HYPO-TZ - Erzeugung und Überprüfung hypothetischer Strukturen der seismischen Übergangszone im Erdmantel

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Bernhard Schuberth; Professorin Dr. Christine Thomas
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433009203

Die Übergangszone (ÜZ), üblicherweise definiert als die Region zwischen ca. 410 und 660 km Tiefe, markiert die Grenze zwischen oberem und unterem Erdmantel. Sie ist durch eine komplexe Mineralogie und einen Anstieg der Viskosität gekennzeichnet, jedoch wurde bisher kein Konsens bezüglich ihres Einflusses auf die globale Mantelzirkulation erreicht. Es wird angenommen, dass die Komplexität der Zusammensetzung der stabilen Mineralphasen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur aufgrund der einhergehenden Veränderungen des Auftriebs sowie Effekte latenter Wärme und potenzieller Variationen rheologischer Parameter Auswirkungen auf den vertikalen Masse- und Wärmetransport durch die ÜZ hat. Trotz zahlreicher seismologischer, geodynamischer und mineralphysikalischer Studien in den letzten Jahrzehnten hat sich bisher kein klares und konsistentes Bild der ÜZ ergeben. Dieses Projekt zielt darauf ab, neue Erkenntnisse zur ÜZ sowie zur globalen Dynamik des Erdmantels durch multi-disziplinäre Modellierungen und Vergleiche von hypothetischen Szenarien und seismischen Beobachten zu erlangen. Die Studie umfasst großskalige Simulationen von Mantelzirkulation, gekoppelt mit thermodynamischen mineralogischen Modellen, sowie 3-D Simulationen seismischer Wellenausbreitung und Signalverarbeitung synthetischer und echter seismischer Daten. Während der ersten Projektphase konnten wir durch quantitative Verknüpfung von thermischer und seismischer Struktur der ÜZ, inklusive der Effekte von limitierter tomographischer Auflösung sowie mineralogischen Unsicherheiten, erhebliche Fortschritte erzielen. Zusätzlich wurden die ersten Realisierungen globaler Topographien von ÜZ-Diskontinuitäten basierend auf geodynamisch vorhergesagten 3-D Temperaturverteilungen präsentiert. Das Hauptziel dieses Folgeprojekts ist es nun, ein besseres quantitatives Verständnis der seismischen Signatur der ÜZ zu erlangen, mit speziellem Fokus auf 3-D Wellenfeld-Effekte und Aspekte seismischer Prozessierung. Insbesondere wollen wir durch 3-D Wellenformberechnungen in unseren Mantelzirkulationsmodellen auf Grundlage eines "closed-loop"-Experiments die Frage beantworten, ob und inwieweit die Struktur der ÜZ durch die verschiedenen existierenden Prozessierungsmethoden korrekt von seismischen Beobachtungen abgeleitet werden kann. Zusätzlich werden wir durch Vergleiche unserer theoretischen Szenarien mit echten seismischen Daten ein besseres Verständnis dafür bekommen, wie diese hinsichtlich der ÜZ interpretiert werden sollten. Dies wird es ermöglichen, diejenigen Datentypen zu identifizieren (z.B. PP-/SS-Vorläuferphasen oder sog. receiver functions), die am Besten geeignet sind, um geodynamische Modelle und ihre zugrundeliegenden Annahmen gegen Erdbeobachtungen zu testen. Unser Projekt wird neue Einblicke in das Zusammenspiel von mineralogischen und rheologischen Effekten und deren Einfluss auf den Masseaustausch zwischen oberem und unterem Mantel liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Niederlande
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Arwen Deuss; Professor Dr. Benoit Tauzin