Untersuchung der Anisotropie der Mantelübergangszone mit PP und SS Vorläufern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes haben wir den Einfluss von seismischer Anisotropie in der Mantelübergangszone auf seismische Wellen untersucht. Seismische Anisotropie kann durch Deformation bzw. Ausrichtung von Mineralien durch z.B. Konvektionsströmungen erfolgen und äußert sich in einer Richtungsabhängigkeit der seismischen Geschwindigkeiten. Die Hypothese dieses Projektes war, dass seismische Wellen, reflektiert an der Unterseite der Manteldiskontinuitäten in 410 und 660 km Tiefe (PP und SS Vorläufer), eine Änderung der Polarität und/oder Amplitude mit der Ausbreitungsrichtung zeigen und damit Hinweise auf die Deformation geben können. Das Haupt-Zielgebiet war der Atlantik, da dort relativ wenig tektonische Regionen zu finden sind und wir damit den "Normalzustand" des Mantels untersuchen können. Ein großer Datensatz aus Erdbebenquellen und seismischen Arrays wurde mit Hilfe von Arraymethoden untersucht. Kreuzende Pfade waren ein wichtiger Gesichtspunkt, da die Richtungsabhängigkeit der Amplitude und Polarität Aufschluss über die Deformation in der Mantelübergangszone geben kann. In unserem Datensatz zeigte sich dabei, dass die Tiefe der Manteldiskontinuität bei 410 km eine starke Änderung in den Bereichen der Hotspots (Azoren, Kanaren und Kapverden) zeigte, die untere Mantelübergangszonendiskontinuität dagegen im gesamten Bereich flacher war als 660 km Tiefe. Dieses Interpretieren wir als eine warme Region unter der Mantelübergangszone, aus der die drei heißen Aufströme aufsteigen und die Azoren, Kanaren und Kapverden bilden. Wir haben den Datensatz auch auf tieferliegende Schichtung untersucht und einen Reflektor bei ca. 1000km Tiefe mit einer starken Topographie bei 10 Grad Nord gefunden (von 900 auf 1200 km Tiefe). Modellierungen zeigen, dass eine solche Topographie, trotz der großen Fresnelzone, welche die Auflösungsgrenze der Wellen beschreibt, detektiert werden kann. Zur Untersuchung er Deformation in der Übergangszone wurden dann die Daten der Vorläufer auf Polarität untersucht. Es zeigte sich in einigen Fällen eine Polarität der Vorläufer, die anders war als die Hauptphase (PP oder SS). Die Polarität schien jedoch nicht richtungsabhängig, sondern distanzabhängig zu sein, daher wurden Berechnungen des Reflexionskoeffizienten an der Diskontinuität in 410 km Tiefe (Olivin zu Wadsleyit) für die Mineralien mit unterschiedlichem Eisen und Wassergehalt durchgeführt. Es zeigte sich, dass bei einigen Kombinationen von Eisen-angereichertem Olivin und wasserhaltigem Wadsleyit eine Distanzabhängigkeit der Polarität bei Vorläufer zu erklären ist. Unter Nutzung der elastischen Parameter für Olivin und isotropem Wadsleyit und verschiedenen Deformationsszenarien wurden dann die richtungsabhängigen Reflexionskoeffizienten der seismischen Wellen an der Diskontinuität berechnet. In der theoretischen Studie zeigte sich dann, dass tatsächlich eine Polaritätsumkehr mit der Richtung stattfinden kann, jedoch bei Epizentraldistanzen, die normalerweise für PP und SS Vorläufer nicht genutzt werden. In einem neuen globalen Datensatz haben wir nun schon einige Beispiele von diesen Vorläufern für sehr kurze Epizentraldistanzen gefunden und versuchen nun die Deformationsmodelle anzupassen. Unter Zuhilfenahme von elastischen Parametern für Wadsleyit, die von Kollegen in Lille berechnet wurden, zeigte sich, dass die Epizentraldistanzen der Wellen, die Polaritätsumkehr zeigen, im Falle von zwei anisotropen Schichten auch länger werden könne, jedoch ist nur eine sehr kleine Richtungsabhängigkeit zu sehen. Jedoch zeigen die Reflexionskoeffizienten mit den neuen gemessenen Elastizitätsdaten aus Lille ein anderes Verhalten als von veröffentlichen 1D Erdmodellen vorhergesagt. Die von uns beobachtete Distanzabhängigkeit der Polarität, z.B. kann teilweise mit den neuen Daten erklärt werden. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass Deformation und damit zusammenhängend Anisotropie in der Mantelübergangszone tatsächlich einen Effekt auf die Polarität seismischer Wellen hat, die an den Diskontinuitäten der Mantelübergangszone reflektiert werden, jedoch ist der Effekt nicht so eindeutig wie erwartet. Daher müssen neue Daten in kleineren Epizentraldistanzen ausgewertet werden, um Deformationsmodelle besser anzupassen. Wir arbeiten weiter an diesem spannenden Thema.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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On the difficulty of detecting PP precursors, Geophys J. Int., 201, 1666-1681, 2015
Lessing, S., Thomas, C., Saki, M., Schmerr, N, Vanacore, L.
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Topography of upper mantle seismic discontinuities beneath the North Atlantic: the Azores, Canary and Cape Verde plumes, Earth Planet. Sci. Lett., 409, 193–202, 2015
Saki, M., Thomas, C., Nippress, SAE
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Detecting seismic anisotropy above the 410 km discontinuity using reflection coefficients of underside reflections, Phys. Earth Planet. Int., 274, 170-183, 2018
Saki, M., Thomas, C., Merkel, S., Wookey, J.
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Investigating the cause for polarity reversals of PP precursors beneath the Atlantic. PEPI, 286, 111-126, 2019
Saki, M., Thomas, C., Cobden, L., Abreu, R., Buchen, J.
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Dehydration Melting Below the Undersaturated Transition Zone. Gcubed, 21, 2020
Panero, W.R., C. Thomas, R. Myhill, J.S. Pigott
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2022. Detection and modelling of strong topography of midmantle structures beneath the North Atlantic, Geophys. J. Int., 229,219-234
Saki, M., Thomas, C., Abreu, R.
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2022. Textures induced by the coesite-stishovite transition and implications for the visibility of the X-discontinuity, Geochemistry, Geophysics, Geosystems
Krug, M., Saki, M., Ledoux, E., Gay, J., Chantel, J., Pakhomova, A., Husband, R., Thomas, C., Merkel, S., Sanchez-Valle, C.
