The Seismic Signature of Mantle Plumes

Published: July 17, 2006, 11 a.m.

Diese Arbeit behandelt den Effekt von Plumes im Erdmantel auf teleseismische Wellenfelder, also auf Wellen, die in gr\xf6\xdferer Entfernung von Erdbeben zu beobachten sind. Mantel-Plumes sind der gel\xe4ufigen Vorstellung nach s\xe4ulen- bzw. pilzf\xf6rmige Gebilde in denen hei\xdferes Mantelmaterial wegen des Dichteunterschieds zum umgebenden Mantel aufsteigt und nahe der Erdoberfl\xe4che Intraplattenvulkanismus erzeugt, mit Hawaii als klassischem Beispiel. Solche Plumes wurden vor langer Zeit postuliert und sind weithin in den Geowissenschaften akzeptiert. Dennoch tat sich die Seismologie, als die Disziplin, die die hochaufl\xf6sendsten Bilder des Erdinnern liefert, schwer, eindeutige Abbildungen von Plumes zu liefern, welche die Existenz der in den letzten Jahren vermehrt kontrovers diskutierten Plumes beweisen k\xf6nnten.\n\nDies liegt in erster Linie am geringen Durchmesser der Plumes bzw. dessen Verh\xe4ltnis zu den Wellenl\xe4ngen, die typischerweise in der globalen Seismologie betrachtet werden. Da n\xe4mlich die erwartete Gr\xf6\xdfe der Plumes in der Gr\xf6\xdfenordnung der Wellenl\xe4ngen liegt, versagt die weithin verwendete Strahlentheorie. Deshalb wurden in der j\xfcngsten Vergangenheit tomographische Methoden entwickelt, die der Wellennatur der Erdbebenwellen gerecht wird. Mit einer solchen tomographischen Studie konnten die Strukturen im Erdinnern unter Bereichen, wo man Plumes erwartet, bereits deutlicher und sch\xe4rfer abgebildet werden, und eine Interpretation der Bilder im Sinne von Plumes wurde plausibler.\n\nDennoch herrschen bei Seismologen - insbesondere bei der Planung von Experimenten zur Untersuchung von Plumes - immer noch strahlentheoretische Vorstellungen vor. Systematische Untersuchungen des Wellenfeldeffektes von Plumes gab es bislang nicht. Diese Arbeit macht sich daran, diese L\xfccke zu schlie\xdfen.\n\nIn ihr werden 3D-Computermodellierungen von globaler Wellenausbreitung durch einfache Modelle von Plumes, die sich in gr\xf6\xdferen Entfernungen des Erdbebenherdes befinden, durchgef\xfchrt. Die Ergebnisse werden dargestellt in Form von Karten, die die Laufzeitunterschiede zwischen den Ankunftszeiten von Wellen die durch ein "ungest\xf6rtes" 1D-Erdmodell und denen, die durch Modelle mit Plume-Strukturen liefen, zeigen. Genau diese Laufzeitinformation wird von \xfcblichen Tomographiestudien verwertet. Die so gewonnen "Laufzeitschatten" der Plumes unterscheiden sich - abh\xe4ngig von dem Frequenzbereich der betrachteten Wellen - z.T. deutlich von den Laufzeiten, die die Strahlentheorie vorhersagt. So kommt es zum Beispiel durch Plumes, die Niedriggeschwindigkeitsk\xf6rper darstellen, zu verfr\xfchten Ankunftszeiten. Diese v\xf6llig unintuitive Beobachtung ist aber konsistent mit der Wellentheorie. Auch die Lage der Bereiche, in denen die Laufzeiteffekte auftreten, sowie die St\xe4rke der Effekte unterscheiden sich deutlich von strahlentheoretischen Erwartungen. Diese Information kann in Zukunft dazu genutzt werden, Experimente zur Untersuchung von Plumes zu optimieren, was w\xfcnschenswert ist, da diese in der Regel sehr aufw\xe4ndig sind.\n\nIn der Arbeit werden auch Amplitudeneffekte der modellierten Plumes auf die Wellenfelder frequenzabh\xe4ngig untersucht, allerdings ist hier eine unmittelbare Ausnutzung f\xfcr Beobachtungen nicht gegeben, da die Effekte klein sind und Amplituden in der globalen Seismologie schlechter bestimmt bzw. mit solchen aus Referenzmodellen verglichen werden k\xf6nnen. Signifikante Wellenformeffekte waren bei den verwendeten isotropen Plume-Modellen nicht zu beobachten.\n\nDie Untersuchungen sind eingebettet in eine umfassende Betrachtung des Problems der seismischen Abbildung von Plumes. Die Ergebnisse - obwohl durch die Verwendung eines nur von der Tiefe abh\xe4ngigen Erdmodelle nicht plume-spezifisch \u2013 werden anhand des Island-Plumes dargestellt und in Zusammenhang mit den f\xfcr diesen Plume offenen Fragestellungen diskutiert.