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Heterogeneities in the D” layer beneath the southwestern Pacific inferred from anomalous P- and S-waves

  • The P- and S-wave velocity structure of the D” layer beneath the southwestern Pacific was investigated by using short-period data from 12 deep events in the Tonga-Fiji region recorded by the J-Array and the Hi-net in Japan. A migration method and reflected wave beamforming (RWB) were used in order to extract weak signals originating from small-scale heterogeneities in the lowermost mantle. In order to acquire high resolution, a double array method (DAM) which integrates source array beamforming with receiver array beamforming was applied to the data. A phase-weighted stacking technique, which reduces incoherent noise by employing complex trace analysis, was also applied to the data, amplifying the weak coherent signals from the lowermost mantle. This combination greatly enhances small phases common to the source and receiver beams. The results of the RWB method indicate that seismic energy is reflected at discontinuities near 2520 km and 2650 km, which have a negative P-wave velocity contrast of 1 % at the most. In addition,The P- and S-wave velocity structure of the D” layer beneath the southwestern Pacific was investigated by using short-period data from 12 deep events in the Tonga-Fiji region recorded by the J-Array and the Hi-net in Japan. A migration method and reflected wave beamforming (RWB) were used in order to extract weak signals originating from small-scale heterogeneities in the lowermost mantle. In order to acquire high resolution, a double array method (DAM) which integrates source array beamforming with receiver array beamforming was applied to the data. A phase-weighted stacking technique, which reduces incoherent noise by employing complex trace analysis, was also applied to the data, amplifying the weak coherent signals from the lowermost mantle. This combination greatly enhances small phases common to the source and receiver beams. The results of the RWB method indicate that seismic energy is reflected at discontinuities near 2520 km and 2650 km, which have a negative P-wave velocity contrast of 1 % at the most. In addition, there is a positive seismic discontinuity at a depth of 2800 km. In the case of the S-wave, reflected energy is produced almost at the same depth (2550 km depth). The different depth (50 km) between the P-wave velocity discontinuity at the depth of 2800 and a further S-wave velocity discontinuity at the depth of 2850 km may indicate that the S-wave velocity reduction in the lowermost mantle is about 2-3 times stronger that that of P wave. A look at a 2D cross section, constructed with the RWB method, suggests that the observed discontinuities can be characterized as intermittent lateral heterogeneities whose lateral extent is a few hundred km, and that the CMB might have undulations on a scale of less than 10 km in amplitude. The migration shows only weak evidence for the existence of scattering objects. Heterogeneous regions in the migration belong to the detected seismic discontinuities. These anomalous structures may represent a part of hot plume generated beneath the southwestern Pacific in the lowermost mantle.show moreshow less
  • Die P- und S-Wellen-Geschwindigkeitsstruktur der D” Schicht unter dem südwestlichen Pazifik wurde mittels kurzperiodischer Daten von 12 Tiefbeben in der Tonga-Fiji-Region untersucht, die vom J-Array und Hi-net-Array in Japan registriert wurden. Es wurde für Punktstreuer und ebene Schichten migriert, um schwache Signale zu extrahieren, die an relativ kleinräumigen Heterogenitäten des unteren Mantels entstehen. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, wurde die Double Array-Methode (DAM) verwendet, die Empfängerarray und Quellarray gleichzeitig nutzt. Hierbei ist auch das Phase-Weighted Stack-Verfahren angewendet worden, um inkohärentes Rauschen zu reduzieren und somit schwache kohärente Signale aus dem unteren Mantel aufzulösen. Das Ergebnis der Ebenen-Schichten-Methode (RWB) zeigt, dass sich in der D”-Schicht negative Geschwindigkeitsdiskontinuitäten mit P-Wellen Geschwindigkeitskontrasten von höchstens –1 % in den Tiefen von 2520 km und 2650 km befinden. Zusätzlich befindet sich eine positiveDie P- und S-Wellen-Geschwindigkeitsstruktur der D” Schicht unter dem südwestlichen Pazifik wurde mittels kurzperiodischer Daten von 12 Tiefbeben in der Tonga-Fiji-Region untersucht, die vom J-Array und Hi-net-Array in Japan registriert wurden. Es wurde für Punktstreuer und ebene Schichten migriert, um schwache Signale zu extrahieren, die an relativ kleinräumigen Heterogenitäten des unteren Mantels entstehen. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, wurde die Double Array-Methode (DAM) verwendet, die Empfängerarray und Quellarray gleichzeitig nutzt. Hierbei ist auch das Phase-Weighted Stack-Verfahren angewendet worden, um inkohärentes Rauschen zu reduzieren und somit schwache kohärente Signale aus dem unteren Mantel aufzulösen. Das Ergebnis der Ebenen-Schichten-Methode (RWB) zeigt, dass sich in der D”-Schicht negative Geschwindigkeitsdiskontinuitäten mit P-Wellen Geschwindigkeitskontrasten von höchstens –1 % in den Tiefen von 2520 km und 2650 km befinden. Zusätzlich befindet sich eine positive Geschwindigkeitsdiskontinuitäten in der Tiefe von 2800 km. Bei den S Wellen treten Geschwindigkeitsdiskontinuitäten in einer Tiefe von etwa 2550 km und 2850 km auf. Die scheinbare Verschiebung (50 km) der S-Wellen-Geschwindigkeitsdiskontinuität in der Tiefe von 2850 km deutet darauf hin, daß die S-Wellen-Geschwindigkeitsreduktion im unteren Mantel 2-3 mal stärker ist als die P- Wellen-Geschwindigkeitsreduktion. Ein zweidimensionaler Querschnitt, der mittels der RWB Methode und der Aufspaltung des Gesamtempfängerarrays in Subarrays gewonnen wurde, deutet darauf hin, dass die beobachteten Diskontinuitäten als intermittierende laterale Heterogenitäten mit einer Wellenlänge von einigen hundert km charakterisiert werden können. Die Kern-Mantel-Grenze (KMG) weist möglicherweise Undulationen mit einer Amplitude von 10 km auf. Die Migration weist nur schwache Hinweise für räumliche Streukörper auf. Die in der Migration abgebildeten heterogenen Regionen korrespondieren mit den mittels der RWB Methode gefundenen seismischen Diskontinuitäten. Bei den gefundenen Heterogenitäten könnte es sich um einen Teil eines aufsteigenden heißen Stroms unter dem südwestlichen Pazifik handeln.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tadashi Kito
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000847
Advisor:Frank Scherbaum, Klaus Bataille, Frank Krüger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2003
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2003/07/24
Release Date:2005/02/10
Tag:D” Schicht; Kern-Mantel Grenze; Seismische Arrays
Core-mantle baundary; D” layer; Seismic arrays
RVK - Regensburg Classification:TF 04999 , TP 09960 , TI 03200
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften