Geometrie und Struktur alpiner Subduktionszonen aus der Full-Waveform-Inversion teleseismischer Raumwellen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Friederich; Professor Dr. Boris J.P. Kaus; Professor Dr. Thomas Meier
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 363668812

Seismische Raumwellen von entfernten Beben, aufgezeichnet am außerordentlich dichten und großflächigen AlpArray Seismic Network, werden nach der 3D-Verteilung der seismischen Wellengeschwindigkeiten in der Lithosphäre und dem sublithosphärischen Mantel unter dem Alpenraum invertiert (Aktivitätsfelder A, B, C und D und Forschungsthemen 1 und 4). Das resultierende Bild wird die interne Struktur und Geometrie der abtauchenden Lithosphärenplatten unter den Alpen bis in die Mantelübergangszone hinein auflösen und neue Erkenntnisse zu heftig diskutierten Aspekten wie Polaritätswechsel der Subduktion liefern. Ferner werden daraus weitere Details zur Ablösung der abtauchenden Platten von der Unterkruste, zu ihren Verbindungen mit Hochgeschwindigkeitszonen in der Übergangszone, die der Subduktion der alpinen Tethys in der späten Kreide und dem frühen Paläogen zugeschrieben werden, und schließlich zum Volumen des in der Übergangszone akkumulierten subduzierten Materials hervorgehen (Forschungsthema 1). Das 3D-Abbild der seismischen Wellengeschwindigkeiten ist eine bedeutsame Beobachtungsgrundlage für geodynamische Modelle von Deformationsprozessen in der Lithosphäre, Strömungen im Mantel sowie plattentektonischen Rekonstruktionen.Zur Konstruktion der 3D-Modelle der P- und S-Wellengeschwindigkeiten unter dem Alpenraum verwenden wir eine iterative Gauss-Newton Full-Waveform-Inversion auf der Basis von Wellenformempfindlichkeitskernen, die speziell für die Anwendung auf teleseismische Raumwellen angepasst wird. Die numerische Simulation teleseismischer Wellenausbreitung wird auf hybride Weise durchgeführt, wobei entweder eine 3D Spektrale-Element-Methode oder eine 3D Diskontinuierliche-Galerkin-Methode benutzt werden, um das Wellenfeld im Untersuchungsgebiet zu modellieren. Für die Wellenausbreitung in der restliche Erde verwenden wir eine sehr effiziente, aber nur für sphärisch symmetrische Erdmodelle gültige Methode. Startmodelle für die Wellengeschwindigkeiten werden durch klassische tomographische Inversion von automatisch abgelesenen und qualitätsbewerteten Laufzeiten von P- und S-Wellen bestimmt. Letztere gehen ebenfalls als zusätzliche Bedingungen in die Full-Waveform-Inversion ein, um die Inversion gegen periodische Verschiebungen der Wellenformanpassung zu stabilisieren. Der Einfluss von Heterogenitäten außerhalb des Untersuchungsgebiets wird minimiert, indem Linearkombinationen der Daten invertiert werden, deren Empfindlichkeit auf das Untersuchungsgebiet konzentriert ist. Dieser Ansatz sollte Inversionen von Raumwellensignalen bis hinauf zu Perioden von einigen Sekunden erlauben, wodurch sich eine Auflösung von ca. 20 km ergibt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2017: Gebirgsbildungsprozesse in 4-Dimensionen (4D-MB)