Científicos de Princeton están creando una imagen 3D detallada del interior de la Tierra, con un modelado y simulación avanzada, datos sísmicos y uno de los superordenadores más rápidos del mundo.

En la actualidad, el equipo se centra en la imagen de todo el mundo desde la superficie hasta el límite núcleo-manto, a una profundidad de 2.700 kilómetros.
Estas simulaciones de alta fidelidad añaden contexto a los debates en curso relacionados con la historia geológica y la dinámica de la Tierra, poniendo a la vista características prominentes como placas tectónicas, penachos de magma y puntos calientes.

En septiembre de 2016, el equipo dirigido por Jeroen Tromp publicó un artículo en Geophysical Journal International sobre su modelo global de primera generación. Creado con datos de 253 terremotos capturados por sismogramas dispersos por todo el mundo, el modelo del equipo es notable por su alcance global y su alta escalabilidad.

"Este es el primer modelo sísmico global en el que no se usaron aproximaciones -a parte del método numérico elegido- para simular cómo las ondas sísmicas viajan a través de la Tierra y cómo perciben heterogeneidades", dijo Ebru Bozdag, investigador coprincipal del proyecto y profesor de geofísica en la Universidad de Niza Sophia Antipolis. "Eso es un hito para la comunidad de sismología. Por primera vez, mostramos a la gente el valor y la viabilidad de ejecutar este tipo de herramientas para la imagen sísmica global", explicó en un comunicado.

La génesis del proyecto se remonta a una teoría de imágenes sísmicas propuesta en los años ochenta. Para llenar los vacíos dentro de los mapas de datos sísmicos, la teoría postuló un método llamado tomografía adjunta, una técnica de inversión de onda completa iterativa. Esta técnica aprovecha más información que los métodos de la competencia, utilizando ondas de avance que viajan desde el origen del terremoto hasta las ondas receptoras y adjuntas sísmicas, que son ondas derivadas matemáticamente que viajan desde el receptor hasta el terremoto.
¿El problema con probar esta teoría? "Se necesitan computadoras realmente grandes para hacer esto", dijo Bozdag, "porque las simulaciones de ondas frontales y adjuntas se realizan en 3-D numéricamente".

En 2012, sólo una máquina llegó a la forma de la supercomputadora Titán, un Cary XK7 de 27-petaflop en el Oak Ridge National Laboratory de Estados Unidos. Después de probar su método en máquinas más pequeñas, el equipo de Tromp obtuvo acceso a Titán en 2013. Trabajando con el personal de la instalación, el equipo continúa empujando los límites de la sismología computacional a niveles más profundos.

A medida que las ondas sísmicas inducidas por el terremoto viajan, los sismogramas pueden detectar variaciones en su velocidad. Estos cambios proporcionan pistas sobre la composición, densidad y temperatura del medio por el que atraviesa la onda. Por ejemplo, las olas se mueven más lentamente al pasar a través del magma caliente, como las plumas del manto y los puntos calientes, que cuando pasan a través de zonas de subducción más frías, lugares donde una placa tectónica se desliza debajo de otra.

Cada sismograma representa una porción estrecha del interior del planeta. Al coser muchos sismogramas juntos, los investigadores pueden producir una imagen global tridimensional, capturando todo, desde penachos de magma alimentando el anillo de fuego, hasta los puntos calientes de Yellowstone, hasta placas subducidas bajo Nueva Zelanda.

Este proceso, llamado tomografía sísmica, funciona de una manera similar a las técnicas de imagen empleadas en medicina, donde se combinan imágenes de rayos X 2-D tomadas de muchas perspectivas para crear imágenes 3-D de áreas dentro del cuerpo.

En el pasado, las técnicas de tomografía sísmica han sido limitadas en la cantidad de datos sísmicos que pueden usar. Los métodos tradicionales obligaron a los investigadores a hacer aproximaciones en sus simulaciones de ondas y restringir los datos observacionales sólo a las principales fases sísmicas. La tomografía adjunta basada en simulaciones numéricas 3-D empleadas por el equipo de Tromp no está restringida de esta manera. "Podemos usar todos los datos, cualquier cosa y todo", dijo Bozdag.

Para mejorar aún más su modelo global, el equipo de Tromp está experimentando con parámetros de modelo en Titán. Por ejemplo, el modelo de segunda generación del equipo introducirá inversiones anisotrópicas, que son cálculos que capturan mejor las diferentes orientaciones y movimiento de la roca en el manto. Esta nueva información debería proporcionar a los científicos una visión más clara del flujo del manto, la composición y las interacciones entre la corteza y el manto.

Además, los miembros del equipo Dimitri Komatitsch de la Universidad de Aix-Marseille en Francia y Daniel Peter de la Universidad Rey Abdullah en Arabia Saudita están liderando esfuerzos para simular ondas sísmicas de mayor frecuencia. Esto permitiría al equipo modelar detalles más finos en el manto de la Tierra e incluso comenzar a mapear el núcleo de la Tierra.