Spuren des Plumes und Strukturen des oberen Mantels unter Hawaii abgeleitet aus konvertierten Wellen

Abstract

Hawaii gehört zu den bekanntesten Beispielen für Hotspot-Vulkanismus weltweit. Die von weiteren tektonischen Einflüssen isolierte Position inmitten des Pazifischen Ozeans macht Hawaii zu einem interessanten Untersuchungsobjekt auf dem Gebiet der Mantelplumes. Weder die Entstehungstiefe noch die genaue Lage des Plumeschlauches im Erdmantel sind bislang genau bekannt - Fragen, deren Beantwortung auch neue Erkenntnisse bezüglich der dynamischen Prozesse des Mantels, wie etwa der Konvektion, liefern könnten. In dieser Arbeit wurde die Methode der Receiver Functions angewendet, um Strukturen bis in den obersten Teil des unteren Mantels unter Hawaii zu untersuchen. Zur Auswertung standen Daten von elf temporären Breitbandstationen auf den vier größten Hawaii-Inseln zur Verfügung sowie zusätzliche Daten permanenter Breitbandstationen. Die Untersuchung ergab eine Reihe von neuen Ergebnissen der seismischen Struktur in verschiedenen Tiefenbereichen. Die Moho konnte in Tiefen zwischen 12 - 17 km beobachtet werden. Im jüngeren Teil der Inselkette, von Big Island bis etwa Oahu, tritt zusätzlich eine sehr starke Konvertierte auf, die innerhalb der Kruste erzeugt wird und zum jüngeren Bereich hin systematisch früher auftritt. Deutlich ausgeprägt erscheint im Messgebiet die Lithosphären-Asthenosphären- Grenze, die, unter dem älteren Teil der Inselkette flacher verläuft. Innerhalb der Asthenosphäre wurde eine lokale Niedriggeschwindigkeitszone unterhalb von Big Island nachgewiesen. Die Diskontinuitäten der Mantelübergangszone in 410 km und 660 km Tiefe konnten identifiziert werden. Stellenweise konnten außerdem konvertierte Phasen aus 520 km sowie aus größeren Tiefen beobachtet werden. Anhand der Ankunftszeiten der P410s und P660s konnte das Messgebiet in drei Regionen unterteilt werden: Der Südosten der Inselkette zeigt keine Einflüsse des Plumes, während der nordwestliche Teil auf reduzierte S-Wellengeschwindigkeiten im oberen Mantel schließen lässt. Südwestlich von Big Island jedoch weist eine Ausdünnung der Mantelübergangszone auf die Position des Plumes hin. Für dessen Kernbereich wurde ein Radius von etwa 120 km ermittelt.

Hawaii is one of the best-known examples of hotspot volcanism in the world. The insulated position in the central Pacific keeps away additional tectonic effects. Hence, in the context of mantle plumes Hawaii is a site of special interest. Until now neither the depth of the plume source nor the exact position of its conduit in the mantle are well-known. Answers to these questions may also bring new cognition linked to the dynamical processes of the mantle such as convection. Within this work the receiver function technique has been applied to image seimic velocity structures down to the uppermost part of the lower mantle beneath Hawaii. Data from eleven temporary broadband seismic stations located on the four biggest Hawaiian islands have been investigated. Supplementary data have been available from permanent broadband stations. A couple of observations have been made in different depths. Moho depths between 12 - 17 km have been derived. Underneath the younger part of the island chain from the Big Island to Oahu an additional converted phase beeing generated within the crust. To the younger part it is occuring systematically earlier in the seismic section. The lithosphere-asthenosphere boundary was clearly observed in the area under investigation. The thickness of the lithosphere is decreasing to the older part of the island chain. Within the asthenosphere a local low velocity zone has been verified underneath the Big Island. The discontinuities of the mantle transition zone in 410 km and 660 km depth have also been identified. In some parts also converted phases generated at 520 km and also greater depths have been found. According to arrival times of the P410s and P660s phases the area could have been devided into three regions: The southeast does not show any influences of a mantle plume at all, while in the northwestern part reduced S-wave velocities in the uppermost mantle are found. Southwest of the Big Island, finally, thinning of the mantle transition zone indicates the position of the plume conduit in this depths with a core radius of about 120 km.