Lithosphere and Upper Mantle P-Wave Velocity Structure Beneath the Alps by High-Resolution ...

160 Pages·2002·18.65 MB·English

ETH Library
Lithosphere and upper mantle P-
wave velocity structure beneath
the Alps by high-resolution
teleseismic tomography
Doctoral Thesis
Author(s):
Lippitsch, Regina
Publication date:
2002
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-004484684
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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Diss.ETHNo.14726
Lithosphere and Upper Mantle P-Wave Velocity
Structure Beneath the Alps by High-Resolution
Teleseismic Tomography
Adissertationsubmittedtothe
SWISS FEDERALINSTITUTE OF TECHNOLOGY
forthedegree of
DOCTOROFNATURAL SCIENCE
presentedby
REGINALIPPITSCH
Diplom-Ingenieur
UniversityofLeoben(Austria)
bornNovember21,1973
citizenofAustria
acceptedbytherecommendations of
Prof.Dr.Edi Kissling,examiner
Prof.Dr.JörgAnsorge,co-examiner
Prof.Dr.Rinus Wortel,co-examiner
Prof.Dr.DomenicoGardini,co-examiner
Zürich,2002

Tableofcontents
TABLE OFCONTENTS
Zusammenfassung 1
Abstract 3
Chapter 1
Introduction
Themultidisciplinaryproject TRANSALP 6
Tectonicoverview 7
Theteleseismic tomography projectTRANSALP 12
Method 12
Agenda 13
Chapter 2
ThePassive SeismicExperimentTRANSALP
2.1Introduction 16
2.2Designof the passiveseismic experimentTRANSALP 18
2.3StationParameters 20
StationCoordinates 20
Stationoperationmode 23
Tableofcontents
2.4Compilationofteleseismicdata 24
TAdataset 25
RN dataset 25
P-wavearrival time determination 28
Chapter 3
A3D crustal P-wave velocitymodel for high-resolution teleseismictomography
3.1Introductiontohigh-resolutionteleseismictomography 32
Inversiontheory 33
Theinitial referencemodel 36
3.2High-resolutionteleseismictomographyof uppermantlestructureusinganapri- 37
ori3Dcrustal model (acceptedfor publicationinGJI)
3.3Applicationofthe Alpine 3Dcrustal model onteleseismictravel time 57
Chapter 4
High-resolutionteleseismic tomographyofuppermantlestructure
beneath theAlpine orogen
4.1Introduction 62
4.2Resolutionandreliabilityassessment 63
Damping 63
Spike andSpikeharmonictest 65
Test withdifferent initial reference models 68
Tableofcontents
4.3Uppermantlestructure beneaththe Alpine orogenfrom high-resolutionteleseis- 73
mictomography(submittedfor publicationinJ.Geophys.Res.)
Chapter 5
DiscussionandInterpretationoftomographic results
5.1The uppermantlestructurebeneathwestern,central,andeasternAlps 106
Theuppermantlestructure beneaththewesternAlps 107
Theuppermantlestructure beneaththecentralAlps 111
Theuppermantlestructure beneaththeeasternAlps 113
5.2Comparisonwithotherstudies 120
Chapter 6
Conclusion andOutlook 125
High-qualitytraveltimepicks 126
Apriori corrections for teleseismictravel times 126
Resolutionassesment 128
Tectonicinterpretation 128
References 131
CurriculumVitae
Acknowledgements
Tableofcontents
AppendixA
Station andEarthquakeparameters
A.1Stationcoordinates forall stations
A.2Earthquake parameters
AppendixB
Software description
The modularsoftwarepackageCRUST3D
Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG
In der tektonisch komplexen Region der Alpen wurden drei kontinentale Platten
(europäische, ligurische und adriatische) während der Bildung des Orogens miteinander
verschweisst. Um die Entwicklung des Orogens und das Zusammenspiel zwischen diesen
drei Lithosphärenplatten zu verstehen, ist die Kenntniss der aktuellen Lithosphären-
Asthenosphärenstruktur unerlässlich. Zur Erhellung der Struktur des obersten Mantels
wenden wir hochauflösende teleseismische Tomographie an. Dazu werden P-Wellen-
Laufzeiten von Fernbebenregistrierungen an digitalen Permanent- und Temporärstationen im
alpinen Raum zwischen 1998 und 2000 am Rechner bestimmt. Der daraus resultierende
Datensatz besteht aus 4199 Relativlaufzeiten und 499 Absolutlaufzeiten von 76
teleseismischen Beben mit gleichmässiger azimuthaler Verteilung. Im nächsten Schritt
werden Korrekturen für den Anteil der Kruste an der Laufzeit des einfallenden Wellenfeldes
berechnet. Dieser Anteil kann bis zu 50% des Laufzeitresiduums betragen. Das 3D
Krustenmodell, abgeleitet aus vorliegenden aktiven seismischen Daten, repräsentiert die
wesentlichen Elemente der untiefen alpinen Lithosphärenstruktur und reflektiert die Effekte
der Kollision zwischen afrikanischer und europäischer Platte. Aus den Absolutlaufzeiten der
Erdbebensignale wurde ein 1D Startmodell für die Inversion berechnet, welches eine gute
Näherung an die mittlere wahre Erdstruktur darstellt. Tests mit synthetischen Daten
dokumentieren, dass durch die Kombination aus nicht-linearer Inversion, hochqualitativen
Daten und einem a priori bekannten 3D Krustenmodell Zellen in der unteren Lithosphäre und
Asthenosphäre von 50 x 50 x 30 km Grösse im Grossteil des Studiengebietes aufgelöst
werden können. Die tomographischen Bilder zeigen die Struktur des obersten Mantels bis zu
einer Tiefe von 400 km und geben den heutigen Status der komplizierten Alpenbildung
wieder. Entlang des Streichens der Alpen zeigen die Inversionsresultate einen schnellen,
abtauchenden Körper unter dem Orogen. Die Bilder zeigen, dass untiefe Teile dieser
Lithosphärenplatte in den Westalpen möglicherweise von der darüberliegenden Kruste
abgetrennt wurden. Dieser Prozess könnte durch den Ivrea Körper, der als Prellbock in der
Kollision zwischen Europa und Afrika fungiert, initiiert worden sein. Die untere europäische
LithosphärewirdindenWestalpeninRichtungSüdostensubduziert; die Richtung ändert sich
allmählich bis zu vertikalem Einfallen im westlichsten Teil der Ostalpen (westlich des
Tauernfensters). Die Tiefenausdehnung der abtauchenden Lithosphärenplatte stimmt gut mit
1
Zusammenfassung
den geschätzen Krustenverkürzungen in den West- und Zentralalpen überein. Das Bild des
oberen Mantels ändert sich östlich der Giudicaria Linie. Die abtauchende untere kontinentale
Lithosphäre ist nun ganz klar an die Adriatischen Platte gebunden und wird gegen Nordosten
subduziert. Es gibt keine Anzeichen für ozeanische Lithosphäre in den ersten 400 km des
oberen Mantels unter den Ostalpen. Daraus folgt, dass subduzierte ozeanische Lithosphäre
und subduzierte kontinentale Lithosphäre auch in den Ostalpen voneinander getrennt sind.
Frühere tomographische Studien zeigen zwar einen Gürtel von hoher Geschwindigkeit
entlangderAlpen, habenaber nicht das notwendige Auflösungsvermögenum die Geometrien
der abtauchenden Lithosphärenplatten im Detail erkennen zu können. Mit der Kombination
von Krustenkorrektur, nicht-linearer Inversion und einem 3D Raytracer wird es möglich,
zwei verschiedene, abtauchende kontinentale Lithosphärenplatten zu identifizieren, die zwei
unterschiedliche frühere Subduktionszonen unter den Alpen wiedergeben. Dieses Ergebnis
liefert einenwichtigen Beitrag zur Fixierung und damit zum besseren Verständnis der alpinen
OrogeneseinRaum undZeit.
2
Abstract
ABSTRACT
In the tectonically complex Alpine region, three different continental plates (European, Adri-
atic,andLigurian)amalgamatedduringthe formationoftheorogen.Tounderstandtheevolu-
tion of this orogen and the interactions between the three lithospheric blocks, knowledge of
the actual structure of the lithosphere-asthenosphere system is of great importance. To illumi-
nate the structure of the uppermost mantle we perform high-resolution teleseismic tomogra-
phy.WemanuallypickedP-arrivaltimesfromseismogramsrecordedatdigitalpermanentand
temporary stations with relatively dense distribution in the greater Alpine region between
1998 and 2000. The resulting data set consists of 4199 relative P-arrivals and 499 absolute P-
arrivals from 76 teleseismic events with even azimuthal distribution. In the first step of this
study corrections are calculated for the contribution of the Alpine crust to travel-times of
incoming wave fields that may account for up to 50% of the observed travel-time residuals.
The 3D crustal model established from controlled-source seismology data represents the
large-scaleAlpinecrustalstructurewhichclearlyreflectstheeffectsoftheAfricaEuropeplate
collision. Absolute P-arrival times from these events are used to compute an initial reference
modelforthe inversion,closetotherealEarth’s structure.Tests withsyntheticdatadocument
that the combination of non-linear inversion, high-quality teleseismic data, and usage of an a
priori 3D crustal model allows a reliable resolution of cells at 50km x 50km x 30km in the
uppermost mantle inmost areas understudy.Ourtomographicimagesilluminate thestructure
of the uppermost mantle to depth of 400 km and reflect the current status of the complex pro-
cess that forms the Alpine orogen. Along strike of the Alps, the inversion reveals a fast, slab-
like body beneath the orogen. In the western and central Alps, continental and probably small
parts of oceanic lithospheric material subducted beneath the Adriatic micro plate is imaged to
depthsofabout350km.Ourtomographicimagesindicatethatshallowpartsofthecontinental
lithosphericslabunderwentadetachmentprocessinthewesternAlps,possiblyinducedbythe
IvreabodywhichactedasabuttressinthecollisionofEuropeanandAdriaticplate.TheEuro-
peancontinentallowerlithosphericslabisSEdirectedinthewesternAlpsandchangesgradu-
ally to almost vertical dip in the westernmost part of the eastern Alps (west of the Tauern
window). The depth extent of the continental lithospheric slab agrees rather well with esti-
mates of crustal shorteningfor thewestern andcentral Alps. The upper mantle image changes
3