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Towards a self-consistent Earth model from multi-scale joint inversion: Revealing Earth's mantle elasticity and density with seismic full-waveform inversion, tidal tomography and homogenization

Applicant Böhm Christian
Number 197369
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geophysics
Start/End 01.01.2021 - 31.12.2024
Approved amount 474'928.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geophysics
Mathematics
Information Technology

Keywords (10)

Mantle density structure; Tomography; Homogenization; Full-waveform inversion; Seismology; Ocean load; Tidal tomography; Numerical modeling; Seismic tomography; Inverse problems

Lay Summary (German)

Lead
Unser Wissen über die Beschaffenheit des Erdinneren beruht vor allem auf indirekten Beobachtungen. Gezeitenkräfte oder seismische Wellen ausgelöst durch Erdbeben führen zu kleinen Deformationen, die an der Erdoberfläche gemessen werden können. Durch ein dichtes Netzwerk hochsensibler Seismometer und Sensoren des Globales Navigationssatellitensystem ist so über die letzten Jahre ein grosser Schatz an Messdaten entstanden. Ähnlich zu einem Computertomogramm in der Medizin können aus diesen Daten Bilder des Erdinneren rekonstruiert werden. Dabei ist es essentiell verschiedene physikalische Modelle und Beobachtungen zu kombinieren, um ein möglichst genaues und vollständiges Modell der Erdstruktur zu erhalten.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Hauptziel unseres Forschungsvorhabens ist es, neue Erkenntnisse über die Beschaffenheit der Erdkruste und des Erdmantels zu gewinnen. Während seismische Wellen vor allem sensitiv bezüglich der Geschwindigkeit des Materials sind, erlauben Tidendaten Rückschlüsse auf die Dichtestruktur des Materials. Die Dichte ist ein Schlüsselparameter für die Modellierung der geodynamischen Evolution des Erdmantels. Variationen in der Geschwindigkeit seismischer Wellen hingegen sind ein Indikator für die Temperatur und Zusammensetzung. Es ist daher essentiell, beide physikalischen Modelle und die zugehörigen Messdaten in einer Tomographie miteinander zu verschmelzen, um eine Verbindung zwischen der Seismologie und Konvektionsmodellen im Erdmantel herzustellen. Hierbei spielt das Konzept der Homogenisierung eine entscheidende Rolle um ein über mehrere Skalen hinweg konsistentes Modell des Erdinneren zu erhalten.
Die Erstellung dieser Modelle basiert auf neuartigen numerischen Verfahren, welche die Ausbreitung seismischer Wellen sowie die Deformation der Erde durch die Gezeiten simulieren können. Diese aufwendigen Berechnungen werden in Zusammenarbeit mit dem Swiss National Supercomputing Centre auf einem Höchstleistungsrechner durchgeführt.


Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Forschungsprojekts wird wichtige methodische Grundlagen schaffen, um neue Erkenntnisse über das Erdinnere zu gewinnen. Drei-dimensionale Modelle des Erdmantels helfen unserem Verständnis geodynamischer Prozesse. Ein genaueres Bild der Erdkruste ermöglicht es zudem, Risiken von Erdbeben besser abzuschätzen.
Direct link to Lay Summary Last update: 27.08.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172508 Mapping the internal structure of Mars 01.06.2017 Project funding

Abstract

The last decade has witnessed an unprecedented increase in openly available geodetic and seismic data that are sensitive to Earth's interior structure.This includes a dense network of ground-based Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers that are capable of detecting tidal displacements due to the gravitational interaction of the Earth with the Sun and Moon to sub-millimeter precision.Furthermore, the amount of high quality broad band seismic data has seen an exponential growth due to the installation of very dense networks such as the USarray, allowing for unprecedented resolution in seismic tomography.Together, these new data sets are complimentary as tidal data are more sensitive to the radial and lateral variations in density, which are typically poorly constrained. Density, however, is the key parameter of interest in models of the geodynamical evolution of Earth's mantle, since density differences drive mantle flow. The lateral variations in seismic wave speeds seen in tomographic images are believed to reflect variations in temperature and composition, thus providing a unique link between traditional seismic tomography and mantle flow models in geodynamics. Because the effective models that data from different observations or at different scales are sensitive to can vary significantly, homogenization is a key concept to produce consistent models.The overarching goal of this project is to infer Earth's mantle elasticity and density structure from a broad range of seismic and geodetic data.The two key components toward this goal are (1) adjoint-based tidal tomography in three-dimensional Earth models and (2) joint inversion of geodetic and seismic data sensitive to varying spatial scales by rigorously including homogenization into the formulation of the inverse problem. The methodological link between (1) and (2) is the similarity of the underlying partial differential equations, which can be treated numerically by the same algorithmic framework.The present proposal results from recent advances in full-waveform seismic inversion and tidal theory, numerical developments in accurate modelling of the seismic and tidal response of the Earth, availability of relevant data and processing techniques, and comprehensive mineral physics databases that enable quantitative inferences to be made.In this project we overcome methodological deficiencies that beset current modelling techniques by using a consistent and fully numerical approach to body and ocean load tides, and homogenization by leveraging recently developed numerical modelling techniques for multi-physics purposes based on a spectral-element method. Within this framework, data sensitivity to 3D structure can be computed via the adjoint method, which for the first time, will enable us to account for the full physics in a joint inversion of tidal and seismic data at various scales simultaneously.The approach is highly interdisciplinary seeking to naturally integrate seismology, geodynamics, and applied mathematics in order to better understand the chemical and physical structure of Earth’s interior. The timing of this proposal reflects the current research on and development of numerical tools and inversion methods that are capable of modelling and handling different geophysical data sets in a fully self-consistent manner.
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