Publication Date:
2021-03-29
Description:
In der vorliegenden Arbeit werden anomale Laufzeitdifferenzen zwischen den Mantel- und Kernphasen S, Sdiff, SKS und SKKS mit lateralen Geschwindigkeitsperturbationen gegenüber dem Standarderdmodell PREM erklärt. Das Datenmaterial kommt Überwiegend von 24 Tiefherdbeben der Tonga-Fiji-Herdregion, die weltweit an den Stationen der Seismometernetze WWSSN (World Wide Standard Seismograph Network) , CSN (Canadian Seismograph Network) und GDSN (Global Digital Seismograph Network) beobachtet wurden. Die meisten Beobachtungen liegen für den Laufweg von Tonga-Fiji nach Nordamerika vor. Für entsprechende Strahlwege der S-Phasen betragen die Laufzeitdifferenzresiduen gegenüber PREM bis zu 10 sec.
Den Hauptteil dieser Arbeit bildet die Inversion dieser Laufzeitdifferenzbeobachtungen mit der generalisierten Matrixinversion.
Dabei stellt sich die Mehrdeutigkeit der Inversionsergebnisse heraus. Die beobachteten Residuen lassen sich mit drei unterschiedlichen Modelltypen erklären:
a) Die lateralen Heterogenitäten liegen auf dem Weg der S-Phasen von der Herdregion zur Kern-Mantel-Grenze (KMG) nordöstlich von Tonga-Fiji.
b) Die lateralen Heterogenitäten liegen in einer langgestreckten horizontalen Zone im untersten Mantel oberhalb der KMG.
c) Die lateralen Heterogenitäten liegen in einer langgestreckten horizontalen Zone im untersten Mantel und im obersten Bereich des äußeren Erdkerns.
Die gefundenen Modelle weisen Geschwindigkeitsperturbationen zwischen -4% und +3% gegenüber PREM auf. Für jeden Modelltyp wird ein Beispiel ausführlich diskutiert. Gemeinsam ist allen Modellen eine großräumige
entlang der Laufwege von negative S-Geschwindigkeitsanomalie
S und Sdiff im untersten Mantel nordöstlich von Tonga-Fiji. Gemeinsam ist ihnen weiterhin, dass alle lateralen Heterogenitäten deutlich kleinräumiger strukturiert sind, als im bekannten an der Harvard-Universitat erarbeiteten
tomographischen Bild der Erde. Im übrigen kann das Harvard-Modell die beobachteten Residuen genausowenig wie PREM erklären.
Um die Mehrdeutigkeit der Inversion einschränken zu können, wurden für alle Modelle theoretische Seismogramme mit der Gauss-Beam-Methode berechnet. Aus den theoretischen Seismogrammen wurden SKS/SKKS-Amplitudenverhältnisse abgelesen und mit beobachteten SKS/SKKS-Amplitudenverhältnissen verglichen. Keines der Modelle kann die beobachteten Amplitudenverhältnisse besser erklären als PREM - Modelltyp c) ist sogar deutlich schlechter. Alle drei vorgestellten Modelle verschieben den Beginn des strahlenseismischen Kernschattens für die S-Wellen
in größerere Entfernung. Dieser Effekt ist für die drei Modelle unterschiedlich stark ausgeprägt; am geringsten ist er für das Modell vom Typ b) . Weil aber an den beobachteten Seismogrammen in Nordamerika keine Verschiebung des Kernschattens zu erkennen ist, sprechen die Modelleffekte gegen die Modelle vom Typ a) und vom Typ c). Die theoretischen Seismogramme für Modell S3M31 vom Modelltyp b) sind am ehesten mit den Beobachtungen zu vereinbaren, weshalb diesem Modell als Erklärung der Tonga-Fiji-Anomalie der Vorzug gegeben wird.
Description:
In this thesis anomalous travel-time differences between the phases S, Sdiff, SKS and SKKS are explained by lateral velocity perturbations with respect to the standard earth model PREM. Most data are from 24 deep-focus earthquakes in the Tonga-Fiji source region and were observed at stations from the following networks: World Wide Standard Seismograph Network (WWSSN) , Canadian Seismograph Network (CSN) and Global
Digital Seismograph Network (GDSN). Most observations belong to ray paths from Tonga-Fiji to North-America. The residuals of the travel-time differences for these ray paths are up to 10 sec with respect to PREM.
The main part of this thesis is the inversion of these traveltime difference observations with the generalized matrix inversion method. It was found that the results of the inversion are non-unique. The observed residuals can be explained by three different model types:
a) The lateral heterogeneities are located along the ray paths of the S-phases from the source region down to the core-mantle boundary (CMB) northeast of Tonga-Fiji.
b) The lateral heterogeneities are located within an elongated horizontal zone in the lowermost mantle above the CMB.
c) The lateral heterogeneities are located within an elongated zone in the lowermost mantle and in the uppermost outer core.
The models show velocity perturbations from -4% to +3% with respect to PREM. For each model type one example is discussed in detail. The common feature of all models is a large negative S-velocity anomaly along the ray paths of S and Sdiff through the lowermost mantle northeast of Tonga-Fiji. A second feature of all models is, that the lateral heterogeneities are of smaller scale than in the well-known tomographic picture of the whole earth, derived by the Harvard seismological group. An important point is that the Harvard-model cannot explain the observed residuals better than PREM.
In order to limit the non-uniqueness of the inversion theoretical seismograms have been calculated with the Gaussian-beam method for all models. Amplitude ratios SKS/SKKS have been determined from the theoretical seismograms and compared with the observed amplitude ratios. None of the models can explain the observations better than PREM, and model type c) explains them significantly worse than PREM. All three models shift the boundary of the ray-theoretical core shadow for mantle S-waves to greater distances, but the amount is different for the different
models. The seismograms for models of type b) show the smallest shift. Because observed seismograms in North-America show no evidence for such a shift of the core shadow, model types a) and c) can be excluded as possible models for the lateral heterogeneities. The theoretical seismograms of model S3M31 of model type b) show the best agreement with the observations, and therefore this model is the preferred model
for the Tonga-Fiji anomaly.
Description:
research
Description:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (Mu 421/16-1, Mu 421/16-2); Hessische Graduierten Förderung
Keywords:
FID-GEO-DE-7
Language:
German
Type:
monograph_digi
Format:
134
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