Crustal thickness from seismic noise correlations in preparation for the InSight mission to Mars

by Gesa Karen Becker
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-06-05
Date of issue:2018-08-31
Advisor:Dr. Brigitte Knapmeyer-Endrun
Referee:Prof. Dr. Ulrich Christensen
Referee:Prof. Dr. Laurent Gizon
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7027

 

 

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Description:Dissertation

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Abstract

English

The formation of terrestrial planets is still poorly understood. Studying the interior of Mars by analysing seismic waves can help to answer questions about that process. In the absence of plate tectonics, Mars has retained much of its crust from early stages of the planet’s evolution. Knowledge of its crustal thickness and structure can therefore contribute to the understanding of terrestrial planet formation and evolution. In preparation for the InSight seismometer installation on Mars, a method is developed to image the reflectivity of the subsurface and extract the crustal thickness from ambient seismic noise. The developed method makes use of passive seismic interferometry by calculating auto- and single-station cross-correlations to obtain the reflection response of the subsurface. It is then tested on seismic stations across Central and Eastern Europe with varying crustal thicknesses, comparable to estimates for the InSight landing site. A processing scheme of spectral smoothing, phase auto- or cross-correlation, time-frequency domain-phase weighted stacking and bandpass filtering, predominantly between 1-2 Hz, is introduced. This processing scheme works well for the vertical and horizontal component data. One autocorrelation result is obtained for each station from the vertical component data. The horizontal component data gives two autocorrelation results, in the North-South and East-West directions, and two cross-correlation results of mixed directions. The obtained correlations are spatially and temporarily stable, but for all components a correlation with the presence of cultural noise can be observed. The vertical component correlations converge to a stable result after ∼6 months of data, whereas the horizontal component correlations require more data, especially the cross-correlations. Prior information, in the form of seismic velocity and the predicted Moho depth, are included as an uncertainty target window of expected reflectivity change. The reflectivity change associated with the Moho is automatically determined inside the uncertainty window in case of the vertical component autocorrelations. For the horizontal component correlations, this needs to be done manually to include all four correlation results. The determined lag times are converted to depths using the prior information about the seismic velocities. The obtained Moho depths compare well with results obtained from other studies using different methods and are consistent across vertical and horizontal component correlations. Furthermore, it is possible to identify additional deeper and shallower reflectors. The combination of the determined lag times of Moho related reflectivity change from the horizontal and vertical component correlations gives the possibility to obtain estimates of the vp/vs-ratios. However, these ratios show large variability and sometimes unreasonable values and therefore need to be treated with caution. This variability can be explained by e.g., non-vertical incidence, and the resulting different paths of the waves. The horizontal component autocorrelations can nevertheless be used to detect possible crustal anisotropy below the station. In general, crustal thickness can be extracted from seismic noise correlations for a single station, for different seismometer types, when only moderate amounts of data are available, without the need for strong seismic sources, and independent of the structure of the subsurface. All this makes the introduced method a promising tool for the InSight mission.
Keywords: seismic noise; Mars; seismic interferometry; Europe; crustal structure

German

Die Entstehung terrestrischer Planeten wirft noch viele Fragen auf. Die Untersuchung des Inneren des Planeten Mars mit Hilfe seismischer Wellen kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Große Teile der Marskruste sind aus der Frühzeit der Entwicklung des Planeten erhalten, da Mars keine Plattentektonik aufweist. Informationen über die Mächtigkeit und den Aufbau der Kruste können somit zu unserem Verständnis der Entstehung und Entwicklung terrestrischer Planeten beitragen. Die InSight Mission zum Mars wird ein Seismometer auf der Oberfläche des Planeten absetzen. Um die seismischen Daten bestmöglich auszunutzen, wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt und vorgestellt, die aus seismischem Rauschen die Reflektivität des Untergrundes abbildet und die Dicke der Kruste bestimmt. Die hier entwickelte Methode macht von ‘passiver seismischer Interferometrie’ Gebrauch. Durch die Berechnung von Auto- und Kreuzkorrelationen erhält man die Reflektionsantwort des Untergrundes. Anschließend wird die Methode mit Hilfe von Daten getestet, die an seismischen Stationen in Zentral- und Osteuropa aufgenommen wurden. Diese Stationen befinden sich in Gebieten, wo die Erdkurste unterschiedliche Mächtigkeiten aufweist, welche vergleichbar sind mit Abschätzungen für die InSight Landestelle. Die Analyse der Daten besteht aus Glätten des Spektrums, Auto- oder Kreuzkorrela- tion der Phase, im Zeit-Frequenz-Bereich nach Phase gewichtetes Stapeln und Bandpassfiltern (hauptsächlich im Bereich 1-2 Hz). Diese Schritte lassen sich erfolgreich auf Daten von Horizontal- und Vertikalkomponenten anwenden. Die Daten der Vertikalkomponenten resultieren in jeweils ein Autokorrelationsergebnis für die einzelnen Messstationen. Die Daten der Horizontalkomponenten ergeben zwei Autokorrelationen, in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung, sowie zwei Kreuzkorrelationen von gemischter Richtung. Die berechneten Korrelationen sind zeitlich und räumlich stabil, aber es lässt sich für alle Komponenten ein klarer Zusammenhang mit anthropogen erzeugtem Rauschen erkennen. Die Korrelationen, die für die Vertikalkomponenten berechnet werden, konvergieren nach ∼6 Monaten zu einem stabilen Ergebnis. Die Korrelationen der horizontalen Komponenten benötigen dafür mehr Daten. Dies gilt insbesondere für die Kreuzkorrelationen. Aus Informationen über seismische Geschwindigkeiten und geschätzte Moho-Tiefen wird ein Unsicherheits-Ziel-Fenster berechnet. In diesem Fenster wird eine Reflektivitätsänderung erwartet. Im Fall der Vertikalkomponenten wird die Reflektivitätsänderung, welche im Zusammenhang mit der Moho steht, automatisch innerhalb des Ziel-Fensters bestimmt. Für die Horizontalkomponenten muss dieser Vorgang manuell durchgeführt werden, um alle vier Korrelationsergebnisse zu berücksichtigen. Die bestimmten Laufzeiten werden mit Hilfe der a priori seismischen Geschwindigkeiten in Tiefe umgerechnet. Die berechneten Moho-Tiefen stimmen mit Ergebnissen anderer Studien überein und ergeben konsistente Resultate für die Daten von Horizontal- und Vertikalkomponenten. Außerdem können weitere Reflektoren bei größeren und niedrigeren Tiefen identifiziert werden. Durch Kombination der bestimmten Laufzeiten der Korrelationen von Vertikal- und Horizontalkomponenten lassen sich Abschätzungen des vp/vs-Verhältnisses erhalten. Jedoch sind diese Verhältnisse sehr variabel und ergeben teilweise unrealistische Werte. Diese Variabilität lässt sich zum Beispiel durch nicht-vertikale Einfallswinkel und daraus resultierende abweichende Laufwege der seismischen Wellen erklären. Aus diesem Grund müssen sie mit Vorsicht gehandhabt werden. Trotzdem können die Autokorrelationen der Horizontalkomponenten zusätzlich genutzt werden um mögliche krustale Anisotropie unterhalb der Messstationen zu detektieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Krustenmächtigkeit aus seismischem Rauschen für eine einzelne Station extrahiert werden kann, für verschiedene Seismometerarten, wenn nur geringe Mengen an Daten vorhanden sind, ohne starke seismische Quellen und unabhängig vom vorliegenden Untergrund. Dies zeigt das Potential der vorgestellten Methode im Hinblick auf die InSight Mission.
 
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