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3D Full Waveform Inversion on seismic data at the East Pacific Rise

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3D-Bilder von tektonischen Prozessen unterm Meeresboden

Der Mittelozeanische Rücken (MOR) ist der weltweit längste vulkanische Gebirgszug. Allerdings ist noch wenig über die Prozesse bekannt, die sich an diesem größten Gebirge der Erde abspielen.

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Entlang des MOR bewegen sich die Platten auseinander und es entsteht permanent neue ozeanische Erdkruste, da Magma von unten nachströmt und die Kruste aufreißt. Vermutet werden starke Zusammenhänge zwischen diesen magmatischen Prozessen und relativ eingegrenzten vulkanischen, tektonischen und hydrothermischen Prozessen. "Über die genaueren Zusammenhänge ist kaum etwas bekannt, sagt Dr. Milena Marjanovic, Meeresgeophysikerin, die mit einem Marie-Sklodowska-Stipendium für einzelne Forscher unterstützt wurde und als Forschungsleiterin im EU-finanzierten Projekt 3DWISE arbeitet. "Wir untersuchten diesen Zusammenhang, um grundlegende und auch aktuelle Fragen in den Geowissenschaften zu klären, etwa zu Prozessen der Krustenbildung, hydrothermischen Zirkulation und Vulkantätigkeit unter dem Meeresboden." Das Problem liegt darin, dass die Eigenschaften der oberen Kruste – also dort, wo Aktivität stattfindet – noch kaum erforscht sind. Blick in die inneren Schichten der Erde Um diese Eigenschaften darzustellen, wandte 3DWISE die 3D-Methode 3D FWI (Full Waveform Inversion) an, eine von Öl- und Gasunternehmen entwickelte Spitzentechnologie, die ähnlich wie Röntgen- oder MRT in der Medizin funktioniert. Mit der Technologie wurden verfügbare seismische HF-Daten (high fidelity) eines Abschnitts des Ostpazifischen Rückens (East Pacific Rise, EPR) ausgewertet, einem MOR entlang des pazifischen Meeresbodens. Die hydrothermische Aktivität des EPR ist enorm, mit zwei dokumentierten Vulkanausbrüchen und umfangreichen, bislang einmaligen multidisziplinären Zeitreihenmessungen. Bislang ließen sich die Hydrothermik von Meerwasser, das in die Erdkruste eindringt, und dessen Wechselwirkung mit anderen Krustenprozessen kaum erforschen. Nun aber wurde die am EPR gebildete neue Erdkruste zwischen den nördlichen Breitengraden 9º 16’ N und 9º 56’ N mit neuesten geophysikalischen Messmethoden untersucht. Dabei zeigten sich langsam fortschreitende Prozesse, die auf auf- und absteigende hydrothermische Bahnen in der axialen Ebene des sich schnell spreizenden Kamms zurückgeführt werden. Die Projektpartner verglichen dann die Ergebnisse mit vorliegenden Daten. Offenbar verläuft die Interaktion zwischen tektono-magmatischen und hydrothermischen Prozessen aufgrund der unterschiedlichen Zeitskalen, in denen sie stattfinden, nicht kontinuierlich. Zudem fand man heraus, dass die hohe Durchlässigkeit der Kruste und die starke Thermik zeitlich und räumlich korrelieren müssen, damit eine starke, heiße Hydrothermik entsteht und erhalten bleibt. Der obere Teil der am EPR gebildeten Kruste besteht aus Basalten (Schicht 2A) und Deichen (2B). In Geschwindigkeitsmodellen ist die Grenze zwischen Schicht 2A und 2B durch einen Geschwindigkeitsgradienten gekennzeichnet, der auf veränderte Porosität zurückgeht. Über die geologische Beschaffenheit des Gradienten wird derzeit diskutiert. Aufgrund begrenzter Daten zur Geschwindigkeit auf der oberen Kruste ist noch unklar, ob diese Beobachtung auf die physikalische Verdickung der vulkanischen Schicht oder auf eine sich nach unten ausbreitende, durch Hydrothermik gebildete Rissfront zurückzuführen ist. Die Forscher untersuchten mit einer flexiblen 3D-FWI-Methode einen seismischen 3D-Datensatz aus dem EPR. Wie die Ergebnisse zeigen, wird die Ablagerung der Magmaschichten, deren unterschiedliche Dicke und die Geschwindigkeit der Deichsenkung hauptsächlich durch tektono-magmatische Merkmale und Prozesse in der Nähe der Gratachse beeinflusst. Bahnbrechende 3D-Bilder der Oberkruste des Ozeans Weiterhin lieferte 3DWISE ein detailgetreues 3D-Bild der etwa 1 km breiten axialen Austrittsstelle von Magma etwa 1,5 km unter dem Meeresboden. Laut Dr. Marjanovic ist dies das erste hochauflösende 3D-Bild des oberen Teils der ozeanischen Kruste. Die Erforschung der Krustenbildung am Grund ozeanischer Platten wird genauere Einblicke zur Aktivität von Platten liefern, die weiter von der Gratachse und den Subduktionszonen entfernt sind. "Diese Zonen sind besonders wichtig, da sie der Ursprung verheerender Erdbeben und Tsunamis sind und damit einige der schlimmsten Katastrophen in der Menschheitsgeschichte ausgelöst haben", schließt Dr. Marjanovic.

Schlüsselbegriffe

3DWISE, Meeresboden, ozeanische Kruste, Mittelozeanischer Rücken, Plattentektonik, 3D-FWI, Full Waveform Inversion, Ostpazifischer Rücken

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