The Seismic Signature of Mantle Plumes

Diese Arbeit behandelt den Effekt von Plumes im Erdmantel auf
teleseismische Wellenfelder, also auf Wellen, die in größerer
Entfernung von Erdbeben zu beobachten sind. Mantel-Plumes sind der
geläufigen Vorstellung nach säulen- bzw. pilzförmige Gebilde in
denen heißeres Mantelmaterial wegen des Dichteunterschieds zum
umgebenden Mantel aufsteigt und nahe der Erdoberfläche
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 hochauflösendsten Bilder
des Erdinnern liefert, schwer, eindeutige Abbildungen von Plumes zu
liefern, welche die Existenz der in den letzten Jahren vermehrt
kontrovers diskutierten Plumes beweisen könnten. Dies liegt in
erster Linie am geringen Durchmesser der Plumes bzw. dessen
Verhältnis zu den Wellenlängen, die typischerweise in der globalen
Seismologie betrachtet werden. Da nämlich die erwartete Größe der
Plumes in der Größenordnung der Wellenlängen liegt, versagt die
weithin verwendete Strahlentheorie. Deshalb wurden in der jüngsten
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 schärfer
abgebildet werden, und eine Interpretation der Bilder im Sinne von
Plumes wurde plausibler. Dennoch 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 Lücke zu
schließen. In ihr werden 3D-Computermodellierungen von globaler
Wellenausbreitung durch einfache Modelle von Plumes, die sich in
größeren Entfernungen des Erdbebenherdes befinden, durchgeführt.
Die Ergebnisse werden dargestellt in Form von Karten, die die
Laufzeitunterschiede zwischen den Ankunftszeiten von Wellen die
durch ein "ungestörtes" 1D-Erdmodell und denen, die durch Modelle
mit Plume-Strukturen liefen, zeigen. Genau diese
Laufzeitinformation wird von üblichen Tomographiestudien verwertet.
Die so gewonnen "Laufzeitschatten" der Plumes unterscheiden sich -
abhängig von dem Frequenzbereich der betrachteten Wellen - z.T.
deutlich von den Laufzeiten, die die Strahlentheorie vorhersagt. So
kommt es zum Beispiel durch Plumes, die
Niedriggeschwindigkeitskörper darstellen, zu verfrühten
Ankunftszeiten. Diese völlig unintuitive Beobachtung ist aber
konsistent mit der Wellentheorie. Auch die Lage der Bereiche, in
denen die Laufzeiteffekte auftreten, sowie die Stärke der Effekte
unterscheiden sich deutlich von strahlentheoretischen Erwartungen.
Diese Information kann in Zukunft dazu genutzt werden, Experimente
zur Untersuchung von Plumes zu optimieren, was wünschenswert ist,
da diese in der Regel sehr aufwändig sind. In der Arbeit werden
auch Amplitudeneffekte der modellierten Plumes auf die Wellenfelder
frequenzabhängig untersucht, allerdings ist hier eine unmittelbare
Ausnutzung für Beobachtungen nicht gegeben, da die Effekte klein
sind und Amplituden in der globalen Seismologie schlechter bestimmt
bzw. mit solchen aus Referenzmodellen verglichen werden können.
Signifikante Wellenformeffekte waren bei den verwendeten isotropen
Plume-Modellen nicht zu beobachten. Die 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 abhängigen Erdmodelle nicht
plume-spezifisch – werden anhand des Island-Plumes dargestellt und
in Zusammenhang mit den für diesen Plume offenen Fragestellungen
diskutiert.