ASC科研发现：超级计算机揭示了夏威夷皇帝的海底之谜-

夏威夷皇帝海山链从夏威夷群岛到北太平洋的底特律海山横跨近四千英里，呈 L 形，先向西，然后突然向北。自从 1940 年代从众多回声测深船的数据中首次发现以来，大部分海底山脉和火山岛的 60 度弯曲一直困扰着科学家。

一组科学家现在使用极限科学与工程发现环境 (XSEDE) 分配的超级计算机来模拟和重建可能解释神秘山脉弯曲的太平洋构造板块运动的动力学。

主要发现

加州理工学院地球物理学教授迈克尔·古尼斯说：“我们首次用计算机模型展示了太平洋板块如何突然从北向西改变方向。”

“弄清楚为什么会发生这种变化是一个圣杯，”他说。Gurnis 与人合着了关于海山链起源的研究，该研究于 2022 年 1 月发表在《自然地球科学》上。

除了 Gurnis 之外，该团队还由加州理工学院博士后学者、地球科学家胡家顺、澳大利亚悉尼大学的 Dietmar Müller 以及阿贡国家实验室的计算科学家 Johann Rudi 和纽约大学的 Georg Stadler 组成。

板块运动线索

板块运动为理解海山链如何反映板块运动提供了关键。地壳中巨大的构造板块基本上在地幔的热而脆弱的岩石上移动。

太平洋板块是最大的板块之一。该板块跨越约 4000 万平方英里的海底，由板块返回地幔形成的“火环”的山脉和火山勾勒出轮廓。

但是夏威夷的火山和夏威夷皇帝海山链并不是由这个过程引起的。相反，科学家们推测，地球上最热岩石的羽流从地核向上穿过地幔，形成了一个火山热点。理论上，海山链是由板块在热羽流上移动而形成的，就像纸上的一条烧痕痕迹在蜡烛上移动。

大约 8000 万年前，太平洋板块主要向北移动了大约 3000 万年，帝王海山线就是明证。但大约在 5000 万年前，发生了一些奇怪的事情。太平洋板块明显改变了方向，地幔柱也发生了移动。

“也许它们会同时发生有一个潜在的物理原因，”古尼斯说。

先前的戈登贝尔奖

他指出了以前使用诸如地幔对流动力学的自适应网格细化等技术的工作，可以很好地扩展到大量 CPU 的计算工作，并使用了 TACC 的 Stampede1 系统，并为由 Johann Rudi 领导的团队赢得了 Gordon Bell 奖。 2015 年。

“此外，与 Müller、Gurnis 和其他人的早期工作表明，羽流的物理特性如何在地幔内部发挥作用，这样就可以有羽流迅速向南迁移，然后在 5000 万年前停止，”Gurnis 说。

“这两项研究是互补的，因为进入本研究，我们实际上有一个模型可以解释羽流向南的运动然后突然停止，但我们没有一个模型可以解释板块如何变化它的方向，”他补充说。

该团队对构造板块物理学的计算必须考虑其边界处的断层，但仍允许板块运动。

计算挑战

同时计算这两个物理部分的挑战意味着他们需要计算方法来处理从一个板到另一个板的机械性能的巨大变化以及它们的故障。

然而，传统的板块运动概念未能在模型中增加足够的力量来将太平洋板块向西拉并解释弯曲。

“我们发现文献中存在另一种想法，但并没有引起太多关注，”古尼斯说。

新因素

研究中考虑的新因素是俄罗斯远东地区的一个俯冲带，这是一条克罗诺茨基弧，终止于大约 5000 万年前。他们用这些俯冲带重建了新的板块构造重建。

当他们将这些区域放入模型中时，他们发现他们可以使太平洋板块向北移动。当俯冲结束时，太平洋板块开始向西移动，慢慢建立其他俯冲带，随着时间的推移，这些俯冲带提供了更多的力量来拉动太平洋板块。

“这是一个新的假设，在它所基于的物理学方面更加坚定，”古尼斯总结道。“它将让其他科学家看到它是否能够经受住进一步的审查，以及是否有其他想法可以根据它的假设进行检验。”

计算资源

在这项研究中，Gurnis 通过国家科学基金会 (NSF) 资助的 XSEDE 获得了使用 TACC 的 Stampede2 超级计算机的权限。他还在 TACC 获得了 NSF 资助的 Frontera 系统的使用权，这是学术界最强大的超级计算机，也是 NSF “迈向领导力级计算设施”计划的第一阶段。

“XSEDE 和 Frontera 对我们的研究绝对至关重要，”Gurnis 说。

“这种能力计算是必不可少的，”他补充说。“我们正在通过这种合作开展项目，这些项目将比这大得多，这将需要超越 Frontera 的东西来计算。”

这项基础研究旨在调查有关过去和现在地球动力学的奥秘。

“当你处理地球上一些最基本的过程时，正确地弄清楚它们是如何工作的很重要，”古尼斯说。

新方向

他还强调了领域科学与计算科学家的应用工作之间的相互作用。

“我们为自适应网格细化开发的算法可以应用于许多纯粹的应用问题，”Gurnis 补充道。“这是一个巨大的突破。”

Gurnis 说：“我们现在拥有可以将我们推向新方向的算法。当我们开始这个项目时，我并没有考虑夏威夷皇帝海山问题。但随后，新的想法和能力出现了。突然间可能会出现新的科学问题. 超级计算机的使用本质上使我们能够发现和揭示控制塑造地球的一些最重要过程的基本现象。”