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Earth structure and dynamics constrained by new approaches using ambient seismic noise

Yongki Andita Aiman

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Geophysik

Betreuer*in

Götz Bokelmann

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DOI

10.25365/thesis.79374

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-20650.16337.108522-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Fortschritte in der seismischen Instrumentierung und der Datenanalysistechniken die seismologische Forschung grundlegend verändert. Die Berechnung von Kreuzkorrelationen aus Aufzeichnungen des Umgebungsrauschens zwischen Stationspaaren ermöglicht die Extraktion der elastischen Antwort der Erde. Dies hat die breite Anwendung von Techniken des seismischen Umgebungsrauschens erleichtert, insbesondere mit der Bereitstellung großräumiger temporärer Netzwerke wie AlpArray und USArray. Frühe Erfolge befassten sich vor allem mit hochauflösenden Untergrundsabbildungen mithilfe von Oberflächenwellen. Das reichhaltige Wellenfeld des Umgebungsrauschens birgt jedoch noch viel ungenutztes Potenzial, welches Aufschluss geben könnte über das tiefe Erdinnere und die Dynamik der Erdkruste. Diese Dissertation untersucht das Potenzial des seismischen Umgebungsrauschens und konzentriert sich dabei auf zwei Schlüsselbereiche. Der erste ist die hochauflösende Abbildung von Diskontinuitäten in der Mantelübergangszone (MTZ). Der zweite ist die Untersuchung der Orientierung des krustalen Spannungsfeldes. Die Abbildung von MTZ-Diskontinuitäten unter Verwendung von seismischem Umgebungsrauschen wurde durch die geringe Amplitude von Raumwellen mit tiefem Pfad behindert. Um dies zu beheben, präsentieren wir eine Datenauswahlstrategie, die die quantitative Analyse der Zusammensetzung der Rauschphasen nutzt, um die Gewinnung schwacher Raumwellenreflexionen zu verbessern. Durch die Anwendung dieser Methode auf Rauschkorrelationsdaten, die über die zusammenhängenden Vereinigten Staaten berechnet wurden, konnten wir die 410-km- und 660-km-Diskontinuitäten erfolgreich abbilden und eine ausgeprägte stufenartige Struktur aufzeigen, bei der beide unter dem tektonisch aktiven Westen der USA im Vergleich zum kratonischen Mittelosten der USA deutlich tiefer liegen. Darüber hinaus ermöglicht uns die Analyse der Zusammensetzung der Rauschphasen, die weniger untersuchte 520-km-Diskontinuität und die relative Amplitude seismischer Phasen zu kartieren, die mit den 410-km-, 520-km- und 660-km-Diskontinuitäten verbunden sind. Diese kombinierten Informationen – die Tiefenkarte der 520-km-Diskontinuität und die Verteilung der relativen Phasenamplituden innerhalb der MTZ – helfen uns, die innere Struktur der MTZ zu untersuchen und deuten auf thermochemische Unterschiede unter den zusammenhängenden Vereinigten Staaten hin. Über die Abbildung der tiefen Struktur der Erde hinaus bleibt die Anwendung von seismischem Umgebungsrauschen zur Untersuchung der Erddynamik, insbesondere der krustalen Spannung, ein relativ junges Forschungsfeld. Wir präsentieren die Anwendung der Natural-Pump-Probe-Methode, die die spannungsinduzierte Anisotropie in der nichtlinearen Elastizität nutzt, gemessen durch dehnungsabhängige Geschwindigkeitsvariationen, die aus dem Umgebungsrauschen abgeleitet werden. Durch die Anwendung dieser Technik auf die Südalpen zielten wir darauf ab, das gegenwärtige Spannungsmuster zu verstehen, das mit der anhaltenden Deformation aufgrund der gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Drehung der Adriatischen Platte relativ zur Europäischen Platte verbunden ist. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, warum die beiden Hauptverwerfungen in Nordostitalien derzeit inaktiv sind, während das gegenwärtige Spannungsfeld es Verwerfungen in Slowenien ermöglicht, sich aktiv zu verformen. Dieser Ansatz bietet eine komplementäre und potenziell umfassendere Möglichkeit, die Untergrundspannung zu verstehen, verglichen mit traditionellen, räumlich begrenzten Bohrlochmessungen und Erdbebenherdmechanismen, und unsere Ergebnisse deuten auf sein Potenzial hin, die Messlücke zu schließen, die von konventionellen Ansätzen in Bezug auf regionale Abdeckung und Tiefe hinterlassen wird.

Abstract

(Englisch)

Over the past two decades, advancements in seismic instrumentation and data analysis techniques have fundamentally transformed seismological research. The computation of cross-correlations from ambient noise recordings between station pairs enables the extraction of Earth's elastic response. This has facilitated the widespread application of ambient seismic noise techniques, especially with the deployment of large-scale temporary networks such as AlpArray and USArray. Early successes prominently featured high-resolution surface wave imaging. However, the rich ambient noise wavefield holds much unexplored potential, which can shed light also on Earth’s deep interior and crustal dynamics. This dissertation explores the potential of ambient seismic noise, focusing on two key areas. The first is high-resolution imaging of mantle transition zone (MTZ) discontinuities. The second is the investigation of crustal stress field orientation. Imaging MTZ discontinuities using ambient seismic noise has been hindered by the low amplitude of body waves that travel long distances through the deep Earth. To address this, we present a data selection strategy that leverages quantitative noise phase composition analysis to enhance the recovery of faint body-wave reflections. Applying this method to noise correlation data computed across the contiguous U.S., we successfully mapped the 410-km and 660-km discontinuities, revealing a pronounced step-like structure where both are notably deeper beneath the tectonically active Western U.S. compared to the cratonic Central Eastern U.S. Furthermore, the analysis of noise phase composition enables us to map the less-studied 520-km discontinuity and the relative amplitude of seismic phases associated with the 410-km, 520-km, and 660-km discontinuities. This combined information—the depth map of the 520-km discontinuity and the distribution of relative phase amplitudes within the MTZ—helps us to investigate the internal structure of the MTZ and suggests thermochemical differences beneath the contiguous U.S. Beyond imaging Earth's deep structure, the application of ambient seismic noise to study Earth's dynamics, particularly crustal stress, remains a relatively young field. We present the application of the natural pump-probe method, which utilizes stress-induced anisotropy in nonlinear elasticity, measured through tidally-induced velocity variations derived from ambient noise. Applying this technique to the Southern Alps, we aimed to understand the contemporary stress pattern associated with the ongoing deformation resulting from the Adriatic plate's counterclockwise rotation relative to the European plate. Our results elucidate why the two major faults in Northeastern Italy are currently inactive, while the present stress field allows faults in Slovenia to deform actively. This approach provides a complementary and potentially more extensive way to understand subsurface stress compared to traditional, spatially limited borehole measurements and earthquake focal mechanisms, and our findings indicate its potential to bridge the measurement gap left by conventional approaches in terms of both regional coverage and depth.

Autor*innen

Yongki Andita Aiman

Haupttitel (Englisch)

Earth structure and dynamics constrained by new approaches using ambient seismic noise

Publikationsjahr

2025

Umfangsangabe

xiv, 117 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Helle Pedersen ,

Piero Poli

Klassifikation

38 Geowissenschaften > 38.38 Seismologie

AC Nummer

AC17651194

Utheses ID

76297

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 416 |

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Schlagwörter