, магматические шлейфы и горячие точки.
В 2016 году команда выпустила глобальную модель первого поколения. Модель, созданная на основе данных 253 землетрясений, зафиксированных с помощью сейсмограмм, разбросанных по всему миру, отличается глобальным масштабом и высокой масштабируемостью.«Это первая глобальная сейсмическая модель, в которой никакие аппроксимации, кроме выбранного численного метода, не использовались для моделирования того, как сейсмические волны проходят через Землю и как они воспринимают неоднородности», — сказал Эбру Боздаг, главный исследователь проекта и доцент кафедры геофизики Университета Ниццы София Антиполис. «Это важная веха для сообщества сейсмологов. Мы впервые показали людям ценность и возможность использования таких инструментов для построения глобальных сейсмических изображений».
Происхождение проекта можно проследить до теории построения сейсмических изображений, впервые предложенной в 1980-х годах. Чтобы заполнить пробелы в картах сейсмических данных, теория предложила метод, называемый сопряженной томографией, метод итерационной инверсии полной формы волны.
Этот метод использует больше информации, чем конкурирующие методы, используя прямые волны, которые проходят от источника землетрясения до сейсмического приемника, и сопряженные волны, которые представляют собой математически выведенные волны, которые проходят от приемника к землетрясению.Проблема с проверкой этой теории? «Для этого нужны действительно большие компьютеры, — сказал Боздаг, — потому что моделирование как прямой, так и сопряженной волны выполняется в 3-D численно».В 2012 году такая машина появилась в виде суперкомпьютера Titan, Cray XK7 с производительностью 27 петафлопс, которым управляет Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) Министерства энергетики США.
Национальная лаборатория Министерства энергетики в Окридже. Опробовав свой метод на небольших машинах, команда Тромпа получила доступ к Titan в 2013 году через программу Innovative and New Computational Impact on Theory and Experiment, или INCITE.
Работая с сотрудниками OLCF, команда продолжает расширять границы вычислительной сейсмологии на более глубокие глубины.Объединение сейсмических разрезовКогда происходит землетрясение, высвобождение энергии создает сейсмические волны, которые часто наносят ущерб жизни на поверхности. Однако те же самые волны предоставляют ученым возможность заглянуть в недра, измеряя колебания, проходящие через Землю.
По мере распространения сейсмических волн сейсмограммы могут обнаруживать изменения в их скорости. Эти изменения дают представление о составе, плотности и температуре среды, через которую проходит волна. Например, волны движутся медленнее при прохождении через горячую магму, такую как мантийные плюмы и горячие точки, чем при прохождении через более холодные зоны субдукции, места, где одна тектоническая плита скользит под другой.
Каждая сейсмограмма представляет собой узкую часть внутренней части планеты. Соединив вместе множество сейсмограмм, исследователи могут создать трехмерное глобальное изображение, запечатлевшее все, от шлейфов магмы, питающих Огненное кольцо, до горячих точек Йеллоустоуна и субдуцированных плит под Новой Зеландией.Этот процесс, называемый сейсмической томографией, работает аналогично методам визуализации, используемым в медицине, где двухмерные рентгеновские изображения, полученные с разных точек зрения, объединяются для создания трехмерных изображений областей внутри тела.В прошлом методы сейсмической томографии были ограничены в объеме сейсмических данных, которые они могли использовать.
Традиционные методы вынуждали исследователей прибегать к приближениям при моделировании волн и ограничивать данные наблюдений только основными сейсмическими фазами. Смежная томография, основанная на трехмерном численном моделировании, используемом командой Тромпа, не имеет таких ограничений. «Мы можем использовать все данные — что угодно и все», — сказал Боздаг.Запустив версию кода SPECFEM3D_GLOBE для графического процессора, команда Тромпа использовала Titan для применения полной инверсии формы волны в глобальном масштабе. Затем команда сравнила эти «синтетические сейсмограммы» с наблюдаемыми сейсмическими данными, предоставленными Объединенными исследовательскими институтами сейсмологии (IRIS), вычислила разницу и вернула эту информацию в модель для дальнейшей оптимизации.
Каждое повторение этого процесса улучшает глобальные модели.«Это то, что мы называем сопряженным рабочим процессом томографии, и в глобальном масштабе он требует, чтобы такой суперкомпьютер, как Titan, работал в разумные сроки», — сказал Боздаг. «Для нашей модели первого поколения мы выполнили 15 итераций, что на самом деле является небольшим числом для такого рода проблем.
Несмотря на небольшое количество итераций, наша улучшенная глобальная модель показывает силу нашего подхода. Однако это только начало . "Автоматизация для дополненияДля своей первоначальной глобальной модели команда Тромпа выбрала землетрясения, зарегистрированные между 5,8 и 7 баллами по шкале Рихтера — стандарт для измерения интенсивности землетрясений.
Этот диапазон можно немного расширить, включив в базу данных IRIS более 6000 землетрясений, что примерно в 20 раз превышает объем данных, использованных в исходной модели.Для получения максимальной отдачи от всех доступных данных требуется надежный автоматизированный рабочий процесс, способный ускорить итеративный процесс команды. Сотрудничая с сотрудниками OLCF, команда Тромпа добилась прогресса в достижении этой цели.Для модели первого поколения команды Боздаг выполнял каждый этап рабочего процесса вручную, и на обновление одной модели уходит около месяца.
Члены команды Матье Лефевр, Венцзе Лей и Юи Руан из Принстонского университета и Джуди Хилл из OLCF разработали новые автоматизированные рабочие процессы, которые обещают сократить этот цикл до нескольких дней.«Автоматизация действительно сделает его более эффективным, а также уменьшит количество человеческих ошибок, что довольно легко реализовать», — сказал Боздаг.Дополнительная поддержка со стороны сотрудников OLCF способствовала эффективному использованию и доступности данных проекта.
В начале проекта команда Тромпа работала с Норбертом Подгорски из OLCF над улучшением перемещения данных и гибкостью. Конечный результат, получивший название Adaptable Seismic Data Format (ASDF), использует параллельную библиотеку Adaptable I / O System (ADIOS) и дает команде Tromp превосходный формат файла для записи, воспроизведения и анализа данных на крупномасштабных ресурсах параллельных вычислений.Кроме того, Дэвид Пагмайр из OLCF помог команде внедрить инструменты визуализации на месте.
Эти инструменты позволили членам команды более легко проверять свою работу с локальных рабочих станций, позволяя создавать визуализации в сочетании с моделированием на Titan, устраняя необходимость в дорогостоящей передаче файлов.«Иногда дьявол кроется в деталях, поэтому вам действительно нужно быть осторожным и знать, на что вы смотрите», — сказал Боздаг. «Инструменты визуализации Дэвида помогают нам исследовать наши модели и видеть, что есть, а что нет».С помощью визуализации становится очевидным масштаб проекта команды.
Миллиардный цикл расплавленной породы, поднимающейся от границы ядро-мантия и падающей из коры — мало чем отличающийся от движения глобул в лавовой лампе — принимает форму, как и другие интересующие геологические особенности.На этом этапе разрешение глобальной модели группы становится достаточно продвинутым, чтобы дать информацию для континентальных исследований, особенно в регионах с плотным охватом данных.
Чтобы сделать его полезным на региональном уровне или меньшем, например, для мантийной активности под Южной Калифорнией или землетрясений земной коры Стамбула, потребуется дополнительная работа.«Большинство глобальных моделей в сейсмологии согласуются друг с другом в больших масштабах, но значительно отличаются друг от друга в меньших масштабах», — сказал Боздаг. «Вот почему так важно иметь более точное изображение недр Земли. Создание изображений мантии с высоким разрешением позволит нам внести свой вклад в эти дискуссии».
Копать глубжеДля дальнейшего повышения точности и разрешения команда Тромпа экспериментирует с параметрами модели в соответствии с последним распределением INCITE. Например, модель второго поколения группы представит анизотропные инверсии, которые представляют собой расчеты, которые лучше отражают различные ориентации и движение горных пород в мантии.
Эта новая информация должна дать ученым более четкое представление о мантийных потоках, составе и взаимодействиях земной коры и мантии.Кроме того, члены команды Димитри Коматич из Университета Экс-Марсель во Франции и Даниэль Питер из Университета короля Абдаллы в Саудовской Аравии возглавляют усилия по обновлению SPECFEM3D_GLOBE, чтобы включить такие возможности, как моделирование высокочастотных сейсмических волн. Частота сейсмической волны, измеряемая в герцах, эквивалентна количеству волн, проходящих через фиксированную точку за одну секунду. Например, текущая минимальная частота, используемая в моделировании команды, составляет около 0,05 герц (1 волна за 20 секунд), но Боздаг сказал, что команда также хотела бы включить сейсмические волны до 1 герца (1 волна в секунду).
Это позволило бы команде смоделировать более мелкие детали мантии Земли и даже начать картографирование ядра Земли.Чтобы совершить этот скачок, команда Тромпа готовится к Summit, суперкомпьютеру нового поколения OLCF. Summit, который должен появиться в 2018 году, обеспечит как минимум в пять раз большую вычислительную мощность, чем Titan.
В рамках Центра ускоренной готовности приложений OLCF команда Тромпа работает с персоналом OLCF, чтобы по прибытии воспользоваться вычислительной мощностью Summit.«С помощью Summit мы сможем получить изображение всего земного шара от коры до центра Земли, включая ядро», — сказал Боздаг. «Наши методы дорогие — для их выполнения нам нужен суперкомпьютер, — но наши результаты показывают, что эти затраты оправданы и даже необходимы».