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Crust-mantle interactions beneath the Hangai Mountains in western Mongolia. Insights from 3D magnetotelluric studies and 4D thermo-mechanical modelling

English title Crust-mantle interactions beneath the Hangai Mountains in western Mongolia. Insights from 3D magnetotelluric studies and 4D thermo-mechanical modelling
Applicant Kuvshinov Alexey
Number 162660
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.04.2016 - 31.03.2020
Approved amount 354'053.00
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Keywords (9)

intra-continental uplift; Mongolia; crust; magnetotellurics; three-dimensional models; upper mantle; electrical conductivity; Hangai Dome; upper mantle

Lay Summary (German)

Lead
Es herrscht Konses, dass die Plattentektonik eine Vielzahl dynamischer Prozesse innerhalb der Erde erklärt, wie zum Beispiel die Verteilung von Erdbeben entlang aktive Plattengrenzen. Jedoch sind in einigen Regionen der Erde interkontinentale Hebungszonen zu finden, die, fern von Plattengrenzen, nicht mit den Mechanismen der Plattentektonik erklärt werden können. Eine der ausgeprägtesten Hebungszone ist die Changai-Region in der Mongolei. Während sich frühere und aktuelle geophysikalische Untersuchungen auf Schwere und Seismologie konzentrierten, fehlen magnetotellurische (MT) Untersuchungen des Changai. MT-Datensätze sind von besonderer Bedeutung, da sie die einzige Möglichkeit darstellen, die elektrische Leitfähigkeit der Kruste und des oberen Mantels abzuschätzen. Zonen erhöhter Leitfähigkeit deuten auf das Vorkommen von Fluiden und partiellen Schmelzen hin, die wiederum Schlüsselkomponenten für Hebungsprozesse sind.
Lay summary

Es herrscht Konses, dass die Plattentektonik eine Vielzahl dynamischer Prozesse innerhalb der Erde erklärt, wie zum Beispiel die Verteilung von Erdbeben entlang aktive Plattengrenzen. Jedoch sind in einigen Regionen der Erde interkontinentale Hebungszonen zu finden, die, fern von Plattengrenzen, nicht mit den Mechanismen der Plattentektonik erklärt werden können. Eine der ausgeprägtesten Hebungszone ist die Changai-Region in der Mongolei. Während sich frühere und aktuelle geophysikalische Untersuchungen auf Schwere und Seismologie konzentrierten, fehlen magnetotellurische (MT) Untersuchungen des Changai. MT-Datensätze sind von besonderer Bedeutung, da sie die einzige Möglichkeit darstellen, die elektrische Leitfähigkeit der Kruste und des oberen Mantels abzuschätzen. Zonen erhöhter Leitfähigkeit deuten auf das Vorkommen von Fluiden und partiellen Schmelzen hin, die wiederum Schlüsselkomponenten für Hebungsprozesse sind.

Das Hauptziel des Projekts ist es die Prozesse, die zur Topographie der Changai-Berge führten, zu verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir MT-Messsungen durchführen und die Daten mit Inversionsverfahren analysieren. Das erwartete Hauptergebnis des Projekts ist das erste geoelektrische 3D-Modell des tiefen Untergrunds der Changhai-Region. Eine Interpretation des Modells wird Aufschluss auf den Ursprung Hebungszonen geben.

Das Projekt dient dem besseren Verständnis der für die Hebungszone in der Changhai-Region verantwortlichen Entstehungsprozesse um diese weiter in das globale Bild von Wechselwirkungen zwischen Erdmantel und -kruste, wie sie weltweit in Zonen dynamischer Topographie vorkommen, einzuordnen.

Direct link to Lay Summary Last update: 22.03.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Publications

Publication
Evidence for terrane boundaries and suture zones across Southern Mongolia detected with a 2-dimensional magnetotelluric transect
Comeau Matthew J., Becken Michael, Käufl Johannes S., Grayver Alexander V., Kuvshinov Alexey V., Tserendug Shoovdor, Batmagnai Erdenechimeg, Demberel Sodnomsambuu (2020), Evidence for terrane boundaries and suture zones across Southern Mongolia detected with a 2-dimensional magnetotelluric transect, in Earth, Planets and Space, 72(1), 5-5.
Magnetotelluric multiscale 3-D inversion reveals crustal and upper mantle structure beneath the Hangai and Gobi-Altai region in Mongolia
Käufl J S, Grayver A V, Comeau M J, Kuvshinov A V, Becken M, Kamm J, Batmagnai E, Demberel S (2020), Magnetotelluric multiscale 3-D inversion reveals crustal and upper mantle structure beneath the Hangai and Gobi-Altai region in Mongolia, in Geophysical Journal International, 221(2), 1002-1028.
Topographic distortions of magnetotelluric transfer functions: a high-resolution 3-D modelling study using real elevation data
Käufl Johannes S, Grayver Alexander V, Kuvshinov Alexey V (2018), Topographic distortions of magnetotelluric transfer functions: a high-resolution 3-D modelling study using real elevation data, in Geophysical Journal International, 215(3), 1943-1961.
Evidence for fluid and melt generation in response to an asthenospheric upwelling beneath the Hangai Dome, Mongolia
Comeau Matthew J., Käufl Johannes S., Becken Michael, Kuvshinov Alexey, Grayver Alexander V., Kamm Jochen, Demberel Sodnomsambuu, Sukhbaatar Usnikh, Batmagnai Erdenechimeg (2018), Evidence for fluid and melt generation in response to an asthenospheric upwelling beneath the Hangai Dome, Mongolia, in Earth and Planetary Science Letters, 487, 201-209.

Datasets

The Hangai Mountains Magnetotelluric Experiment: Data repository

Author Kauefl, Johannes
Publication date 23.04.2020
Persistent Identifier (PID) DOI
Repository Research Collection ETH Zurich
Abstract
Data repository, supplementary to Chapter 2 of the doctoral thesis: Crust-mantle interactions beneath the Hangai and Gobi-Altai Mountains, Mongolia Insights from an innovative magnetotelluric multi-scale survey and 3-D inversion ETH Zurich, Dissertation Nr. 26631

The Hangai Mountains Magnetotelluric Experiment: Inversion repository

Author Kauefl, Johannes
Publication date 28.04.2020
Persistent Identifier (PID) DOI
Repository Research Collection ETH Zurich
Abstract
Inversion data repository, supplementary to Chapter 4 of the doctoral thesis: Crust-mantle interactions beneath the Hangai and Gobi-Altai Mountains, Mongolia Insights from an innovative magnetotelluric multi-scale survey and 3-D inversion ETH Zurich, Dissertation Nr. 26631

Animation of the Hangai and Gobi-Altai resistivity model (Mongolia)

Author Kauefl, Johannes
Publication date 23.04.2020
Persistent Identifier (PID) DOI
Repository Research Collection ETH Zurich
Abstract
A video animation of the electrical resistivity model of the Hangai and Gobi-Altai region in Mongolia. The model was created with a multiscale inversion of magnetotelluric data. Measurement locations are shown by grey spheres. Additional geologic information is shown in the end of the video. Fault traces are shown by grey lines, cenozoic volcanism by red spheres, geothermal activity by light blue spheres and a geothermal high heat flow anomalies by an orange outline.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Research Center of Astronomy and Geophysics, Mongolian Academy of Science Mongolia (Asia)
- Publication
- Exchange of personnel
Department of Earth and Environmental Sciences, Lehigh University United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
AGU FallMeeting Talk given at a conference Intra-continental uplift and volcanism in the Hangai Mountains (Mongolia); Insights from a multiscale magnetotelluric 3-D inversion 09.12.2019 San Francisco, United States of America Käufl Johannes; Becken Michael; Kuvshinov Alexey;
24 Electromagnetic Induction Workshop Talk given at a conference Topographic distortions of magnetotelluric transfer functions: A high resolution 3-D modelling study using real elevation data and higher order FEM 13.08.2018 Helsingor, Denmark Kuvshinov Alexey; Käufl Johannes;


Awards

Title Year
Outstanding Student Presentation Award (OSPA) at AGU Fall Meeting 2019 2020

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
189177 Geodynamic modelling of intra-plate deformation guided by 3D electromagnetic imaging of the lithosphere below Mongolia 01.10.2020 Project funding

Abstract

Lead There is consensus that plate tectonics explains many dynamic processes within and on Earth’s surface, including the distribution of earthquakes and volcanoes at active plate boundaries. It, however, cannot predict uplifts far away from plate boundaries that occur in many regions of the world and whose origin remains enigmatic. The explanations are diverse and controversial and include, for example, a hot upwelling mantle, or lower crustal flow. One of the clearest appearances of such uplift is the Hangai Dome in Mongolia. While past and on-going geophysical studies have focused on gravity and seismology, magnetotelluric (MT) studies are still missing from the Hangai. MT data are particularly important, however, as these are the sole means of estimating crustal and upper mantle electrical conductivity, which is very sensitive to fluids and partial melt that are key components of the processes responsible for the intra-continental uplift.Aims of the research projectThe primary goal of the project is to understand the processes which led to the topography in the Hangai Mountains. To achieve this goal we will acquire, process, and invert MT data in western Mongolia in terms of three-dimensional (3D) conductivity models. The main expected output from the project is the first 3D geo-electrical model beneath the Hangai Dome. Interpreting this model jointly with other geophysical observations/models will shed light on the origin of intra-continental uplifts. Scientific and societal context of the research projectThe project aims to understand the processes responsible for developing dynamic topography in the Hangai Mountains and to place them within the larger framework of crust-mantle interactions and dynamic topography around the world.
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