JI-3D A new approach to high resolution regional seismic tomography: Theory and applications

Abstract

Seismische Tomographie ist eine der wichtigsten Methoden um die innere Struktur der Erde abzubilden. Das Ziel teleseismischer Tomographie ist es die 3D Verteilung von Geschwindigkeitsänderungen relativ zu einem 1D Startmodell zu bestimmen. Der Untersuchungsraum erstreckt sich dabei vom Stationsnetzwerk bis hinein in den unteren Mantel (> 660 km Tiefe). Dies ermöglicht es gerade ablaufende tektonische Prozesse, wie zum Beispiel die Subduktion von Lithosphärenplatten und das Austeigen von Mantelplumes oder die Vorgänge unter aktiven Vulkanen, sichtbar zu machen. Die resultierenden Modelle gestatten es Änderungen der Dichte, der elastischen Moduli und der Temperatur abzuschätzen. Hauptgegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode zur regionalen Tomographie (JI-3D) mit dem Ziel zuverlässige und stabile Ergebnisse zu erhalten, die auch in sehr großen Tiefen sowohl räumlich als auch mathematisch gut aufgelöst sind. Die Methode basiert darauf, das Inversionsproblem selbst zu optimieren, um ungenügend bestimmte Modellparameter zu vermeiden und somit stabile und eindeutigere Lösungen für das Inversionsproblem zu finden.Dies wird hauptsächlich realisiert durch eine variable Parameterisierung die es ermöglicht die gut bestimmbaren Bereiche des Modellraums sehr fein aufzulösen. Dort wo nur wenige Beobachtungen vorliegen, stellt ein Modellparameter dagegen eher einen stabilen Mittelwert über einen grösseren Bereich dar. Weitere wichtige Bestandteile der Methode sind das 3D- Raytracing, welches für die korrekte Lokalisierung der Geschwindigkeitsanomalien im Modellraum wesentlich ist, sowie die Beschränkung des Raumes der möglichen Lösungen durch das Einbeziehen von zusätzlicher Information. Dies geschieht zum einen durch das Einbeziehen von a priori Informationen in die Inversion, zum anderen durch die simultane Inversion der teleseismischen Laufzeiten und zusätzlichen Bouguer Schweredaten. Da die resultierenden Modelle von Geschwindigkeitsanomalien und Dichtekontrasten gekoppelt sind und beide Datensätze erklärt werden sollen, führt dies zu einer weiteren Einschränkung des Raums der möglichen Lösungen.Die Methode wird sowohl auf synthetische als auch auf reale Daten angewendet. Hierbei werden die tiefen Ursachen des Eifel Vulkanismus und den Einfluss der Wechselwirkung von Mantel Plumes mit den wichtigsten Diskontinuitaten im Erdmantel auf die teleseismische Tomographie untersucht.