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Treml, Markus (2006): The Seismic Signature of Mantle Plumes. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

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.