Hochauflösende Untersuchungen der oberen Manteldiskontinuitäten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt sollten seismische Diskontinuitäten im oberen Erdmantel bzw. der Mantelübergangszone untersucht werden. Untersuchungen speziell der Struktur der Diskontinuitäten im oberen Erdmantel in unterschiedlichen tektonischen Regionen können Aufschlüsse über thermische, dynamische und chemische Zustände im Erdmantel liefern. Die Diskontinuitäten im oberen Mantel, die durch Mineralphasenübergänge erzeugt werden, wurden daher in mehreren tektonisch unterschiedlichen Regionen untersucht. Dabei fokussierten wir und auf eine Subduktionsregion (Himalaya) einen Kraton (Sibirien) einen Aufstrom (Hawaii) und eine tektonisch relativ inaktive Region (Nordatlantik). Mit Hilfe von hochauflösenden seismischen Arraymethoden und Experimenten zur Mineralphysik haben wir die kleinskaligen Strukturen und lokale Variationen in verschiedenen Regionen bestimmt. Dabei wurde vor allem die Diskontinuität bei 410 km Tiefe untersucht, da die Reflektionen von der 660 km tiefen Diskontinuität weniger oft sichtbar sind. Die Interpretation der Resultate für die Tiefe der Diskontinuitäten hinsichtlich der Druck und Temperaturbedingungen wurden untersucht und es zeigte sich eine Abhängigkeit von vor allem der Temperatur des Mantels. In manchen Regionen spielten jedoch auch laterale Änderungen der Mineralogie eine Rolle. Bei der Untersuchung der Daten zeigte sich, dass in vielen Datensätzen keine PP Vorläufer von den Manteldiskontinuitäten sichtbar waren. Dieses war vor allem für die 410 km Diskontinuität erstaunlich da dieser Phasenübergang global vorhanden sein sollte. Wir haben daher Einflüsse der Mantelzusammensetzung auf die Reflektionskoeffizienten untersucht, welche zeigen, dass Pyrolite eine bessere Erklärung für die beobachteten Amplitude ist als andere Standardmodelle aber es konnte damit nicht gezeigt werden, dass Vorläufer unsichtbar werden. Daher wurde in einer synthetischen Modellierungsstudie die Topographie der Diskontinuität und deren Einfluss auf das Wellenfeld untersucht. Es zeigte sich, dass die Amplitude des Vorläufers stark vor allem von den Flanken der Topographie beeinflusst wird und komplexe Topographie einen scheinbar nicht kontinuierlichen Reflektor erzeugen kann. Als letztes wurde der Einfluss von Kinetik des Phasenübergangs auf die Strukturen in der Mantelübergangszone untersucht. Hier wurde dazu der Phasenübergang an der Diskontinuität in 660 km im Detail untersucht. Basierend auf Experimenten von D. Dobson (UCL) wurden die seismischen Geschwindigkeiten und Dichten aus den experimentalen Daten in Zusammenarbeit mit D. Dobson errechnet und die Eigenschaften der seismischen Wellen modelliert. Es zeigt sich eine starke Korngrößenabhängigkeit der Effekte. Das kinetische Wachsen von Ringwoodite an der 660 km Diskontinuität ist verzögert und daher entsteht eine Niedriggeschwindigkeitszone direkt oberhalb der Diskontinuität, welche die Wellenformen der seismischen Wellen verändert. Bei dieser Beeinflussung der Wellenformen durch die Änderung der seismischen Strukturen konnte eine starke Frequenzabhängigkeit beobachtet werden. Dieses kann möglicherweise als diagnostische Beobachtung in der Zukunft benutzt werden, um die Phasenübergänge zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2014, Mantle transition zone structure beneath India and Western China from migration of PP and SS precursors, Geophys. J. Int., 197, 396-413
Lessing, S., Ch. Thomas, S. Rost, L. Cobden, D. Dobson
