Middle Atlantic Ridge Study with Three-Dimensional Magnetotelluric novel Techniques

Å studere jordens indre er avgjørende for å forstå planeten og hvordan den fungerer. Jordens dype strukturer er fortsatt i stor grad ukjente. Magnetotellurisk (MT) er en miljøvennlig geofysisk metode som benytter jordens naturlige elektromagnetiske felt for å kartlegge den elektriske ledningsevnen i jordens indre, ned til noen hundre kilometers dyp. Midthavsrygger har en enklere geologisk utvikling enn kontinentene og er derfor ideelle laboratorier for å studere jordens indre. Derfor har det stor verdi å kunne bygge pålitelige tredimensjonale (3D) modeller for hvordan ledningsevnen varierer ved hjelp av data samlet inn langs midthavsrygger. Slike modeller kan hjelpe oss å forstå hvor mye smelte det er i dypet og hvor mye vann som finnes på slike dyp under midthavsrygger. Hvor gode modellene er vil bli kvantifisert ved hjelp av usikkerhetsberegninger. I dag finnes det ikke verktøy som kan lage pålitelige 3D-modeller for elektrisk ledningsevne i undergrunnen fra marine MT-data. Hovedmålene for MARS3DMT er: (1) Utvikle 3D inversjonsverktøy for marine MT-data som tar hensyn til vanndypsvariasjoner og påvirkning fra kystområder ved hjelp av Finite element og Gaus-Newton metodikk; (2) Utvikle en 3D MT-inversjon som kvantifiserer usikkerheter ved hjelp av Fast Fourier Transform and Bayseian methods; (3) Lage den første detaljerte 3D-modellen for elektrisk ledningsevne med tilhørende usikkerheter for den Midt-Atlantiske ryggen (MAR). Sekundærmålene er: (1) Å tolke de geologiske strukturene under MAR med usikkerheter; (2) Kvantifisere smelte- og vanninnhold under MAR med tilhørende usikkerheter. Det er fire arbeidspakker i MARS3DMT. De to første fokuserer på algoritmeutvikling, den tredje på tolkning og den fjerde på administrasjon og ledelse. Inversjonsalgoritmer som utvikles i prosjektet kan også brukes for å studere marine mineraler, til leting etter marine geotermale ressurser, for å overvåke CO2-lagring under havet og til å oppdage og studere hav på andre planeter.

Revealing Earth’s interior beneath the oceans is crucial for the understanding of the planet and how it operates. However, Earth’s deep structures are still elusive. Magnetotellurics (MT), as a green geophysical method, utilizes Earth’s natural electromagnetic fields to study the electrical resistivity of the Earth’s interior down to a few hundred kilometers. Ocean ridges have a simpler geological history than continents and so are ideal laboratories to study Earth’s interior. Therefore, it is valuable to build a reliable three-dimensional (3D) resistivity model from MT data collected at ocean ridges. Furthermore, such a model would dramatically improve the understanding of partial melts, melt fraction, and water content beneath the ocean ridges, especially with quantified model uncertainties. However, the tools for generating reliable 3D resistivity models with marine MT data are missing. The primary objectives of MARS3DMT are: (1) Develop a 3D marine MT inversion incorporating bathymetry and coastlines using finite element and Gauss-Newton methods; (2) Develop a 3D MT inversion with quantified uncertainties using fast Fourier Transform (FFT) and Bayesian methods; (3) Construct the first detailed 3D resistivity model with quantified uncertainties beneath the Middle Atlantic Ridge (MAR). The secondary objectives are: (1) Interpret the geological structures beneath MAR with rigorous uncertainty quantification through Bayesian inference; (2) Quantify the melt fraction and the water content beneath the MAR with uncertainties. There are four work packages in MARS3DMT. The first two focus on algorithm developments, the third interpretation, and the fourth management. The inversion algorithms developed in this project are not only applicable to the studies of Earth’s interior, but also open a new path for seabed metal exploration, offshore geothermal exploration, seafloor landslide studies, undersea CO2 monitoring, and subsurface ocean discovery on other planets.