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Stähler, Simon (2014): Finite-frequency tomography with complex body waves: taking into account data uncertainty and correlation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften
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Abstract

Seismische Tomographie ist die eindrücklichste und intuitivste Methode, Informationen über das tiefe Erdinnere, von der Kruste bis an die Kern-Mantel-Grenze zu erlangen. Die von entfernten Erdbeben aufgezeichneten Bodenbewegungen werden mit den für ein einfaches Erdmodell vorhergesagten verglichen, um ein verbessertes Modell zu erhalten. Dieses dreidimensionale Modell kann dann geodynamisch oder tektonisch interpretiert werden. Durch die Entwicklung leistungsfähiger Computersysteme kann die Ausbreitung seismischer Wellen mittlerweile im gesamten messbaren Frequenzbereich simuliert werden, sodass dieses gesamte Spektrum der Tomographie zur Verfügung steht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Wellenformtomographie. Zum einen wird die Nutzbarkeit eines komplexen Typs seismischer Wellen, der in der Mantelübergangszone zwischen 410 und 660 km Tiefe gestreuten triplizierten Wellen ge-zeigt. Diese Wellen versprechen eine erheblich bessere Auflösung der geodynamisch wichtigen Diskontinuitäten zwischen oberem und unterem Mantel als bisher verwendete teleseismische Wellen. Zum anderen wird der nichtlineare Einfluss des Erdbebenmodells auf die Wellenformtomographie untersucht. Mittels Bayesianischer Inferenz werden Wahrscheinlichkeitsdichten für die Herdparameter des Erdbebens, wie Tiefe, Momententensor und Quellfunktion bestimmt. Dazu wird zuvor ein Modell der Messunsicherheit und des Modellierungsfehlers in der Herdinversion bestimmt, das bis dato nicht vorlag. Dabei zeigt sich im Weiteren, dass der Effekt der Unsicherheit im Herdmodell eine nichtlineare und bisher weitgehend ignorierte Feh-lerquelle in der seismischen Tomographie ist. Dieses Ergebnis ermöglicht es, die Varianz seismischer Laufzeit- und Wellenformmessungen sowie die Kovarianz zwischen einzelnen Messstationen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit können in Zukunft erheblich dazu beitragen, die Unsicherheiten der seismischen Tomographie quantitativ zu bestimmen, um eventuell vorhandene Artefakte zu zeigen und damit geologischen Fehlinterpretationen tomographischer Ergebnisse vorzubeugen.

Abstract

Seismic tomography is the most impressive method of inferring a picture of the deep interiour of the Earth, from the lower crust to the core mantle boundary. Recordings of ground motions caused by distant earthquakes are used to refine an existing earth model, employing difference between measured and predicted data. The resulting three-dimensional models and images can be interpreted in terms of tectonics and large-scale geodynamics. The increase in computing power in the last decade has lead to an enormous progress in tomographic methods, which can now simulate and therefore exploit the whole frequency range of seismographic measurements. This thesis refines waveform tomography in its flavour of finite-frequency tomography. It first shows that complex wave types, like the those perturbed by the discontinuities in the mantle transition zone can be used for waveform tomography. Using these waves promise an improved resolution of the geodynamically important transition zone compared to the hitherto used teleseismic waves. A second part checks the nonlinear influence of the source model on waveform tomography. By the method of Bayesian inference, probability density functions of the source parameters depth, moment tensor, and the source time function are determined. For that, a model of the measurement uncertainties is necessary, which was hitherto not available and is derived from a large catalogue of source solutions. The results of the probabilistic source inversion allow to quantify the effect of source uncertainty on seismic tomography. This allows to estimate the variance of seismic travel-times and waveforms and also the covariance between different seismographic stations. The results of this work could improve uncertainty estimation in seismic tomography, show potential artifacts in the result and therefore avoid misinterpretation of tomographic images by geologists and others.