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Forschungsarbeit

Seismische Wellenform-Tomografie: Einblicke in die Struktur und Dynamik der festen Erde

von Andreas Fichtner

Detailierte Informationen über die Struktur der tiefen Erde sind die Grundlage für unser Verständnis der Dynamik unseres Planeten. Sie liefern Erklärungen für die Bewegung tektonischer Platten und für Phänomene wie Vulkanismus und Erdbeben. Kenntnisse der heutigen Struktur des Erdkörpers erlauben es uns, die Entwicklung der Erde über Millionen von Jahren zurückzuverfolgen. Da direkte Beobachtungen des Erdinneren in Tiefen von mehr als 10 km jedoch praktisch kaum möglich sind, bleiben nur indirekte Methoden, um die Struktur des Erdmantels zu erkunden. Die erfolgreichste dieser Methoden ist die seismische Tomografie.

Das Prinzip einer seismischen Tomografie ist ähnlich dem einer medizinischen Tomografie, wo meist von einer aktiven Quelle ausgesendete elektromagnetische Wellen den Körper durchstrahlen. Die an einem Detektor gemessenen Laufzeiten der Wellen erlauben Rückschlüsse auf die Eigenschaften des durchstrahlten Gewebes.
In der Seismologie treten elastische Wellen, die sich in der Erde ausbreiten, an die Stelle der elektromagnetischen Wellen in der Medizin. Statt menschlichem Gewebe wird der Erdkörper  durchstrahlt. An der Erdoberfläche werden die Wellen in der Form von Seismogrammen registriert (Abbildung 1). Als Quellen der elastischen Wellen dienen natürliche Erdbeben.

 

Ein typisches Seismogramm, welches im Nordosten Ausraliens aufgezeichnet wurde. Das Epizentrum des dazugehörigen Erdbebens lag im östlichen Indonesien[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Ein typisches Seismogramm, welches im Nordosten Ausraliens aufgezeichnet wurde. Das Epizentrum des dazugehörigen Erdbebens lag im östlichen Indonesien

 

Die Schwierigkeit einer seismischen Tomografie liegt in der meist unvorteilhaften Verteilung von Quellen (Erdbeben) und Empfängern (Seismografen). Umso dichter und gleichmäßiger diese verteilt sind, desto genauer lässt sich die Struktur der Erde bestimmen. Jedoch treten ausreichend starke Erdbeben nur in unregelmäßigen Zeitabständen und nur in einigen wenigen seismisch aktiven Zonen auf. Hinzu kommt, dass große Teile der Erdoberfläche nicht zugänglich sind – Ozeane, Hochgebrige – und somit auch die Verteilung der Empfänger sehr unregelmäßig ist. Folglich ist es von besonderer Wichtigkeit, so viel Information wie möglich aus registrierten Seismogrammen zu extrahieren, also die gesamten Wellenformen zu nutzen.

Um das Ziel maximaler Informationsausbeute zu erreichen, konstruieren wir zunächst ein mathematisches Erdmodell, in dem geologisch plausible Strukturen implementiert sind. Dieses Modell weicht von der realen Erde ab, ist ihr jedoch ähnlich. Anschließend simulieren wir die Ausbreitung seismischer Wellen durch den Erdkörper, indem wir die elastische Wellengleichung numerisch lösen (Abbildung 2).

 

Snapshots des simulierten seismischen Wellenfeldes.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Snapshots des simulierten seismischen Wellenfeldes.

 

Dazu nutzen wir das Nationale Supercomputing System, HLRB2. Die durch die Simulationen berechneten, synthetischen Seismogramme werden mit den realen Seismogrammen verglichen, welche zur realen Erde korrespondieren. In der Regel unterscheiden sich die synthetischen Seismogramme von den realen Seismogrammen. Diese Unterschiede nutzen wir, um die Modellerde systematisch zu verbessern. Diesen Prozess wiederholen wir, bis sich die synthetischen von den realen Seismogrammen kaum noch unterscheiden, und somit die Modellerde von der realen Erde nur noch gering abweicht.

Wir testen die von uns entwickelte Methode an Seismogrammen, welche im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte auf dem australischen Kontinent aufgezeichnet wurden. Die Daten sind von hoher Qualität und damit ideal für eine seismische Wellenform-Tomografie.
Die vorläufigen Resultate (Abbildung 3) zeigen bereits deutlich die Zweiteilung des australischen Kontinents in einen jüngeren Teil im Osten (< 500 Millionen Jahre, geringere Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen) und einen älteren Teil im Zentrum und Westen (bis zu 2.5 Milliarden Jahre, hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen).

Die nächsten Schritte werden darin bestehen, noch detailliertere tomografische Bilder zu erzeugen und die Methode auf die restliche Erde anzuwenden.

 

Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Scherwellen (in m/s) in einer Tiefe von 100 km unter dem australischen Kontinent. Deutlich sichtbar ist eine Zweiteilung in langsamere (geologisch jüngere) und schnelle (geologisch ältere) Bereiche.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 3: Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Scherwellen (in m/s) in einer Tiefe von 100 km unter dem australischen Kontinent. Deutlich sichtbar ist eine Zweiteilung in langsamere (geologisch jüngere) und schnelle (geologisch ältere) Bereiche.

Live-Mitschnitt des Vortrags von Andreas Fichtner beim "Bavarian Get-together" auf der Lindauer Nobelpreisträgertgung am 4. Juli 2008:


Andreas Fichtner
* 1979

Stationen
  • 1999-2002
  • Studium der Geophysik an der Technischen Universität Freiberg. Vordiplom.
  • 2002-2003
  • Studium der Mathematik und theoretischen Seismologie an der University of Washington in Seattle, USA
  • 2003-2005
  • Studium der Geophysik an der LMU, München
  • seit 2005
  • seit 2005
  • Herbst 2006
  • Gast am Institut de Physique du Globe, Paris

Publikationen
  • Fichtner, A., and Igel, H. (2008), Efficient numerical surface wave propagation through the optimization of discrete crustal models - a technique based on non-linear dispersion curve matching (DCM), Geophys. J. Int., 173(2), 519-533
  • Fichtner, A., H.-P. Bunge, and H. Igel (2006), The adjoint method in seismology: I - Theory, Physics of The Earth and Planetary Interiors, 157(1-2), 86-104, doi:10.1016/j.pepi.2006.03.016.
  • Fichtner, A., P. Bunge, and H. Igel (2006), The adjoint method in seismology: II - Applications: traveltimes and sensitivity functionals, Phys. Earth Planet. Int., 157(1-2), 105-123, doi:10.1016/j.pepi.2006.03.018.
  • Sproessig, W., and A. Fichtner (2005), Vektoranalysis, EAGLE Publishing House.

Preise und Stipendien
  • 2002
  • Fulbright-Stipendium für einen einjährigen Aufenthalt an der University of Washington, Seattle, USA
  • 2004
  • Stipendium des Bayerisch-Französischen Hochschulzentrums