导读 地震不仅仅是破坏街道和倒塌建筑物。地震产生的地震波穿过地球，就像一台巨大的核磁共振机器，为地球内部的情况提供线索。地震学家已经开发

地震不仅仅是破坏街道和倒塌建筑物。地震产生的地震波穿过地球，就像一台巨大的核磁共振机器，为地球内部的情况提供线索。

地震学家已经开发出从地球表面地震仪网络获取波信号的方法，并对它们通过的介质的特征和特性进行逆向工程，这一过程称为地震层析成像。

几十年来，地震层析成像基于射线理论，地震波被视为光线。这是一个很好的近似值，并导致了关于地球内部的重大发现。但为了提高当前地震层析模型的分辨率，地震学家需要使用数值模拟来考虑波传播的全部复杂性，即全波形反演，科罗拉多矿业学院地球物理系助理教授 Ebru Bozdag 说.

“我们正处于一个阶段，我们需要避免在我们的成像技术中进行近似和校正，以构建地球内部的这些模型，”她说。

Bozdag 是 2016 年第一个全波形反演模型GLAD-M15 的主要作者，该模型基于全球范围内的全 3D 波模拟和 3D 数据敏感性。该模型使用开源 3D 全球波传播求解器 SPECFEM3D_GLOBE，是与普林斯顿大学、马赛大学、阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 和橡树岭国家实验室 (ORNL) 的研究人员合作创建的。这项工作受到了媒体的称赞。它的继任者 GLAD-M25(Lei et al. 2020)于 2020 年问世，并带来了俯冲带、地幔柱和热点等突出特征，以供进一步讨论地幔动力学。

“我们在 2016 年和 2020 年的论文中展示了在全球范围内使用全 3D 波模拟和数据对地震参数的敏感性的可行性。现在，是时候使用更好的参数化来描述逆问题中地球内部的物理学了，”她说。

在 2021 年 12 月的地球物理联合会秋季会议上，博兹达格，博士后研究员 Ridvan Örsvuran，博士。来自 KAUST 的学生 Armando Espindola-Carmona 和计算地震学家 Daniel Peter 以及合作者展示了他们为模拟衰减(一种测量地震波在地球内传播时的能量损失和方位各向异性)进行全球全波形反演所做的努力的结果。除了在第一代 GLAD 模型中考虑的径向各向异性之外，还包括波速随方位角传播方向变化的方式。

他们使用来自 300 次地震的数据来构建新的全球全波反演模型。“我们更新了这些地球模型，以便迭代地最小化观测数据和模拟数据的差异，”她说。“而且我们试图了解我们的模型参数(弹性和非弹性)如何相互权衡，这是一项具有挑战性的任务。”

这项研究得到了国家科学基金会 (NSF) 职业奖的支持，并由德克萨斯高级计算中心的 Frontera 超级计算机(是所有大学中最快的，也是世界上第 13 位最快的)以及 Cineca 的 Marconi100 系统支持，最大的计算中心。

“通过访问 Frontera、来自世界各地的公开数据以及我们建模工具的强大功能，我们已经开始在我们的全球全波反演模型中接近尺度的分辨率，”她说。

Bozdag 希望对地幔柱的起源和上地幔的含水量提供更好的约束。此外，“为了准确定位地震和其他震源，确定地震机制并将它们与板块构造更好地关联起来，你需要拥有高分辨率的地壳和地幔模型，”她说。

从最深的海洋到外太空

Bozdag 的工作不仅与地球相关。作为对火星内部建模的科学团队的一员，她还与 NASA 的 InSight 任务分享了她在数值模拟方面的专业知识。

首次受地震数据约束的火星地壳初步细节于 2021 年 9 月发表在《科学》杂志上。Bozdag 与 InSight 团队正在继续分析火星地震数据，并解决从地壳到地球内部的细节。借助在 Frontera 上执行的 3D 波模拟的核心。

火星的工作揭示了地球某些地方，特别是海洋之下的数据匮乏。“我们现在有来自其他行星的数据，但由于缺乏仪器，在海洋下方获得高分辨率图像仍然具有挑战性，”博兹达格说。

为了解决这个问题，她正致力于将来自新兴仪器的数据整合到她的模型中，作为她 NSF 职业奖的一部分，例如来自被称为 MERMAIDs(独立潜水员在海洋区域进行移动地震记录)的浮动声学机器人的数据。这些自主潜艇可以捕捉海洋中的地震活动并上升到海面，将这些数据提供给科学家。

地震社区访问

2021 年 9 月，Bozdag 与 Carl Tape(阿拉斯加大学费尔班克斯分校)合作，参与了获得 320 万美元 NSF 奖励的团队成员，该团队为地震学界创建了一个名为 SCOPED(用于增强发现能力的地震计算平台)的计算平台、Marine Denolle(华盛顿大学)、Felix Waldhauser(哥伦比亚大学)和 Ian Wang(TACC)。

“SCOPED 项目将建立一个由 Frontera 支持的计算平台，为地震界提供数据、计算和服务，以促进教育、创新和发现，”TACC 研究助理和该项目的联合首席研究员王说. “TACC 将专注于开发核心网络基础设施，服务于计算和数据密集型研究，包括地震成像、波形建模、环境噪声地震学和精确地震监测。”

Bozdag 小组的另一个面向社区的项目是博士。学生 Caio Ciardelli 最近发布的 SphGLLTools：大型地震模型文件的可视化工具箱。基于工具箱有助于轻松绘制和与社区共享全球伴随断层扫描模型。该团队于 2022 年 2 月在Computers & Geosciences中描述了该工具箱。

“我们提供了一整套计算工具来可视化我们的全球伴随模型，”Bozdag 说。“有人可以将我们基于 HPC 模拟的模型转换成一种格式，以便在个人计算机上将它们可视化，并使用协作笔记本来理解每个步骤。”

NSF 地球物理项目主任 Robin Reichlin 说：“有了新的、改进的全波形模型;降低社区数据访问和分析门槛的工具;以及一个超级计算平台，使地震学家能够发现地球的奥秘。和其他行星深处的内部一样，Bozdag 正在将这个领域推向更精确、更开放的领域。”