Processing and interpretation of satellite and ground based gravity data at different lithospheric scales

Holzrichter, Nils

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.

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Holzrichter, Nils: Processing and interpretation of satellite and ground based gravity data at different lithospheric scales. 2013.

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