Научные исследования

Цель моих исследований — лучше ограничить эволюцию недр теллурических тел на основе анализа (гео)физических данных, прежде всего сейсмических волновых форм.

За эти годы я разработал численные и теоретические методы инверсии волновых форм, учитывающие упругие и вязкоупругие свойства сред на разных масштабах, и применил их к реальным данным.

Один из моих главных вкладов — разработка так называемой box-томографии на нескольких масштабах. Она позволяет получить изображение локализованной области («коробки») по сейсмическим волновым формам, прошедшим не только через саму область, но и через её окружение.

Сначала я расскажу о финансировании, благодаря которому стали возможны мои исследования. Затем покажу серию работ по упругой и неупругой томографии микродинамики под Каролинской плитой, выполненных вместе с геодинамиками и петрологами. Далее сформулирую вопросы о методах, результатах и интерпретациях. Затем опишу набор теоретических и численных инструментов, созданный мной для решения разнообразных научных задач. Наконец, расскажу об исследовательском проекте, который я хотел бы реализовать с нынешними и будущими партнёрами.

Примеры применения box-томографии на разных масштабах: (a) в глобальной сейсмологии — использование телесейсмических событий для изображения локальных областей;
(b) под Каролинской плитой — одно- и трёхмерная инверсия волновых форм для Vs и Qs;
(c) одно- и трёхмерная инверсия для Vs в LLVP под Гавайями;
(d) переход к нейтринной томографии;
(e) ограничения на подъём частичного расплава под Реюньоном;
(f) трёхмерная томография Vp, Vs и плотности под Тибетским плато, недавно распространённая на вулкан Фудзи. *

Две трети моей аспирантуры финансировались JSPS (Японским обществом содействия науке). В Японии до начала 2010-х годов аспиранты не получали финансирования автоматически. Поэтому мне пришлось самому написать исследовательский проект, посвящённый развитию инверсии волновых форм для упругости и неупругости, — так я рано научился критически относиться к написанию научных заявок.

С 2012 по 2017 год я был сотрудником и главным ответственным за преподавание в консорциуме GPX, посвящённом разведочной геофизике. Консорциум развивал исследования и подготовку кадров на стыке университетов и промышленности. Мои теоретические работы по локализованной инверсии волновых форм и фундаментальной разработке расчёта синтетических сейсмограмм заложили основу моего нынешнего нового метода — оптимальных операторов для произвольных уравнений в частных производных.

Затем я участвовал в подготовительных исследованиях для сейсмометра марсианской миссии InSight, что привело меня к первому определению фокальных механизмов на Марсе с помощью моих методов инверсии.

Параллельно я получил несколько грантов на организацию международных воркшопов, которые дали начало долгосрочному сотрудничеству. Благодаря тесной работе с Фредериком Дешаном (Академия Синика) я участвовал в нескольких франко-тайваньских проектах, в рамках которых развил описанную ниже серию сейсмо-петрологических исследований. Это партнёрство позволило мне руководить моей первой официальной аспиранткой, С.-Т. Лай, в рамках программы MOPGA (Make Our Planet Great Again).

С 2022 года я младший член Institut universitaire de France (IUF) по направлению научной популяризации, что позволяет мне уделять время и исследованиям, и работе с широкой публикой.

Недавно я получил несколько аспирантских стипендий, в частности для изучения вулкана Фудзи. Также началось тесное сотрудничество с Вероник Ван Элевик, вместе с которой мы получили две постдокторские позиции по нейтринной томографии глубоких недр Земли на основе геофизических наблюдаемых.

Упрощённая схема серии томографических исследований мантии под Каролинской плитой. Наши томографические изображения в сочетании с петрологическими предсказаниями указывают на то, что глубинный мантийный плюм вблизи границы Тихоокеанской/Гавайской LLVP может выносить железо от границы ядра и мантии. В вышележащей переходной зоне выделяется более мелкий плюм, питающий хребет Эаурипик и, возможно, способствующий быстрой динамике Каролинской микроплиты.

В этом разделе я кратко представляю свои работы на основе инверсии волновых форм, разработанной мной за время карьеры, ограничиваясь серией томографических исследований верхней и нижней мантии под Каролинской плитой. Сверху эта микроплита окружена крупными древними плитами, а в основании мантии регион соответствует области низких скоростей поперечных волн (LLVP) под Гавайями. Мы получили изображение небольшого плюма, поднимающегося от основания мантии, вероятно богатого железом, который, возможно, поднимается вплоть до питания хребта Каролинской плиты и с большой скоростью толкает микроплиту на юг, приводя к субдукции типа roll-over.

Каролинская плита

Каролинская плита находится в особенно сложной геодинамической обстановке: окружённая Австралийской, Филиппинской и Тихоокеанской плитами, она расположена в зоне быстрой конвергенции с активными и древними зонами субдукции, трансформными границами, заброшенными рифтами и постоянной вулканической активностью. Крупная структура — хребет Эаурипик — пересекает центр плиты и представляет собой заметную топографическую и магматическую аномалию, которую интерпретируют либо как древний отмерший хребет, либо как след глубинного плюма или горячей точки.

Геометрия магнитных аномалий, батиметрия и такие структуры, как трог Сорол или желоба Новой Гвинеи, свидетельствуют о динамике, которая всё ещё плохо изучена и, возможно, связана с глубинным мантийным подъёмом от границы ядра и мантии.

Глубинное строение и Каролинский плюм

Мы провели в этом регионе серию сейсмотомографических исследований методом инверсии волновых форм, разработанным мной в аспирантуре и постдокторантуре. Этот подход позволяет с высоким разрешением получать изображения скорости поперечных волн Vs и добротности Qs, особенно чувствительных к температурным контрастам. По данным японской сети F-net для глубоких землетрясений в районах Тонга и Фиджи мы выявили выраженную локализованную аномалию Vs и Qs с центром под Каролинским плюмом.

Интерпретация указывает на локальный избыток температуры около 100 К в Тихоокеанской LLVP, а также на возможный вклад обогащённого железом вещества в плюме, несовместимый с чисто тепловой моделью. Анализ был распространён на другие регионы Тихого океана, чтобы подтвердить локальный характер этих аномалий. Геодинамическое и минералогическое моделирование указывает на возможное взаимодействие с границей ядра и мантии на высоту в несколько сотен километров.

Строение переходной зоны и верхней мантии

Наконец, мы провели инверсию времён пробега нескольких фаз методом Монте-Карло, чтобы ограничить строение переходной зоны мантии под Каролинской плитой. Итоговая модель, основанная на наборах данных SS и моделировании волновых форм, показывает аномально высокую скорость поперечных волн во всей верхней мантии. После нескольких геодинамических расчётов мы пришли к выводу, что наша сейсмическая модель указывает на возможную субдукцию плит типа roll-over от южной и, возможно, северной границы, а также на плюмообразные низкоскоростные аномалии, простирающиеся по меньшей мере до глубины 800 км под Каролинской плитой. Расчёты также показывают, что субдукция типа roll-over требует относительно быстрого напора плиты.

Хотя этот подход к локализованной томографии, box-томография, позволил прояснить некоторые ключевые для понимания мантийной динамики регионы, многое ещё предстоит улучшить или прояснить — как с научной, так и с технической точки зрения.

Одно из главных узких мест методики — пренебрежение неоднородностями за пределами «коробки». До сих пор мы использовали только одномерные сферические модели для моделирования волнового поля — и при расчёте частных производных волновых форм, и при восстановлении волнового поля на границах коробки. Мы оценили распространение ошибок, связанных с этим приближением, в декартовой постановке, но отсутствие строгого учёта внешних эффектов остаётся важным ограничением, которым в будущем нужно заняться всерьёз. Сопряжение метода спектральных элементов с моим методом DSM перспективно, но очень ресурсоёмко. В том числе ради решения этой задачи я недавно начал полную перестройку своего набора численных инструментов.

Кроме того, что касается подъёма Каролинского мантийного плюма, участок мантии на глубинах от 800 до 2500 км ещё предстоит изобразить, чтобы проверить возможную непрерывность плюмового канала от границы ядра и мантии до поверхности. Помимо наших работ по основанию плюма, у нас ещё не было возможности количественно интерпретировать полученные томографические модели, которые пока выражены лишь в сейсмологических параметрах, таких как Vs и Qs. Теперь необходимо сотрудничать с петрологами, геохимиками и геодинамиками, чтобы лучше интерпретировать и использовать структуры, выявленные сейсмологией. Для этого я предлагаю инновационный подход сейсмической фильтрации под названием SeLFiE.

Состояние моих кодов до 2023 года (слева) и недавняя разработка flexOPT.jl (справа). Рисунок показывает эволюцию моих инструментов — от исторических кодов на Fortran до универсальной метапрограммы на Julia, автоматически выводящей оптимальные операторы для произвольных УЧП.

Мой подход отличается от подхода других сейсмологов тем, что меня интересует динамика мантии и роль химических процессов в ней, и одновременно я разрабатываю численные схемы — как для инверсии, так и для прямого моделирования. Я анализирую данные и одновременно создаю теоретические и численные инструменты для их интерпретации.

Со времён аспирантуры я разработал множество кодов на основе метода прямого решения (DSM) в частотной области для сферических планет, а также конечно-разностных кодов во временной области с модифицированными операторами. Оба подхода опираются на общую теоретическую основу — оптимальные операторы. Значительную часть своей работы я посвятил численной реализации этой теории в специальных кодах.

Оптимальные операторы — это компактные операторы, которые при том же числе точек по пространству и времени обеспечивают более высокую точность, чем обычные. Однако общий метод их вывода никогда не был сформулирован систематически. Я сам участвовал в оптимизации операторов для спектральных элементов, не представляя, что общий рецепт вообще достижим.

Большинство этих кодов было написано на Fortran, и поддерживать их оказалось трудно: отдельный код под каждую задачу, долгая и утомительная отладка. Поэтому недавно я решил начать с нуля и создать единую метапрограмму для множества сценариев. Язык Julia стал естественным выбором благодаря возможностям метапрограммирования, символьных вычислений и удобной интеграции с современными инструментами, такими как MPI или GPU.

Работая над этим проектом с Тибо Дюрецем, который предложил несколько тестовых уравнений и пути оптимизации кода, я смог формализовать общий метод автоматического вывода оптимальных операторов для произвольных уравнений в частных производных. Препринт с описанием подхода подан в Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering.

Параллельно с тестированием и бенчмаркингом код flexOPT.jl уже используется для решения различных уравнений в частных производных — в частности, моей аспиранткой Хесане Мохаммади в проекте томографии вулкана Фудзи, где он сравнивается с другими эталонными кодами.

Схема исследовательских проектов, которые я хотел бы реализовать.
Слева: совершенствование томографии волновых форм от глобального до локального масштаба с учётом эффектов вне коробки.
В центре: литологическая интерпретация и сейсмологическая фильтрация в подходе SeLFiE.
Справа: моделирование мантийной конвекции и создание виртуальных Земель, для которых можно рассчитать сейсмические и нейтринные наблюдаемые.

Как уже говорилось, несколько проектов естественно продолжают мои исследования. Теперь, когда мой проект модернизации и демократизации оптимальных операторов достиг зрелости, пришло время в полной мере использовать эти результаты, чтобы по-новому взглянуть на сейсмологические и другие данные и попытаться ответить на некоторые большие вопросы наук о Земле: как эволюционировали планеты с момента образования Солнечной системы и как они будут эволюционировать дальше? Что делает нашу планету столь уникальной среди соседей?

Box-томография основана на предположении, что падающее волновое поле можно оценить с достаточной точностью — либо по одномерной эталонной модели Земли, либо считая падающие волны плоскими. Это приближение достаточно хорошо работает для некоторых изолированных первых вступлений объёмных волн, таких как прямые P, PKP или S. Однако на высоких частотах его уже недостаточно, так как когерентность глобального волнового поля больше не гарантирована.

Чтобы обойти это ограничение, я предлагаю использовать несколько более реалистичных томографических моделей, например SEISGLOB2, которые точнее описывают распространение сложных волн, особенно в регионах, где неоднородность мантии сильно влияет на наблюдаемые фазы. Чтобы лучше ограничить неопределённости, я буду использовать несколько моделей, полученных по разным наблюдаемым, например по поверхностным волнам или временам пробега объёмных волн.

Таким образом, я обновлю свой метод box-томографии с учётом неоднородностей за пределами исследуемой области. Синтетические тесты уже проводились в декартовой постановке, но применение метода в глобальной сейсмологии будет впервые. Новая версия box-томографии требует решателей, способных моделировать трёхмерные среды в двух вложенных областях (глобальной и локальной), что и стало причиной разработки flexOPT.jl.

В частности, я буду исследовать фазы, позволяющие изобразить область от основания мантии до поверхности Каролинской плиты, для Vs, Qs, Vp, Qp, а на втором этапе — анизотропию. Это поможет понять динамику изображённого мной плюма от основания мантии до верхней мантии. Область под Каролинской микроплитой может оказаться никогда ранее не наблюдавшейся, экзотической с геодинамической точки зрения сценой на краю Гавайской LLVP.

Я также планирую применить метод к другим геодинамически активным регионам, в частности к верхней мантии и переходной зоне под Японией, Реюньоном и Тибетским плато.

Используя глобальные модели для уточнения локального изображения внутри коробок, мы сможем шаг за шагом повышать разрешение глубоких недр Земли. Однако хорошо известно, что инверсия волновых форм сильнее страдает от неединственности и нелинейности, чем инверсия вторичных атрибутов, таких как дисперсия поверхностных волн или времена пробега. Поэтому крайне важно начинать с реалистичных начальных моделей. Я также продолжу интерпретировать томографические модели вместе с петрологами, переводя их в физико-химические параметры, более значимые для ограничения мантийной динамики.

В последнее время физики высоких энергий заинтересовались использованием осцилляций нейтрино, проходящих через недра Земли, для изучения её строения. С 2022 года мы с Вероник Ван Элевик совместно руководим двумя постдоками и работаем над формализацией обратной задачи для таких данных. Мы оцениваем чувствительность этих наблюдений к внутреннему строению Земли.

Нейтрино рождаются в атмосфере при взаимодействии космических лучей с атмосферными частицами и затем проходят сквозь Землю. Их взаимодействие с веществом чрезвычайно слабое, но, распространяясь почти со скоростью света, они могут менять аромат через механизм осцилляций, чувствительный к электронной плотности вдоль пути. Поскольку водород-1 — практически единственный атом без нейтронов, такие наблюдения могли бы косвенно ограничить содержание воды в недрах Земли, хотя пространственное разрешение ограничено масштабами более 1000 км.

Для моделирования осцилляций ароматов мы используем код EarthProb — специализированную версию программы OscProb. Я встраиваю этот код в среду моделирования и инверсии flexOPT.jl, чтобы исследовать более гибкие постановки обратной задачи.

Кроме того, будущий нейтринный детектор нового поколения Hyper-Kamiokande, запуск которого в Японии запланирован на 2027 год, должен значительно улучшить разрешение и диапазон регистрируемых энергий. Этот инструмент может коренным образом изменить наши возможности зондирования недр Земли этим методом.

Что если бы мы смогли изобразить недра Земли с разрешением в несколько сантиметров? Была бы это окончательная победа? Даже если удастся лучше ограничить внутреннюю динамику инверсией геофизических данных, понимание эволюции глубоких недр Земли — это совсем другая обратная задача, на этот раз с практически неограниченным числом параметров.

Один из давних больших споров в геодинамике касается происхождения LLVP: имеют ли они чисто тепловую или термохимическую природу? Иначе говоря, является ли мантийная конвекция чисто тепловой, или химия играет в ней ключевую роль? Чтобы разрешить такие вопросы, обратная задача переформулируется как задача классификации.

В этом контексте имеет смысл напрямую сопоставлять наблюдаемые сейсмические данные с данными, предсказанными геодинамическими моделями. На практике это означает цепочку моделирования от геодинамики до расчёта волновых форм. Я назвал этот процесс SeLFiE: Seismic and Lithological Filtering of Earth’s (and planets’) models. Идея в том, чтобы сравнивать сейсмические сигналы, рассчитанные по «снимкам» численных моделей Земли, с сигналами реальной Земли — словно мы делаем селфи недр нашей планеты.

У меня уже есть несколько коллекций глобальных двух- и трёхмерных моделей тепловой конвекции, и недавно я добавил в flexOPT.jl функции для их чтения. Это позволяет визуализировать тепловые и химические поля, включая циркуляцию воды в мантии или подъём железа от её основания.

Затем совместно с петрологами мы переводим эти модели в физические параметры, важные для распространения сейсмических волн, — плотность, скорости Vp и Vs, анизотропию, затухание — исходя из фаз in situ. Этот пересчёт учитывает неопределённости с помощью таблиц соответствия (look-up tables).

По этим моделям мы рассчитываем синтетические сейсмограммы и извлекаем из них признаки (features) волновых форм для классификации или обучения с учителем методами искусственного интеллекта. Коды, доступные на Python, могут быть интегрированы в экосистему Julia.

После стажировки M2, которой я руководил вместе с Ёсукэ Аоки в 2022 году, меня интересуют строение и сейсмическая активность вулкана Фудзи. Вопреки первому впечатлению, Фудзи не получает того внимания, которого заслуживает. В Японии из-за частых извержений наблюдают за более чем 100 активными вулканами, тогда как Фудзи не извергался более 300 лет. Это затишье затрудняет его изучение для вулканологов — но не для сейсмологов.

Затем я получил аспирантскую стипендию CNRS-MITI для Хесане Мохаммади под совместным руководством Стефани Дюран и меня. Проект посвящён трёх- и четырёхмерной сейсмической томографии Фудзи. Мы планируем провести box-томографию на очень высоких частотах (> 2 Гц), чтобы изобразить первые 50 км под вулканом. В этом случае одномерные или стандартные томографические модели для расчёта волновых полей вне коробки неприменимы. Поэтому я предлагаю оценить применимость приближения плоских волн для изолированных вступлений, таких как P- и S-волны. После этого мы попытаемся выполнить обратное распространение волновых форм низкочастотных землетрясений (LFE) под вулканом.

Параллельно вместе с Беатрис Пюисегюр и Манон Далезон в рамках аспирантуры Лоретт Дрик запущен проект по разработке набора инструментов для уменьшения ошибок на изображениях InSAR, вызванных растительностью. Хотя эта тема напрямую не связана с Фудзи, мы планируем применить эти методы на третьем году аспирантуры, чтобы проанализировать возможные деформации в окрестностях вулкана.

Распространение методологии SeLFiE на планетологию, чтобы различать сценарии термохимической эволюции Земли, Марса и Луны на основе численных моделей и признаков, извлечённых искусственным интеллектом или в рамках гражданской науки.

В некоторых проектах я продолжаю время от времени работать с марсианскими данными InSight. В проекте FSS (FarSide Suite) на Луне в 2026 году я буду научным и художественным соавтором.

Мы предложим метод фильтрации SeLFiE для трёх теллурических тел. Мы соберём одно-, двух- и трёхмерные сценарии остывания магматического океана и мантийной конвекции для Земли, Марса и Луны на основе геофизических, геохимических и петрологических наблюдений. Затем численно (через моделирование мантийной конвекции) или концептуально построим модели современных планет, уделяя особое внимание геометрии частично расплавленных слоёв или плюмов в основании мантии.

Мы переведём эти модели в вязкоупругие параметры, чтобы смоделировать сейсмические волны для разных сценариев и рассчитать с помощью flexOPT.jl ядра чувствительности, предсказывающие фазы, чувствительные к строению основания мантии.

Мы сравним синтетические сейсмологические данные, несущие информацию об основании мантии трёх тел, с наблюдаемыми данными. Это позволит оценить состоятельность предложенных моделей и уточнить наше понимание этих глубинных структур.

Затем мы классифицируем данные по сценариям с помощью искусственного интеллекта, максимально повышая способность различать сценарии формирования мантии.

Параллельно мы организуем научно-популярную выставку, посвящённую прослушиванию звуков, — популяризационные концерты и сеансы прослушивания синтетических и наблюдённых данных — с опорой на психологию когнитивного контроля, а также чтобы обогатить наши исследования данными, собранными у широкой публики.