德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的地球科學(xué)家最近使用了大量的地震數(shù)據(jù)和超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)生成高分辨率的3D圖像，以顯示遠(yuǎn)低于地球表面的動(dòng)態(tài)地質(zhì)過程。

在4月29日發(fā)表于《自然通訊》上的一項(xiàng)研究中，UT達(dá)拉斯研究小組描述了它如何使用稱為全波形反演(FWI)的計(jì)算密集型技術(shù)在中美洲和加勒比海俯沖區(qū)域中創(chuàng)建地幔流圖像。

“這是第一項(xiàng)使用先進(jìn)的FWI技術(shù)在實(shí)際俯沖環(huán)境中直接對(duì)3D地幔流場(chǎng)進(jìn)行成像的綜合地震研究，”該研究的相應(yīng)作者，自然科學(xué)學(xué)院地球科學(xué)助理教授朱和軍博士說。數(shù)學(xué)。楊繼東博士，獲得博士學(xué)位。該研究的合著者是五月來(lái)自達(dá)拉斯的UT的地球科學(xué)專業(yè)，而地球科學(xué)教授Robert Stern博士是該研究的合著者。

動(dòng)態(tài)地球

在地殼的相對(duì)薄層和其內(nèi)核之間，是地球最厚的部分-地幔。在短時(shí)期內(nèi)，地?？梢暈楣腆w巖石，但在數(shù)百萬(wàn)年的地質(zhì)時(shí)間尺度上，地幔像粘性流體一樣流動(dòng)。

地殼被破碎成稱為構(gòu)造板塊。這些板非常緩慢地穿過并進(jìn)入地幔，大約與指甲生長(zhǎng)一樣快。在被稱為俯沖帶的區(qū)域中，一個(gè)板塊從另一個(gè)板塊下降到地幔中。

他說：“大洋板塊在俯沖帶沉入地幔是導(dǎo)致地球構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)的原因，也是地球上最重要的過程之一。”“俯沖帶也是許多自然災(zāi)害的源頭，例如地震，火山和海嘯。但是，人們對(duì)下降板塊周圍地幔流動(dòng)和變形的模式仍然知之甚少。我們的技術(shù)所產(chǎn)生的信息對(duì)于了解我們的動(dòng)態(tài)行星至關(guān)重要。”

數(shù)據(jù)密集型研究

朱和他的同事使用稱為地震各向異性的地球物理測(cè)量方法解決了這個(gè)問題，該方法測(cè)量了地震產(chǎn)生的機(jī)械波在地球內(nèi)部不同方向傳播的速度有多快。地震各向異性可以揭示地幔如何圍繞俯沖板運(yùn)動(dòng)。能源行業(yè)也使用類似的技術(shù)來(lái)定位石油和天然氣資源。

“當(dāng)潛水員潛入水中時(shí)，水會(huì)分離，而分離又會(huì)影響水在游泳者周圍的移動(dòng)方式，”朱說。“這與洋板塊相似：當(dāng)它們潛入熱的地幔中時(shí)，這種作用會(huì)導(dǎo)致地幔分離并在板塊周圍流動(dòng)。”

研究小組使用全美國(guó)網(wǎng)格中約4,500個(gè)地震臺(tái)站在180年地震中記錄的10年周期內(nèi)的高保真度數(shù)據(jù)創(chuàng)建了圖像。FWI算法的數(shù)值計(jì)算是在位于美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)支持的位于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心，以及位于德克薩斯州達(dá)拉斯的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“以前我們無(wú)法'看到'地球表面，但是通過使用這項(xiàng)技術(shù)和非常好的數(shù)據(jù)集，我們能夠描繪出各種地震現(xiàn)象的3-D分布，并判斷它們發(fā)生在什么深度，”朱說。

變成碎片

圖像證實(shí)了研究區(qū)域中的板塊不是很大的實(shí)心塊，而是被分成了較小的板塊。

他說：“這看起來(lái)與教科書中有關(guān)構(gòu)造板塊的描述有所不同，構(gòu)造板塊是一塊大洋板塊降到另一塊實(shí)心板之下。”“一些研究人員假設(shè)發(fā)生了這種分裂，我們的成像和建模提供了支持該觀點(diǎn)的證據(jù)。”

朱的3D模型顯示了許多下降碎片周圍以及板之間縫隙中復(fù)雜的地幔流型。朱說，這種塊狀，碎片狀的碎片在世界各地都可以看到。

例如，在美國(guó)西北部，胡安·德·富卡板塊也被分成兩塊，然后下降到卡斯卡迪亞俯沖帶的北美板塊下方，該地區(qū)在過去幾個(gè)世紀(jì)中發(fā)生了強(qiáng)烈地震。

他說：“我們知道，大多數(shù)地震發(fā)生在板與地幔之間的界面。如果這些碎片之間有縫隙，即所謂的窗口區(qū)域，那您就不會(huì)指望那里發(fā)生地震了。”“如果您觀察卡斯卡迪亞俯沖帶沿線的地震分布，就會(huì)發(fā)現(xiàn)您沒有地震的跨度。這可能是俯沖洋板帶存在間隙的區(qū)域。

“我們研究的中美洲海溝具有自己獨(dú)特的動(dòng)態(tài)特性。將來(lái)，我們計(jì)劃將注意力轉(zhuǎn)移到其他俯沖帶，包括澳大利亞和太平洋板塊區(qū)域的克馬德克-湯加俯沖帶。”