Report of the panel on lithospheric structure and evolution, section 3

The panel concluded that NASA can contribute to developing a refined understanding of the compositional, structural, and thermal differences between continental and oceanic lithosphere through a vigorous program in solid Earth science with the following objectives: determine the most fundamental geophysical property of the planet; determine the global gravity field to an accuracy of a few milliGals at wavelengths of 100 km or less; determine the global lithospheric magnetic field to a few nanoTeslas at a wavelength of 100 km; determine how the lithosphere has evolved to its present state via acquiring geologic remote sensing data over all the continents

Untersuchung der Lithosphärenstruktur Antarktikas mittels geophysikalisch–petrologischer Modellierung

In this thesis, satellite gravity data are combined with seismic findings to invert for the Moho depth of Antarctica. The results suggest a significantly lower density contrast between crust and mantle underneath East Antarctica compared to West Antarctica. Accounting for that, combined geophysical-petrological modelling of the lithosphere in 2-D is conducted along a well studied profile to test different Moho depth scenarios. However, even though multiple geophysical observables are considered in an integrated manner, neither of the competing scenarios can be validated or refuted with this approach. This demonstrates the need for comprehensive modelling in 3-D. By utilizing satellite gravity gradient data in a thermodynamically self-consistent framework, this dissertation establishes a 3-D model of the Antarctic lithosphere and sublithospheric upper mantle. A new Moho depth map of the continent is derived that is in good agreement with independent seismic estimates. It also exhibits detailed variations for so far scarcely explored areas. Total lithospheric thickness values of the presented model confirm the marked contrast between West Antarctica (<100 km) and East Antarctica (up to 260 km). The inferred deep thermal field is used to estimate 3-D viscosities of the mantle for GIA modelling. Coupled with present-day uplift rates from GPS, the relatively low viscosity values suggest a bulk dry upper mantle rheology. Finally, the crustal part of the 3-D density model is tested against recent airborne gravimetric data. The short-wave-length residual signal is inverted for near-surface density variations within the crust with the aim to refine the continental lithospheric model on a regional scale. These two applications demonstrate the potential of the presented model for further regional and continental-scale studies of Antarctica.In dieser Dissertation werden Satellitenschweredaten zusammen mit seismischen Befunden dazu verwendet, Inversionsrechnungen zur antarktischen Mohotiefe durchzuführen. Die Ergebnisse deuten auf einen signifikant geringeren Dichteunterschied zwischen Kruste und Mantel unterhalb der Ostantarktis gegenüber der Westantarktis hin. Darauf aufbauend werden zwei konträre Szenarien zur Mohotiefe mithilfe integrierter, geophysikalisch-petrologischer 2D-Modellierverfahren entlang eines relativ gut untersuchten Profils analysiert. Trotz der gekoppelten Einbeziehung mehrerer geophysikalischer Größen konnte auf diesem Wege jedoch kein eindeutiges Ergebnis erzielt werden. Stattdessen sind umfangreiche, dreidimensionale Modellierungen erforderlich. Unter Verwendung von Schweregradientendaten aus Satellitenmessungen wird in der vorliegenden Arbeit ein 3D-Modell der antarktischen Lithosphäre und des sublithosphärischen Mantels erstellt, das in sich thermodynamisch konsistent ist. Eine neue Tiefenkarte der Moho-Diskontinuität wird vorgelegt, die mit unabhängig gewonnenen seismischen Ergebnissen im Einklang steht und zahlreiche Details in bislang kaum erforschten Gebieten der Ostantarktis aufweist. Die modellierte Tiefe der Lithosphärenbasis bestätigt frühere Studien hinsichtlich des starken Kontrasts zwischen Westantarktika (<100 km) und Ostantarktika (bis zu 260 km). Aus dem modellierten Temperaturfeld werden Mantelviskositäten abgeleitet, die ihrerseits Eingang in ein GIA-Modell finden. Der Vergleich mit GPS-Messungen gegenwärtiger Landhebungsraten lässt auf relativ niedrige Viskositätswerte schließen, die der Rheologie trockenen Mantelmaterials entsprechen. Abschließend wird der Krustenbereich des Dichtemodells mit aerogravimetrischen Messdaten abgeglichen. Aus dem kurzwelligen Signalanteil werden Dichtevariationen innerhalb der Oberkruste invertiert, um das Lithosphärenmodell auf regionaler Skala nachbessern zu können. Anhand dieser Beispiele sollen die Möglichkeiten des vorgelegten Modells als Basis für weitere Studien zum antarktischen Kontinent aufgezeigt werden

Earth tectonics as seen by GOCE - Enhanced satellite gravity gradient imaging

Curvature components derived from satellite gravity gradients provide new global views of Earth’s structure. The satellite gravity gradients are based on the GOCE satellite mission and we illustrate by curvature images how the Earth is seen differently compared to seismic imaging. Tectonic domains with similar seismic characteristic can exhibit distinct differences in satellite gravity gradients maps, which points to differences in the lithospheric build-up. This is particularly apparent for the cratonic regions of the Earth. The comparisons demonstrate that the combination of seismological, and satellite gravity gradient imaging has significant potential to enhance our knowledge of Earth’s structure. In remote frontiers like the Antarctic continent, where even basic knowledge of lithospheric scale features remains incomplete, the curvature images help unveil the heterogeneity in lithospheric structure, e.g. between the composite East Antarctic Craton and the West Antarctic Rift System

NASA Geodynamics Program

Activities and achievements for the period of May 1983 to May 1984 for the NASA geodynamics program are summarized. Abstracts of papers presented at the Conference are inlcuded. Current publications associated with the NASA Geodynamics Program are listed

Prozessierung und Interpretation von Satelliten- und terrestrischen Schweredaten auf verschiedenen Skalen

Global availability of gravity data allows the regional investigation (<100 km anomaly wavelengths) of the lithosphere. This thesis describes the processing and use of satellite gravity data for modelling at different lithospheric scales. The first part shows comparisons of satellite gravity from different missions (GRACE and GOCE) and ground based data in den Andean mountain range and Costa Rica. First, the terrain corrected Bouguer anomaly were compiled from two geodteic definitions: the geodetic "classical" gravity anomaly and the geodetic gravity disturbance. Large deviations from ground data are observed in areas of high topography. Second, comparisons with an existing density model at the Andes (between 36°S and 42°S) prove, that satellite gravity can be used to model regional gravity effects (e.g. subducting slab, crust and mantle). The volcanic back arc do not show up in the satellite gravity data. The second part of the thesis presents the development of a new accurate algorithm for topographic correction based on a polyhedral representation by triangulation of topographic surfaces. The new algorithm also considers sphericity of the earth, calculates gravity gradients, deals with large datasets and uses an adaptive approach for resampling topography to save computation time. The resampling algorithm bases on a quad tree representation of the topography grid with different resolutions. High resolutions of the topography grid are only considered if it has a significant influence on the gravity at the station. Thus, this approach links the resampling of topography during the calculation with distance and geometry of topography. This leads to an accurate representation of distant terrain and a massive speed up of computation time. The new algorithm will be tested in an area of central Asia in the Himalayan mountain range and compared to existing algorithms. Furthermore, the impact of grid resolutions on the correction will be discussed. Results show significant differences between corrections for different resolutions (e.g. 10 *10^-5 m/s^2 root mean square error between 1 km and 90 m grid resolution). Recalculations of existing Bouguer anomaly compilations show slight differences. Topographic correction of gradients are calculated in the Andes which leads to an improved representation of lithospheric structures in the measured gradients. Another test is conducted at a passive continental margin to investigate the effect of topographic corrections in another environment. Bouguer anomalies of the North Perth basin are recalculated which improves the fit of anomalies and geological structural elements. A 3D model is set up based on ground data to investigate the sedimentary basins at the isostatic state of the area. The results will be compared to satellite data to estimate the usability of satellite data in such an environment. The comparison shows that satellite data can be used to calculate the Moho interface in this area. However, small structures like sedimentary basins do not show up in the gravity field. The results are in agreement with the investigations in the area of an active continental margin (Central Andes).Die globale Verfügbarkeit von Schweredaten ermöglicht regionale Untersuchungen (Anomalien >100 km Wellenlänge) der Dichtestruktur der Lithosphäre. In dieser Dissertation werden Satellitenschweremodelle auf verschiedenen Skalen auf ihre Anwendbarkeit für dreidimensionale Dichtemodelle untersucht, sowie ein neues Verfahren zur topographischen Korrektur von Schweredaten präsentiert. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Bougueranomalien von verschiedenen Satellitenmissionen (GRACE und GOCE) in den Anden und Costa Rica mit terrestrischen Daten verglichen. Hierfür werden zuerst aus den globalen Sattelitendaten zwei Bougueranomalien auf Basis verschiedener geodätischer Definitionen (die geodätische "klassische" Schwereanomalie und die geodätische Schwerestörung) analysiert und beschrieben. Hierbei zeigen sich große Unterschiede zu terrestrischen Daten in Regionen hoher Topographie zeigen. Die Vergleiche mit einem existierenden Dichtemodell in den Anden (zwischen 36°S und 42°S) zeigen, dass Satellitenmodelle geeignet sind um regionale Schwereeffekte an aktiven Kontinentalrands (z.B. abtauchende Platte, der Kruste und des Mantels) zu modellieren. Kleinere Strukturen, wie z.B. der vulkanische Rücken sind nicht sichtbar. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Prozessierung von Schweredaten und stellt die Entwicklung eines Algorithmus für eine präzise topographische Korrektur mit Hilfe von Polyhedrons dar. Das neue Verfahren berücksichtigt, neben der genauen Repräsentation der topographischen Geometrie durch triangulierte Oberflächen, auch die Krümmung der Erde, berechnet Korrekturen für die Schweregradienten, verarbeitet sehr große topographische Datensätze und dünnt effektiv redundante Informationen in den topographischen Datensätzen aus, um die Rechenzeit zu verkürzen; dabei wird weit entfernte Topographie berücksichtigt. Mit diesen Funktionen erfüllt das Verfahren alle Voraussetzungen, um topographische Korrekturen auch für große regionale Datensätze durchzuführen. Zum Ausdünnen topographischer Informationen wird eine Datenstruktur auf Grundlage eines "Quad-tree" angelegt, der topographische Daten in verschiedenen (immer gröber werdenden) Auflösungen enthält. Während der Berechnung des topographischen Schwereeffekts wird eine feine Auflösung automatisch nur dann gewählt, wenn es einen signifikanten Einfluss auf den Schwerewert an der Station hat. Im Unterschied zu bestehenden Methoden zum Vergröbern der topographischen Information bezieht dieser neue Ansatz erstmalig nicht nur den Abstand der topographischen Struktur zur Station in die Berechnung ein, sondern auch deren Geometrie. Dies führt zu einem sehr effektiven Ausdünnen von Höhenpunkten und einer besseren Repräsentation weit entfernter Topographie, ohne jedoch den Einfluss eines Höhenzuges auf den Stationsschwerewert signifikant zu verändern. Das neue Verfahren wird mit synthetischen Stationsdaten in Zentralasien nahe des Himalayas mit bestehenden Algorithmen verglichen. Zudem wird durch Vergleiche der Einfluss verschiedener Auflösungen der Gitternetze auf die Korrekturen abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass Korrekturen mit einer geringeren Auflösung der Topographie (z.B. 1 km) zu einem deutlichen Unterschied zu Berechnungen mit hoher Auflösung (90 m) führen (~10 *〖10〗^(-5) m/s^2 Standardabweichung). Vergleiche zwischen topographischen Korrekturen des neuen Algorithmus und bestehender Bougueranomalien in den Anden zeigen leichte Abweichungen. Die topographische Korrektur von Schweregradienten wird erfolgreich in den Anden durchgeführt und zeigt, dass die Korrektur zu einer besseren Abbildung von Untergrundstrukturen durch die gemessenen Gradienten führt. Ein weiterer Test wird am passiven Kontinentalrand Westaustraliens durchgeführt, um den Unterschied topographischer Korrekturen in kleinräumigeren flachen Gebieten zu untersuchen. Im nördlichen Perth-Becken werden existierende Bougueranomalien mit Berechnungen der Bougueranomalie durch das neue topographische Korrekturverfahren verglichen. Hierbei zeigt sich eine bessere Korrelation der neuberechneten Schwereanomalie mit geologischen Strukturen. Im selben Gebiet wird ein dreidimensionales Schweremodell basierend auf terrestrischen Daten erstellt, um die Entstehung und Tiefe der Sedimentbecken und den isostatischen Zustand zu untersuchen. Dieses Ergebnisse werden im Anschluss mit Satellitendaten verglichen um das verschiedene Auflösungsvermögen der beiden Schwerefelder in dieser Region zu vergleichen. Es kann gezeigt werden, dass die Schwerefelder auch hier nutzbar sind, um die Geometrie der Krusten-Mantel Grenze zu beschreiben. Sedimentbecken sind hier nicht bzw. nur leicht im Satellitenschwerefeld zu sehen. Diese Ergebnisse decken sich mit den Untersuchungen am aktiven Kontinentalrand

Research program of the Geodynamics Branch

This report is the Fourth Annual Summary of the Research Program of the Geodynamics Branch. The branch is located within the Laboratory for Terrestrial Physics of the Space and Earth Sciences Directorate of the Goddard Space Flight Center. The research activities of the branch staff cover a broad spectrum of geoscience disciplines including: tectonophysics, space geodesy, geopotential field modeling, and dynamic oceanography. The NASA programs which are supported by the work described in this document include the Geodynamics and Ocean Programs, the Crustal Dynamics Project and the proposed Ocean Topography Experiment (TOPEX). The reports highlight the investigations conducted by the Geodynamics Branch staff during calendar year 1985. The individual papers are grouped into chapters on Crustal Movements and Solid Earth Dynamics, Gravity Field Modeling and Sensing Techniques, and Sea Surface Topography. Further information on the activities of the branch or the particular research efforts described herein can be obtained through the branch office or from individual staff members

Improving the geological interpretation of magnetic and gravity satellite anomalies

Current limitations in the quantitative interpretation of satellite-elevation geopotential field data and magnetic anomaly data were investigated along with techniques to overcome them. A major result was the preparation of an improved scalar magnetic anomaly map of South America and adjacent marine areas directly from the original MAGSAT data. In addition, comparisons of South American and Euro-African data show a strong correlation of anomalies along the Atlantic rifted margins of the continents

Lithospheric structure from forward and inverse modeling of satellite gravity and magnetic data

Satellite missions have provided the Earth's gravity and magnetic field at resolutions sufficient for large-scale geophysical applications. While satellite data do not possess the same resolution as ground data, their homogeneous coverage and low error make them ideal for studying large-scale lithospheric structure and processes. In this thesis, the sensitivity of satellite potential field data to structures in the lithosphere is investigated. Furthermore, a crustal model is derived based on a data base of active seismic experiments. The calculation of the crustal model is data-driven, unlike previous crustal models, which typically rely on expert knowledge. Finally, a simple probabilistic joint inversion of gravity gradients and topography is developed, that is capable of estimating a two-layer density model of the lithosphere and its uncertainty.Die global verfügbaren Messungen des Schwere- und Magnetfeldes mithilfe von Satelliten liegen heute in einer Auflösung vor, die großräumige geophysikalische Anwendungen ermöglichen. Zwar ist es mit Satelliten nicht möglich, die Auflösung von Bodenmessungen zu erreichen. Um aber großkalige lithosphärische Strukturen zu untersuchen, sind Satellitendaten ideal, da die Datenqualität sehr homogen ist und sie einen geringen Messfehler aufweisen. In dieser Dissertation wird untersucht, wie groß die Sensitivität von Satellitendaten tatsächlich ist. Darüber hinaus wird ein globales Krustenmodell basierend auf einer Datenbank aktiver seismischer Profile erstellt, das -- anders als vorherige Krustenmodelle -- weitgehend ohne manuelle Eingabe von Expertenwissen auskommt. Zuletzt werden die Ergebnisse der verschiedenen Kapitel in einer gemeinsamen, probabilistischen Inversion von Schweregradienten und Topografie kombiniert, mit der ein einfaches Zwei-Schicht Dichtemodell der Lithosphäre und dessen Unsicherheit bestimmt werden kann

Solid earth science in the 1990s. Volume 2: Panel reports

This is the second volume of a three-volume report. Volume 2, Panel Reports, outlines a plan for solid Earth science research for the next decade. The science panels addressed the following fields: plate motion and deformation, lithospheric structure and evolution, volcanology, Earth structure and dynamics, Earth rotation and reference frames, and geopotential fields