Seismische Tomographie und Erdstruktur

Durch die Inversion von Laufzeiten und Wellenformen seismischer Wellen erstellen Seismologen dreidimensionale Bilder des Erdinneren, die Kruste, Mantel und Kern sowie die Geschwindigkeitsanomalien aufzeigen, die Konvektion und Tektonik abbilden.

Definition

Seismische Tomographie ist die Inversionsmethodik, die dreidimensionale Bilder der seismischen Geschwindigkeit im Erdinneren aus großen Sätzen von Laufzeit- und Wellenformmessungen rekonstruiert und zusammen mit eindimensionalen Referenzmodellen unser Wissen über die innere Struktur der Erde definiert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Bestimmung der internen Erdstruktur aus seismischen Beobachtungen: die Entdeckung der Hauptgrenzschichten (Moho, Kern-Mantel-Grenze, innerer Kern), Referenz-Erdmodelle und die tomographische Inversion von Laufzeit- und Wellenformdaten für dreidimensionale Geschwindigkeitsvariationen. Es behandelt die Tomographie von Raumwellen und Oberflächenwellen, die Auflösung und Regularisierung schlecht gestellter inverser Probleme sowie die Interpretation von Geschwindigkeitsanomalien hinsichtlich Temperatur, Zusammensetzung und Strömung. Der Schwerpunkt liegt auf der Abbildung des Erdinneren und weniger auf der Quelle.

Core questions

• Wie wurden die wichtigsten internen Grenzen der Erde seismisch entdeckt?
• Wie werden Laufzeiten und Wellenformen für die dreidimensionale Geschwindigkeitsstruktur invertiert?
• Was begrenzt die Auflösung tomographischer Bilder und wie wird die Inversion stabilisiert?
• Wie werden Geschwindigkeitsanomalien hinsichtlich Temperatur, Zusammensetzung und Strömung interpretiert?

Key concepts

• Referenz-Erdmodelle und radiale Geschwindigkeitsstruktur
• Mohorovicic-Diskontinuität, Kern-Mantel-Grenze und innerer Kern
• Raumwellen- und Oberflächenwellen-Tomographie
• Inverse Probleme, Regularisierung und Auflösung
• Geschwindigkeitsanomalien als Proxies für Temperatur und Zusammensetzung

Key theories

Geschichtetes Referenz-Erdmodell

Jahrzehntelange Laufzeitdaten wurden zu sphärisch symmetrischen Referenzmodellen wie PREM synthetisiert, die Geschwindigkeit, Dichte und Dämpfung als Funktionen der Tiefe angeben und die Basis bilden, an der dreidimensionale Anomalien gemessen werden.

Tomographische Inversion

Die seismische Tomographie behandelt die Bildgebung als ein linearisiertes inverses Problem, das Störungen in beobachteten Laufzeiten oder Wellenformen mit Störungen der Geschwindigkeit entlang von Strahlengängen oder Sensitivitätskernen in Beziehung setzt und das regularisierte System löst, um die dreidimensionale Struktur wiederherzustellen.

Mechanisms

Die seismische Geschwindigkeit hängt von den elastischen Modulen und der Dichte des Gesteins ab, die mit Temperatur, Zusammensetzung, Phase und dem Vorhandensein von Schmelze oder Fluiden variieren; kaltes, dichtes Material ist in der Regel schnell und heißes oder teilweise geschmolzenes Material langsam, sodass ein Geschwindigkeitsbild, das aus vielen sich kreuzenden Strahlengängen invertiert wird, zu einer Proxy-Karte des thermischen und kompositorischen Zustands des Erdinneren wird.

Clinical relevance

Tomographische Bilder des Mantels begrenzen die Lage subduzierter Platten und aufsteigender Plumes, verknüpfen das Erdinnere mit Plattenbewegungen und Hotspot-Vulkanismus und unterstützen auf Krustenskala Gefahren- und Ressourcenstudien; Referenzmodelle verankern die Erdbebenlokalisierung weltweit.

History

Mohorovicic identifizierte die Krusten-Mantel-Grenze im Jahr 1909, Gutenberg lokalisierte die Kern-Mantel-Grenze und Lehmann entdeckte den inneren Kern im Jahr 1936; das Preliminary Reference Earth Model von 1981 und der Aufstieg der computergestützten Tomographie in den 1980er Jahren eröffneten die Ära der dreidimensionalen Abbildung der tiefen Erde.

Key figures

• Inge Lehmann
• Andrija Mohorovicic
• Adam Dziewonski
• Don Anderson

Seminal works

• dziewonski1981
• nolet2008
• lehmann1936

Frequently asked questions

Inwiefern ähnelt die seismische Tomographie einem medizinischen CT-Scan?

Beide rekonstruieren ein internes Bild aus vielen Messungen, die entlang von Pfaden durchgeführt werden, die den Körper in verschiedene Richtungen durchqueren; in der seismischen Tomographie sind die Strahlen seismische Wellen und die abgebildete Größe ist die Wellengeschwindigkeit, die mit der Temperatur und Zusammensetzung des Gesteins variiert.

Woher wissen wir, dass die Erde einen festen inneren Kern hat?

Inge Lehmann stellte 1936 fest, dass bestimmte seismische Wellen, die die ferne Seite der Erde erreichten, nur erklärt werden konnten, wenn der flüssige äußere Kern einen ausgeprägten festen inneren Kern umgibt, der die Wellen anders bricht, eine Struktur, die seitdem durch viele andere Beobachtungen bestätigt wurde.