德克薩斯大學(xué)達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)和超級計算機來生成高分辨率的3D圖像，以顯示遠低于地球表面的動態(tài)地質(zhì)過程。

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

“這是第一項使用先進的FWI技術(shù)在實際俯沖環(huán)境中直接對3D地幔流場進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自達拉斯的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。

動態(tài)地球

在地殼的相對薄層和其內(nèi)核之間，是地球最厚的部分-地幔。在短時期內(nèi)，地?？梢暈楣腆w巖石，但在數(shù)百萬年的地質(zhì)時間尺度上，地幔像粘性流體一樣流動。

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入地幔，大約與指甲生長一樣快。在被稱為俯沖帶的區(qū)域中，一個板塊從另一個板塊下降到地幔中。

他說：“大洋板塊在俯沖帶沉入地幔是導(dǎo)致地球構(gòu)造板塊運動的原因，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，人們對下降板塊周圍地幔流動和變形的模式仍然知之甚少。我們的技術(shù)所產(chǎn)生的信息對于了解我們的動態(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量方法解決了這個問題，該方法測量了地震產(chǎn)生的機械波在地球內(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動。能源行業(yè)也使用類似的技術(shù)來定位石油和天然氣資源。

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

研究小組使用全美國網(wǎng)格中約4,500個地震臺站在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)值計算是在位于美國國家科學(xué)基金會(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計算中心，以及位于德克薩斯州達拉斯的超級計算機。

“以前我們無法'看到'地球表面，但是通過使用這項技術(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

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

他說：“這看起來與教科書中有關(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)在過去幾個世紀中發(fā)生了強烈地震。

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特的動態(tài)特性。將來，我們計劃將注意力轉(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。”