dc.contributor.author
Brändlein, Dirk
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:30:40Z
dc.date.available
2013-07-10T11:33:03.771Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2630
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-6831
dc.description.abstract
Adapting the magnetotelluric (MT) method for monitoring the dynamic behaviour
of the Andean subduction system in Northern Chile is focus of this thesis.
Electromagnetic fields, sampled at nine permanent MT stations which cover an
area of approximately 250 x 100 km² in the Andean fore-arc, are evaluated to
monitor the electrical resistivity structure associated with the deep
hydraulic system of the subduction zone. The long term monitoring of geo-
electromagnetic fields reveals different types of temporal variations of
vertical magnetic transfer functions (VTF) in different period ranges which
are evaluated and interpreted. Computation of time series of daily VTFs of an
overall length of 4 years exhibit seasonal variations with amplitudes of more
than 100% of their absolute values for different components at all sites of
the array. The observed seasonal variation affects almost exclusively the
east-west magnetic field component for periods between 100 and 3000 seconds.
These ground-based measurements of magnetic and electric fields exhibit
statistically significant coherences with the interplanetary electric field
(IEF) derived from solar wind and interplanetary magnetic field data of the
Advanced Composition Explorer (ACE) satellite. The IEF penetrates the polar
ionosphere from where it propagates towards equatorial latitudes by wave guide
transmission, with ionosphere and solid Earth acting as conducting boundaries.
Signal coherence between IEF and ground data peaks at periods of approximately
90 min and up to the four harmonics. Coherence values reach 0.4 at these
periods and depend on the electromagnetic field component. They vary with
season and local time. Transfer functions computed between IEF and ground-
based electric and magnetic fields show local maxima at similar periods (90
min and harmonics). The coupling between the east-west magnetic field
component and the IEF shows significant seasonal variability, much larger than
for the other electromagnetic field components. We conclude that the IEF
drives primarily a global circuit of Pedersen currents in the ionosphere.
Resulting time-varying magnetic fields induce electric currents in the ground.
Related ground-based magnetic (primarily north-south) and electric (primarily
east-west) signals vary coherently at all local times and seasons. Conversely,
magnetic signals caused by the IEF-driven Hall currents depend much on local
time and season. We show for the first time that these ionospheric Hall
currents cause no induction in the ground, but they generate magnetic
signatures that are confined to the waveguide between ionosphere and Earth's
surface. Geo-electromagnetic depth sounding applications as MT assume both
spatial and temporal uniform external electromagnetic source fields. The
seasonal variation of VTFs exhibits a systematic violation of this basic
assumption in Northern Chile. The consequence is a systematic seasonal
rotation and length variation of the induction arrows of the period band
between 100 and 3000 seconds. If not taken into account, the structure of an
electrical resistivity model of the subsurface, obtained by MT inversion,
would be distorted. Removing this source field effect with a low-pass filter
allows evaluation of residual variations of the VTF time-series which last
longer than one year. During 2008 and 2009, I observe a significant variation
of the VTFs in the southern part of the network for periods between 1500 and
4000 seconds. To simulate this variation, a 3D reference resistivity model is
obtained by inversion of MT and VTF data using eight stations of the network.
A region of high conductivity matches spatially with the hydrated mantle
wedge. By trial and error, the 3D reference image of the deep electrical
resistivity structure is modified and 3D forward modelling is applied to
explain temporal variations in the VTFs similar to our observations. That
requires modification of the electrical resistivity structure in a region
which coincides roughly with the plate interface directly down-dip of the
Mw7.7 2007 Tocopilla earthquake. We speculate that the anomalous temporal
variations of the VTFs may be caused by large scale fluid relocation in the
aftermath of the seismic event.
de
dc.description.abstract
Die Anpassung der magnetotellurischen Methode (MT) zum Monitoring des
dynamischen Verhaltens der Subduktionszone der Anden ist Fokus dieser
Doktorarbeit. Dafür werden an neun permanenten MT Stationen, die ein Gebiet
von ca. 250 x 100 km² im Forearc-Bereich der Anden abdecken,
elektromagnetische Felder abgetastet. Die Auswertung dieser Daten soll zur
Überwachung des elektrischen Widerstandes dienen, welcher mit dem
hydraulischen System der Subduktionszone in der Tiefe zusammenhängt. Die
Langzeitaufzeichnung geo-elektromagnetischer Felder offenbart verschiedene
Arten zeitlicher Variationen vertikaler magnetischer Übertragungsfunktionen
(VTF) in unterschiedlichen Periodenbereichen, welche ausgewertet und
interpretiert werden. Die Berechnung täglicher VTFs und ihre Zusammenfassung
zu Zeitreihen einer Gesamtlänge von 4 Jahren zeigen jahreszeitliche
Variationen mit Amplituden von mehr als 100% der Absolutbeträge in
verschiedenen Komponenten an allen Stationen des Arrays an. Die beobachteten
jahreszeitlichen Variationen betreffen fast ausschliesslich die Ost-West
Komponente des Magnetfelds für Periodenlängen zwischen 100 und 3000 Sekunden.
Die bodengestützten Messungen von magnetischen und elektrischen Feldern zeigen
statistisch signifikante Kohärenzen mit dem interplanetaren elektrischen Feld
(IEF), das aus Sonnenwind- und interplanetaren Magnetfelddaten des Advanced
Compositon Explorer (ACE) Satelliten berechnet wird. Das IEF dringt in die
polare Ionosphäre ein, von wo es sich in einem Wellenleiter, dessen leitfähige
Begrenzungen von der Ionosphäre und der Erdoberfläche gebildet werden, hin zu
äquatorialen Breiten fortpflanzt. Die Signalkohärenz zwischen IEF- und
bodengestützten Daten ist maximal für Periodenlängen von ca. 90 min und bis
zur vierten Harmonischen. Bei diesen Perioden reichen die Kohärenzwerte bis zu
0.4, hängen aber von der elektromagnetischen Feldkomponente ab. Sie variieren
jahreszeitlich und mit der Ortszeit. Übertragungsfunktionen zwischen IEF und
bodengestützten elektrischen und magnetischen Feldern zeigen lokale Maxima bei
ähnlichen Periodenlängen (90 min und Harmonische). Die Kopplung zwischen der
Ost-West Komponente des Magnetfeldes und IEF offenbart signifikante
jahreszeitliche Veränderung, die viel grösser als für die anderen
elektromagnetischen Feldkomponenten ist. Wir schliessen daraus, dass der IEF
hauptsächlich ein globales System von Pedersen-Strömen in der Ionosphäre
erzeugt. Die resultierenden zeitveränderlichen Magnetfelder induzieren
elektrische Ströme im Boden. Die zugehörigen bodengestützten magnetischen
(hauptsächlich Nord-Süd) und elektrischen (hauptsächlich Ost-West) Signale
variieren kohärent zu allen Lokalzeiten und mit der Jahreszeit. Umgekehrt
hängen die magnetischen Signale, welche durch vom IEF erzeugte Hall-Ströme
verursacht werden, sehr stark von der Lokalzeit und der Jahreszeit ab. Wir
zeigen erstmals, dass diese ionosphärischen Hall-Ströme keine Induktion im
Untergrund verursachen, jedoch magnetische Signaturen erzeugen, die auf den
Wellenleiter zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche beschränkt sind. Geo-
elektromagnetische Tiefensondierungsmethoden wie MT setzen über die Zeit
räumlich gleichförmige externe elektromagnetische Quellfelder voraus. Die
jahreszeitliche Variation der VTFs zeigt eine systematische Verletzung dieser
Grundannahme in Nord-Chile an. Die Konsequenz ist eine systematische
jahreszeitliche Rotation und Längenänderung der Induktonspfeile im
Periodenband zwischen 100 und 3000 Sekunden. Wird dies nicht berücksichtigt,
kommt es zu einer Verzerrung der Struktur eines elektrischen
Widerstandsmodells des Erdinneren, welches durch Inversionsrechnung gewonnen
wird. Die Beseitigung des Quellfeldeffektes durch einen Tiefpassfilter
ermöglicht die Auswertung verbleibender Variationen in den VTF Zeitreihen,
welche länger als ein Jahr andauern. In den Jahren 2008 und 2009 beobachte ich
eine signifikante Variation der VTFs im südlichen Teil des Netzwerkes für
Periodenlängen zwischen 1500 und 4000 Sekunden. Um diese Variation zu
simulieren, wird mit 3D Inversion der MT und VTF Daten von acht der
Netzwerkstationen ein 3D Referenzmodell des elektrischen Widerstandes
berechnet. Eine Region mit hoher elektrischer Leitfähigkeit stimmt dabei
räumlich mit dem hydratisierten Mantelkeil überein. Mit der Trial-and-Error-
Methode wird das 3D Referenzmodell der tiefen elektrischen
Leitfähigkeitsstruktur verändert und Vorwärtsrechnungen durchgeführt, um
Variationen der VTFs, ähnlich den Beobachteten, zu erklären. Dies erfordert
die Modifizierung der elektrischen Widerstandsstruktur in einer Region, welche
grob mit der Grenzschicht der tektonischen Platten direkt unterhalb des
Hypozentrums des Mw7.7 Tocopilla Erdbebens übereinstimmt. Wir spekulieren,
dass die anomale zeitliche Variation der VTFs wahrscheinlich durch
grossvolumige Fluidverlagerungen in der Folge des seismischen Ereignisses
verursacht wurde.
de
dc.format.extent
XII, 106 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
magnetotellurics
dc.subject
Northern Chile
dc.subject
electrical resistivity
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
Geo-electromagnetic monitoring of the Andean Subduction Zone in Northern Chile
dc.contributor.firstReferee
PD Dr. Oliver Ritter
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Serge A. Shapiro
dc.date.accepted
2013-07-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000094658-5
dc.title.translated
Geo-elektromagnetisches Monitoring der Andinen Subduktionszone in Nordchile
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000094658
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000013683
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access