Universität zu Köln

Carrasco, Sebastian ORCID: 0000-0002-6207-8757 (2024). Multi-scale investigation of the subsurface structure at the InSight landing site, on Mars, using single-station seismology. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The internal structure of a planet provides constraints for understanding its evolution and dynamics. To this end, seismological data is of great relevance since seismic waves can map its interior at different scales, from meters to kilometers deep. In November 2018, the InSight spacecraft landed on Mars and deployed a set of geophysical instruments, including one seismological station. In this work, the subsurface structure at the InSight landing site (ILS) is explored, from the shallow subsurface to crustal depths, by applying single-station seismological techniques (SST) on Martian ambient vibrations and seismic events data. The shallow subsurface at the ILS, in the order of meters, is investigated using the horizontal-to-vertical spectral ratios (HVSR) technique under the diffuse field assumption (DFA). After assessing the recordings, the ambient vibrations of the first Martian year of the mission are discouraged for HVSR analysis due to (i) the likely recording of the instrumental self-noise at low wind periods and (ii) the strong influence of wind-lander interaction on the recordings as the wind speed increases. Instead, the characteristic HVSR for the ILS, between 0.4 and 10 Hz, is derived from the coda of seismic events (eHV). The eHV presents a strong peak around 8 Hz, a rapid decay towards low frequencies and a narrow trough around 2.4 Hz. Assuming a full-wavefield DFA, a nonlinear inversion using the conditional Neighbourhood Algorithm (NA) allowed to map the shallow subsurface at the ILS. Due to the non-uniqueness problem, different sets of models are retrieved. The 8 Hz peak can be explained by a Rayleigh wave resonance due to a shallow highvelocity layer, while the 2.4 Hz trough is explained by a P-wave resonance due to a buried low-velocity layer. The kilometer-scale subsurface was constrained by Rayleigh wave ellipticity measurements from large martian seismic events. The open-source Python-based tool Rellipy was developed for ellipticity extraction. The ellipticity measurements (0.03-0.07 Hz) were jointly inverted with P-to-s Receiver Functions and P-wave lag times from autocorrelations, to provide a subsurface model for the martian crust at the ILS. The joint inversion using NA allowed the unveiling of a new shallow layer at the ILS, unreported by previous models inverting seismological data. The HVSR in the 0.06-0.5 Hz frequency range from the coda of S1222a, the largest event ever recorded on Mars, suggests a gradual transition from shallow to crustal depths and consolidates the shallow subsurface models with large shear-wave velocities as the most compatible with the crustal structure. A comprehensive multi-scale model of the ILS subsurface is proposed. The ILS is characterized by the emplacement of a low-velocity regolith/coarse ejecta layer over a high-velocity Amazonian fractured lava flow (∼2 km/s, ∼30 m thick). A buried Late HesperianAmazonian sedimentary layer is deposited below (∼450 m/s, ∼30 m thick), underlain by a heavily weathered Early Hesperian lava flow. The latter overlays a thick, likely Noachian sedimentary layer that extends to a depth of 2-3 km. This shallow structure forms the first crustal layer derived from the joint inversion. Deeper crustal layers are consistent with other reported ILS models, with intracrustal discontinuities at 8-12 km and 18-23 km depth. The Moho depth at the ILS is found at 35-45 km depth. Shear-wave velocities above ∼20 km depth are lower than 2.5 km/s, slower than in other regions of Mars, suggesting a higher alteration due to local processes or a different origin of the upper crust at the ILS. The proposed model is consistent with the geologic history of Mars and other independent observations, confirming the great otential of SST for multi-scale investigation of, e.g., other planetary bodies or understudied regions on Earth.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die innere Struktur eines Planeten liefert Anhaltspunkte für das Verständnis seiner Entwicklung und Dynamik. Zu diesem Zweck sind seismologische Daten von großer Bedeutung, da seismische Wellen das Innere des Planeten in verschiedenen Maßstäben abbilden können, von Metern bis zu Kilometern Tiefe. Im November 2018 landete die Raumsonde InSight auf dem Mars und setzte eine Reihe von geophysikalischen Instrumenten ein, darunter eine seismologische Station. In dieser Arbeit wird die Struktur des Untergrunds an der InSight-Landestelle (ILS) erforscht, vom flachen Untergrund bis in die Tiefe der Kruste, indem seismologische Einzelstationsverfahren (SST) auf die Daten der Umgebungsvibrationen und seismischen Ereignisse auf dem Mars angewendet werden. Der flache Untergrund am ILS, in der Größenordnung von einigen Metern, wird mit der Technik der horizontal-vertikalen Spektralverhältnisse (HVSR) unter der Annahme eines diffusen Feldes (DFA) untersucht. Nach der Auswertung der Aufzeichnungen werden die Umgebungsvibrationen des ersten Marsjahres der Mission für die HVSR-Analyse nicht berücksichtigt, da (i) die Aufzeichnung des instrumentellen Eigenrauschens bei geringen Windperioden wahrscheinlich ist und (ii) die Aufzeichnungen bei zunehmender Windgeschwindigkeit stark von der Wind-Lander-Interaktion beeinflusst werden. Stattdessen wird die charakteristische HVSR für das ILS, zwischen 0,4 und 10 Hz, aus der Koda seismischer Ereignisse (eHV) abgeleitet. Die eHV zeigt eine starke Spitze um 8 Hz, einen schnellen Abfall zu niedrigen Frequenzen und einen schmalen Tiefpunkt um 2,4 Hz. Unter der Annahme eines Vollwellenfeldes DFA ermöglichte eine nichtlineare Inversion unter Verwendung des bedingten Nachbarschaftsalgorithmus (NA) die Abbildung des flachen Untergrundes am ILS. Aufgrund des Nicht-Eindeutigkeitsproblems wurden verschiedene Modellsätze ermittelt. Die gemeinsamen Muster deuten darauf hin, dass die 8-Hz-Spitze durch eine Rayleigh-Wellenresonanz aufgrund einer flachen Schicht mit hoher Geschwindigkeit erklärt werden kann, während der 2,4-Hz-Trog durch eine P-Wellenresonanz aufgrund einer vergrabenen Schicht mit niedriger Geschwindigkeit erklärt wird. Der kilometergroße Untergrund wurde durch Rayleigh-Wellen-Elliptizitätsmessungen aus großen seismischen Ereignissen auf dem Mars eingegrenzt. Für die Extraktion der Elliptizität wurde das Open-Source-Programm Rellipy auf Python-Basis entwickelt. Die Elliptizitätsmessungen (0,03-0,07 Hz) wurden gemeinsam mit P-to-s-Empfangsfunktionen und P-Wellen-Verzögerungszeiten aus Autokorrelationen invertiert, um ein Untergrundmodell für die Marskruste am ILS zu erstellen. Die gemeinsame Inversion unter Verwendung von NA ermöglichte die Enthüllung einer neuen flachen Schicht am ILS, die von früheren Modellen, die seismologische Daten invertierten, nicht erfasst wurde. Die HVSR im Frequenzbereich von 0,06-0,5 Hz aus der Coda von S1222a, dem größten jemals auf dem Mars aufgezeichneten Ereignis, deutet auf einen allmählichen Übergang von flachen zu krustalen Tiefen hin und konsolidiert die flachen Untergrundmodelle mit großen Scherwellengeschwindigkeiten als die mit der Krustenstruktur am besten kompatiblen. Es wird ein umfassendes Multiskalenmodell des ILS-Untergrunds vorgeschlagen. Der ILS ist durch die Einlagerung einer Regolith-/Grobejekta-Schicht mit niedriger Geschwindigkeit über einem zerklüfteten Lavastrom mit hoher Geschwindigkeit (~2 km/s, ~30 m dick) aus der Amazonischen Periode gekennzeichnet. Darunter wird eine vergrabene Sedimentschicht aus dem späten Hesperian-Amazonian abgelagert (~450 m/s, ~30 m dick), die von einem stark verwitterten Lavastrom aus dem frühen Hesperian unterlagert wird. Letzterer überlagert eine dicke, wahrscheinlich noachische Sedimentschicht, die sich bis in eine Tiefe von 2-3 km erstreckt. Diese flache Struktur bildet die erste Krustenschicht, die sich aus der gemeinsamen Inversion ergibt. Tiefer liegende Krustenschichten stimmen mit anderen berichteten ILS-Modellen überein, mit intrakrustalen Diskontinuitäten in 8-12 km und 18-23 km Tiefe. Die Moho-Tiefe am ILS befindet sich in 35-45 km Tiefe. Die Scherwellengeschwindigkeiten oberhalb von ~20 km Tiefe sind niedriger als 2,5 km/s und damit langsamer als in anderen Regionen des Mars, was auf eine stärkere Alteration aufgrund lokaler Prozesse oder einen anderen Ursprung der oberen Kruste am ILS hindeutet. Das vorgeschlagene Modell stimmt mit der geologischen Geschichte des Mars und anderen unabhängigen Beobachtungen überein und bestätigt das große Potenzial von SST für die multiskalige Untersuchung von z.B. anderen planetaren Körpern oder unerforschten Regionen auf der Erde. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Carrasco, Sebastian UNSPECIFIED orcid.org/0000-0002-6207-8757 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-731699
Date:	2024
Place of Publication:	Köln, Deutschland
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Martian seismology English Subsurface characterization English InSight project English Inversion English HVSR English Surface waves English Marsquakes English
Date of oral exam:	8 March 2024
Referee:	Name Academic Title Knapmeyer-Endrun, Brigitte Dr. Tezkan, Bülent Prof. Dr. Meier, Thomas Prof. Dr.
Projects:	InSight
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73169