Abstract
Zusammenfassung: Zwei wichtige Fragen der Geodynamik werden in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe seismischer Methoden untersucht: wie tief reichen erkennbare Wurzeln der Kontinente in den oberen Erdmantel hinein, und stimmen die seismischen Diskontinuitaeten der Uebergangszone des Erdmantels in 410 und 660 km Tiefe mit aus dem Labor bekannten Phasenuebergaengen in der Kristallstruktur der Mantelgesteine ueberein? Die Beantwortung dieser Fragen ist ein wesentlicher Punkt im Puzzle ueber die dynamischen Vorgaenge im Erdinneren. Die Art und Weise der Uebergaenge im Erdmantel spielt dabei eine wesentliche Rolle. Bisherige Arbeiten zeigen zwar die globale Existenz der seismischen Diskontinuitaeten in 410 km und 660 km Tiefe (Shearer 1991), die Art der Uebergaenge ist jedoch umstritten (Jordan et al. 1989, Jeanloz 1989). Untersuchungen von Vorlaeufern von P"P" weisen beispielsweise auf einen scharfen Uebergang in 660 km Tiefe von nur wenigen Kilometern Breite hin (Benz & Vidale 1993, Le Stunff et al. 1994), was bisher als Argument fuer eine chemische Grenze diente (Lees et al. 1983, Jeanloz 1989). Neuere petrologische Untersuchungen des physikalischen Phasenueberganges ?-Spinell zu Perovskit und Magnesiowuestit in der Kristallstruktur des Olivins, welcher als Kandidat fuer die 660 km Diskontinuitaet gilt, ergeben jedoch ebenfalls einen schmalen Uebergangsbereich von ca. 4 km (Ito & Takahashi 1989). Umstritten ist auch der Verbleib der subduzierten Lithosphaere in 660 km Tiefe, woraus gleichfalls Rueckschluesse ueber die Art des Ueberganges moeglich sind. Die Frage nach der Tiefe der Wurzeln der Kontinente ist im Zusammenhang mit der Konvektion im Erdmantel ebenfalls von Bedeutung. Ging man noch vor fuenfzehn Jahren davon aus, dass die Wurzeln der Kontinente nicht tiefer als ca. 120 km reichen (Sclater et al. 1980), so ist heute allgemein anerkannt, dass eine viel tieferreichende Korrelation zwischen den tektonischen Strukturen der Erdoberflaeche und den rheologischen und petrologischen Parametern des Mantels besteht. Untersuchungen ueber den eurasischen Kontinent und den pazifischen Ozean liefern Modelle, die Unterschiede in den Schwerwellengeschwindigkeiten zwischen Ozeanen und Kontinenten bis hinab zu 400 km aufweisen (Lerner-Lam & Jordan 1987). Die vorliegende Arbeit gibt nun erstmals Hinweise auf eine bis in die Uebergangszone des oberen Mantels hineinreichende Struktur der Kontinente. Mittels Delay-and-Sum-Techniken, wie sie aus der Seismik bekannt sind, werden Reflexionen von S-Wellen an der Unterseite der Manteldiskontinuitaeten untersucht. Die als Vorlaeufer zu SS (SH-Multiple von S) auf der Transversalkomponente von Seismogrammen auftreten (Shearer 1991, Petersen et al. 1993). Direkte Beobachtung dieser Phasen in individuellen Registrierungen ist nur in wenigen Faellen moeglich, da die dazugehoerigen Amplituden nur ca. 3-5 % derer von SS betragen und in der Regel unterhalb des Rauschpegels liegen. Dagegen lassen sich dieses Phasen mit geeigneten Methoden der Signalverarbeitung (Restitution, Dekonvolution, Summation und Slownessanalyse) in den meisten Faellen problemlos nachweisen. Simulationen mit synthetischen Seismogrammen, die mit Hilfe der Reflektivitaetsmethode (Kind 1978, Mueller 1985) fuer das IASP91 Erdmodell (Kennett 1991) berechnet werden dienen der Verifizierung der Ergebnisse. Globale und regionale Untersuchungen der Manteldiskontinuitaeten in 410 km und 660 km Tiefe unter Verwendung von langperiodischen Erdbebenregistrierungen des Global Digital Seismograph Network (GDSN) aus den Jahren 1980-91 stellen den Kern dieser Arbeit dar. Messungen der Differenzlaufzeiten zwischen der 410 und 660 km Reflexionsphase ergeben eine klare Korrelation mit den geologischen Hauptstrukturen auf der Erdoberflaeche also mit den Kontinenten und Ozeanen. Die Differenzlaufzeiten der Reflexionen an der 410 und 660 km Diskontinuitaet im Bereich des asiatischen und nordamerikanischen Kontinents sind signifikant groesser als bei Reflexionen unter dem benachbarten pazifischen Ozean. Aenderungen der Dicke der Uebergangszone aufgrund von Temperaturvariationen, wie sie aus der Phasenuebergangshypothese folgen, koennen dies erklaeren. Zudem fuehrt diese Beobachtung zu dem Schluss, dass die kontinentalen Wurzeln Asiens und Nordamerikas bis in Tiefen zwischen 410 und 660 km reichen. Augenmerk wird auch auf einen moeglichen Reflektor in 520 km Tiefe gerichtet (Shearer 1990, Revenaugh & Jordan 1991), dessen Existenz umstritten ist (Bock 1994). Viele Stacks (beispielsweise fuer Reflexionspunkte unter dem nordwestpazifischen Raum, Zentralasien, Suedpazifik) zeigen ein schwaches Signal im entsprechenden Laufzeitenbereich, andere dagegen nicht (Nordostpazifik, westl. USA, suedlicher Indischer Ozean). Dieser Befund spricht dafuer, dass es sich um ein regionales Phaenomen handelt, die globale Existenz der 520 km Diskontinuitaet ist damit nicht vereinbar. Weitere Diskontinuitaeten lassen sich im Rahmen dieser Arbeit nicht signifikant nachweisen.
