ISMAR CNR BOLOGNA DUCK - 10 Novembre 2010 Modellazione 3-D di flusso del mantello sub-litosferico lungo le Dorsali Medio-Oceaniche (Serpentinizzazione.

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1 ISMAR CNR BOLOGNA DUCK - 10 Novembre 2010 Modellazione 3-D di flusso del mantello sub-litosferico lungo le Dorsali Medio-Oceaniche (Serpentinizzazione e scambi di Mg, H 2 O e CO 2 tra il mantello terrestre e gli oceani). Altre possibili applicazioni di calcolo distribuito GRID/CLOUD per le Scienze delle Terra Ovvero la parallelizzazione di applicativi e la loro distribuzione su n-nodi di calcolo GRID(CLOUD) Marco Ligi, Giovanni Bortoluzzi, Marco Cuffaro, Giuseppe Stanghellini & Paolo Veronesi

2 ISMAR CNR BOLOGNA Il fondo degli oceani (2/3 della superficie del pianeta) e' costituito principalmente da litosfera oceanica I processi di formazione (flusso di mantello, migrazione ed estrazione di fuso, accrezione crostale) e sua distruzione sono centrali per comprendere la dinamica e la evoluzione del pianeta (distribuzione continenti/oceani, sismicita' e vulcanesimo, catene montuose e fosse oceaniche etc)

3 Sistema dorsali oceaniche del pianeta Terra e distribuzione delle venute idrotermali lungo le dorsali medio-oceaniche

4 Reazioni tra acqua marina e rocce del mantello portano alla serpentinizzazione delle peridotiti (principale costituente del mantello terrestre). Queste reazioni contribuiscono ai cicli globali di Mg, H 2 O e C. Obiettivi: 1.Valutare la distribuzione di peridotiti del mantello nei bacini oceanici 2.Stimare la quantita’ di peridotiti che annualmente serpentinizza sul o sotto il fondo oceanico 3.Stimare quantitativamente il contributo ai cicli globali di Mg, H 2 O e C del processo di serpentinizzazione 6 (Mg, Fe) 2 SiO 4 + 7 H 2 O = 3 (Mg, Fe) 3 SiO 2 (OH) 4 + Fe 3 O 4 + H 2 (1) CO 2 + 4 H 2 = CH 4 + 2 H 2 O (2) 6.15 Mg 2 SiO 4 +6H 2 O = 2Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 2 + 4.3MgO +2.15SiO 2 (3)

5 Litosfera oceanica: modelli di Hess, Penrose “crosta stratificata” e Crosta eterogenea. La crosta oceanica nel modello di Hess e’ costituita da basalti e serpentini; nel modello di Penrose e’ costituita da rocce magmatiche (basalti e gabbri); mentre nel modello di crosta eterogenea, i principali costituenti sono basalti, peridotiti serpenitinizzate ed intrusioni gabbroiche. Il processo di serpentinizzazione richiede che siano verificate 3 condizioni: Presenza di peridotite Presenza di acqua Temperatura al di sotto dei 500°C

6 La produzione di crosta e’ funzione della velocita’ di espansione della dorsale

7 La produzione di crosta lungo un segmento di dorsale oceanica e’ fortemente ridotta in prossimita’ delle intersezioni dorsale-trasforme e dipende dalla lunghezza della dislocazione

8 ISMAR CNR BOLOGNA Sono state sviluppate da anni in ISMAR procedure numeriche per lo studio dei processi litosferici, che risolvono la produzione e composizione di fuso al di sotto di una generica geometria dorsale-trasforme-dorsale, in funzione di velocita' di espansione, lunghezza dei segmenti di accrezione e di quelli conservativi, temperatura potenziale, composizione e proprieta' geochimiche e fisiche del mantello (tipi di roccie, densita' etc). La soluzione del problema 3D e' in tre passaggi in cascata: 1. soluzione della equazione di Stokes(flusso stazionario) 2. determinazione della struttura termica del mantello 3. modellazione della generazione di fuso

9 1.Soluzione della equazione di Stokes (flusso stazionario) Si usano tecniche pseudo-spettrali (soluzioni semi-analitiche) e facilmente parallelizzabili, per ottenere il il campo di flusso del mantello sotto l'assunzione che il mantello si comporti come fluido viscoso e fluisca in modo passivo in risposta al movimento delle placche litosferiche rigide sovrastanti 2. Determinazione della struttura termica del mantello Viene risolta (alle differenze finite) la struttura termica del mantello attraverso l’ equazione stazionaria di trasporto e conduzione del calore (input le velocita' di flusso calcolate con la procedura 1, e condizioni al contorno una definita distribuzione di temperatura in superficie e alla base dell’astenosfera (z=150km). 3. Modellazione del fuso Si modella la generazione di fuso includendo gli effetti dell'acqua sul solidus della peridotite usando una parametrizzazione di dati sperimentali tenendo in considerazione gli effetti della variazione del coefficiente di distribuzione solido-fuso dell'acqua e con diversi regimi di fusione.

10 Geometrie e condizioni al contorno per modelli di flusso passivo del mantello. (a) Litosfera a spessore costante sopra un semispazio omogeneo pieno di un fluido isoviscoso. Il moto del fluido e’ indotto dal movimento delle placche rigide sovrastanti. (b) Litosfera a spessore costante sopra un mantello con una distribuzione della viscosita’ a strati. (c) Litosfera con spessore che cresce con la distanza dall’asse della dorsale. La base della litosfera (rigida) viene assunta con la profondita’ di una data isoterma (600°C- 800°C). (d) Sistema cartesiano di riferimento e geometria e scala del modello.

11 Regimi di fusione parziale del mantello

12 Esempio di modellazione Riferimenti: Ligi et. al. (2005) Water rich basalts at mid ocean ridge cold spots. Nature, 434,2005. Ligi et al., (2008) Three Dimensional passive mantle flow beneath Mid-Ocean Ridges: an analytical approach. Geophys. J. Int.,175. Topografia multibeam e produzione di fuso lungo il segmento di dorsale Medio- Atlantica intersecante il settore orientale della trasforme Romanche.

13 Parametrizzazione ed implementazione per il calcolo distribuito for geometry of plates (model sizes, offset lengths, plate velocities,..) { for (T_Pot=T_Low,T_High, T_Pot+=T_Inc) { MantleFlow (H(x,y)=0; Thin Plate model) → V i Thin (x,y,z) con i=x,y,z volume di dati per ogni componente di velocita’ (8-9 ore); UpwSor (V i Thin ) → Temp Thin (x,y,z) (5-6 ore); GetLitho (Temp Thin ) → H(x,y) Base della litosfera (i.e. isoterma 600°C); MantleFlow (H(x,y); Thickening plate model) → V i Thick (x,y,z) (8-9 ore); UpwSor (V i Thick ) → Temp Thick (x,y,z) (5-6 ore); for melting parameters (melting regimes, mantle composition,..) { MeltModel (Temp Thick,V i Thick ) → M_Fnc(x,y,z);M_Rate(x,y,z) (18-26 ore); } } }

14 La applicazione viene parallelizzata da computers abilitati al GRID tramite terminale mediante Uno script bash, in grado di generare n x m scripts (velocita' di espansione x offsets) scripts autonomi per la esecuzione (con codici eseguibili e generazione locale dei dati) e la gestione sul GRID tramite scripts JDL guidati da 'templates' Comandi JDL per il controllo della esecuzione e la gestione e il recupero dei dati (circa 500MB a singolo job) In locale i dati vengono visualizzati tramite scripts che producono immagini direttamente utilizzabili per il controllo delle procedure o per pubblicazioni. I codici sono Fortran 77, C, Perl, bash in ambiente non proprietario (Unix, Linux)

15 Risultati della modellazione Thin plateThickening plate

16 Risultati della modellazione Thin plateThickening plate

17 Risultati della modellazione

18 ISMAR CNR BOLOGNA IL TEMPO COMPLESSIVO PER L’ ESECUZIONE DEI TRE APPLICATIVI E' DI CIRCA 2 GIORNI SU UN CORE DI UNA CPU DI ULTIMA GENERAZIONE. IL VARIARE DEI PARAMETRI E DELLE CONDIZIONI AL CONTORNO DEL MODELLO PER VALUTARE LA PRODUZIONE E LA COMPOSIZIONE DEL FUSO AL DI SOTTO DI UNA DORSALE MEDIO-OCEANICA COMPORTA DIVERSI MESI DI CALCOLO SU UNA SINGOLA CPU. LA PARAMETRIZZAZIONE DELLE CONDIZIONI AL CONTORNO E L’UTILIZZO DI CALCOLO DISTRIBUITO PERMETTE L’ESECUZIONE DI N-PROBLEMI NEL TEMPO DI UN SINGOLO PROBLEMA.

19 Altre possibili applicazioni Stress litosferico e faglie trasformi

20 Altre possibili applicazioni Batimetria Multibeam (Es. Mar Tirreno)

21 Altre possibili applicazioni Modellistica idrodinamica agli elementi finiti (onde, correnti, maree, erosione e trasporto di sedimenti)