Numerical modelling of mantle convection in the Earth using cloud technologies

Abstract

Приведен пример реализации опытного фрагмента кластера обработки геофизических данных в модели облачных технологий. Предложенная архитектура позволила уменьшить время на проведение научных исследований и численное моделирование за счет сокращения сроков реконфигурирования вычислительных ресурсов в соответствии с требованиями экспериментов. В качестве примера апробации решения выбрана задача численного моделирования сферической мантийной конвекции на основе данных сейсмической томографии. Уравнение Стокса решается методом конечных элементов с помощью программного кода CitcomS. Представлены результаты трехмерного моделирования глобальной мантийной конвекции. Расчеты демонстрируют структуру мантийных течений в современной Земле. Под континентами, кроме Восточной Африки, Юго-Восточной и Восточной Азии и Западной Антарктиды, находятся нисходящие мантийные потоки и отрицательные аномалии температуры. Нисходящий мантийный поток под Евразией и восходящий поток под Арктикой толкают Северную Евразию на юг, порождая напряжения в коре и процессы горообразования внутри Евразии. Еще один мощный нисходящий мантийный поток возникает между Америками в Карибской зоне субдукции. Древние кратоны характеризуются холодными областями мантии под ними. Под Восточной Африкой находятся положительная температурная аномалия и восходящий мантийный поток, ответственный за систему рифтов на поверхности африканского континента. Похожая аномалия обнаруживается и в районе Байкальской рифтовой зоны. Глобальный восходящий поток находится под Тихим океаном. We present an example of the realization of a geophysical data processing cluster in a cloud technology model. Cloud technologies can increase the efficiency of computing resources due to their virtualization and ensuring elasticity. The proposed architecture allows reducing the time of numerical modelling by decreasing the time on reconfiguring computing resources in accordance with research requirements. As an example of testing the solution, the problem of numerical modelling of spherical mantle convection based on seismic tomography data was taken. The Stokes equation is solved by the finite element method using CitcomS code. The results of three-dimensional modelling of global mantle convection are presented. Calculations demonstrate the structure of mantle flows in modern Earth. Under the continents, with the exception of East Africa, Southeast and East Asia and West Antarctica, there are downward mantle flows and negative temperature anomalies. The descending mantle flow under Eurasia and the ascending flow under the Arctic push North Eurasia to the south, is causing stresses in the crust and orogenic processes within Eurasia. Another powerful downward mantle flow occurs between North and South America in the Caribbean subduction zone. Ancient cratons are characterized by cold regions in the mantle beneath them. Under East Africa, there is a positive temperature anomaly and an upward mantle flow, responsible for the East African Rift System. A similar anomaly is also found in the Baikal rift zone. A global ascending mantle flow forms under the Pacific Ocean.